CH413066A - Magnetohydrodynamischer Generator - Google Patents

Magnetohydrodynamischer Generator

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CH413066A
CH413066A CH1101864A CH1101864A CH413066A CH 413066 A CH413066 A CH 413066A CH 1101864 A CH1101864 A CH 1101864A CH 1101864 A CH1101864 A CH 1101864A CH 413066 A CH413066 A CH 413066A
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CH1101864A
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Heinz Dr Froehlich
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Siemens Ag
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Description


      Magnetohydrodynamischer    Generator    Ein     magnetohydrodynamischer    Generator     (MHD-          Generator)    hat bekanntlich Elektroden, zwischen denen  ein elektrisch leitendes Medium mit hoher Geschwin  digkeit strömt. Legt man senkrecht zur Strömungs  richtung und zu einer durch die Elektroden gedachten  Ebene ein Magnetfeld an, so kann man an den Elek  troden elektrische Leistung entnehmen.  



  Für eine Direktumwandlung thermischer in elektri  sche Energie können die Abgase einer     Flamme    verwen  det werden, wie sie bei Verbrennen von ölen,     z.B.     Heizölen, unter Zufuhr von Luft und leicht ionisier  baren Stoffen (Saatmaterial) wie Kalium entstehen. Die  Abgase aus der Flamme sind dann so weit ionisiert,  dass sie die Eigenschaften eines Plasmas haben.  



  Das Plasma kann auch durch Kernenergie erzeugt  werden. Dazu können Wärmewirkung der Kernreak  tion und ionisierende Wirkung der radioaktiven Strah  lung ausgenutzt werden.  



  In     Fig.    1 ist schematisch ein     MHD-Generator    dar  gestellt. In einer     Brennkammer    4 entsteht Plasma mit  einer Temperatur von etwa     3000     C, das in Richtung  des Pfeiles v durch eine Düse 5 expandiert und da  durch auf Strömungsgeschwindigkeiten (v) in der  Grössenordnung von 1000 m/sec gebracht wird. Mit  dem Plasma stehen im Strömungsraum 6 des Gene  ratorkanals gegenüberliegende Elektroden 8 und 9  in Verbindung. Senkrecht zur Zeichenebene liegt ein  Magnetfeld B an, dessen Kraftlinien aus der Zeichen  ebene heraustreten. Dadurch wird im Plasma eine ne  gative elektrische Feldstärke in Richtung des Pfeiles  Ei induziert, bzw. zwischen den Elektroden entsteht  eine positive Feldstärke in Richtung dieses Pfeiles.  



  Die     Leerlaufspannung    zwischen den Elektroden  ist in erster Näherung dem Produkt aus der magne-    tischen Feldstärke, der     Strömungsgeschwindigkeit    des  leitenden Mediums und dem     Elektrodenabstand    pro  portional. Trägt man die     Leerlaufspannung    als Funk  tion der     angelegten    magnetischen Feldstärke auf, so  zeigt     isich,    dass die     Leerlaufspannung    ab etwa 5     kOe     langsamer als linear mit der magnetischen Feldstärke  ansteigt.

   Das bedeutet ein Anwachsen des als Ver  hältnis von     Leerlaufspannung    zu Kurzschlussstrom ge  bildeten     Generatorinnenwiderstandes.     



  Mitunter wird bei     MHD-Generatoren    die Ursache  für     das    geringer werdende Anwachsen der Leerlauf  spannung mit Halleffekt bezeichnet. Werden keine  Vorkehrungen - wie Unterteilung der Elektroden  quer zur Strömungsrichtung - getroffen, -so     führt    der  Halleffekt zu Ausgleichsströmen über die Elektroden  und zu Wirbelströmen im Plasma.  



  In der deutschen Patentschrift 692 706 ist unter  anderem eine Anordnung beschrieben, bei der ein     Gas-          oder    Dampfstrom zwischen längs der Strömung     an-          geordneten        Elektrodenpaaren    hindurchströmt. Es ist  dabei eine Schaltung beschrieben, mit der durch Trans  formatoren bei galvanischer Trennung der Elektroden  paare die     Elektrodenspannung    summiert wird. Bei  einem angelegten magnetischen Wechselfeld kann die  ser Generator Wechselstrom erzeugen.  



  Die Unterteilung der Elektroden quer zur Strö  mungsrichtung bzw. die Anordnung mehrerer     Elektro-          denpaare    sieht man vor, um bei galvanischer Tren  nung der     Elektrodenpaare    Wirbelströme, bzw. Aus  gleichsströme über die Elektroden zu vermeiden. Diese  würden sonst durch eine Spannungskomponente in  Strömungsrichtung     (z.B.        Hallspannung)    ausgelöst.  



  Von einer solchen Anordnung mehrerer Elektroden  paare geht die Erfindung aus. Mit der Erfindung wird      das Ziel verfolgt, dem Anwachsen des     Generatorinnen-          widerstandes    bzw. dem schwächer werdenden Anwach  sen der     Leerlaufspannung    bei wachsendem angelegtem  Magnetfeld entgegen zu wirken. Ausserdem soll bei  Entnahme von Laststrom bzw.     bei        Laststromänderung     der dadurch auftretende Halleffekt zu keiner     Lei-          stungseinbusse    des Generators führen.  



  Dieses Ziel wird mit     MHD-Generatoren    mit galva  nisch getrennten     Elektrodenpaaren,    die mit einem strö  menden, elektrisch leitenden Medium in Verbindung  stehen, dadurch erreicht, dass gegenüberliegende Elek  troden in Strömungsrichtung im Sinne der Erzielung  maximaler     Elektrodenspannung    gegeneinander versetzt  sind. Ist das Ausmass des Versatzes während des Be  triebes einstellbar, so lässt sich der Generator nach der  Erfindung wechselnden Betriebsbedingungen anpassen.  Dazu können die Elektroden durch einen Stellmotor  eingestellt werden, der von einem Spannungsregler in  Abhängigkeit von der     Elektrodenspannung    beeinflusst  wird.

   Die Elektroden sind dann paarweise immer in  Richtung der aus induzierter und     Hallkomponente    re  sultierenden Feldstärke einander gegenübergestellt.  



  Es ist ein Generator mit mehreren     Elektrodenpaaren     bekannt, bei dem Elektroden auf gleichem Potential,  die also in Strömungsrichtung versetzt sind, elektrisch  miteinander verbunden sind. Den überzähligen versetz  ten Elektroden am Strömungseingang und     -ausgang     stehen jeweils eine schräg angeordnete     Schlusselektro-          de    gegenüber, von denen die summierte Energie abge  nommen werden soll.

   Es handelt sich also um eine  Reihenschaltung von     Elektrodenpaaren    bzw. der quer  zur Strömungsrichtung im Plasma induzierten Span  nungskomponente mit Hilfe der     Hallspannung.    Dabei  liegt die vom Generator erzeugte Spannung zwischen  Elektroden auf einer Seite der Strömung an, weshalb  mit starken Ausgleichsströmen gerechnet werden muss.  



  Beim Generator nach der Erfindung kann man  ebenfalls die     einzelnen        Elektrodenspannungen    summie  ren. Sie lassen sich ausserdem in getrennten Lastkreisen  ausnützen. Wesentlich ist, dass man beim     erfindungs-          gemässen        Generator    jeweils zwischen den Elektroden  eines Paares die gegenüber der Querspannung grössere  maximale bzw. resultierende Spannung erzielt. Da der  Generator nach der Erfindung die maximale Klemmen  spannung unter Vermeidung von     Wirbelstromverlusten     liefert, ist man in der Lage, leistungsstärkere     MHD-          Generatoren    zu bauen.

   Die     Erfindung    geht dabei von  der Erkenntnis aus, dass der Stromtransport :im Pla  sma wie bei metallisch leitenden Medien über die  Elektronen zustande kommt. Die     Ionenbeweglichkeit     im Plasma ist gegenüber der Beweglichkeit der Elek  tronen zu vernachlässigen. Auf Grund der Strömungs  geschwindigkeit des Plasmas wirkt durch das Magnet  feld auf die Elektronen eine Kraft in Richtung der  negativen     induzierten    Feldstärke. Andererseits werden  Elektronen in einem Magnetfeld auf eine Kreisbahn       (Larmor-Kreis)    abgelenkt.

   Ist die mittlere freie Weg  länge X der Elektronen gegenüber dem Durchmesser  d des     Larmor-Kreises    klein, so kommt wegen häufiger  Zusammenstösse die     zuletztgenannte    Erscheinung nicht    oder wenig zur Wirkung. Ist X in der Grössenordnung  mit d vergleichbar, so legen die Elektronen zwischen  den     Zusammenstössen    beträchtliche Teile einer Kreis  bahn zurück. Dadurch bleiben die Elektronen in  Strömungsrichtung gegenüber den positiven Ionen zu  rück, und es entsteht die Erscheinung, als ob eine  Feldstärke in Strömungsrichtung wirksam würde, was  mitunter auch als Halleffekt bezeichnet wird, im phy  sikalisch strengen Sinne aber kein Halleffekt ist.

         Fliesst    zwischen den Elektroden über einen äusseren  Widerstand ein Laststrom, so kommt durch das ange  legte Magnetfeld der eigentliche Halleffekt zustande.  Beide Erscheinungen bewirken gleichsinnig, dass die  im Plasma erzeugte resultierende Feldstärke gedreht       wird    und werden hier unter dem Begriff  Halleffekt   zusammengefasst. Der Generator nach der     Erfindung     gestattet, unmittelbar diese resultierende Feldstärke  auszunutzen.  



  In     Fig.    1 sind neben der     induzierten    elektrischen  Feldstärke E; der Spannungskomponente quer zur  Strömungsrichtung, die      Hallkomponente         E,,    sowie  die resultierende Feldstärke Er eingetragen.  



  Die     Elektrodenanordnung    im Generator bei     eigem     Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in     Fig.    2 wie  dergegeben. Durch den Strömungsraum 6 des darge  stellten     Generatorkanals    strömt Plasma mit der Ge  schwindigkeit v.

   Durch das senkrecht aus der Zeichen  ebene heraustretende Magnetfeld B und auf Grund der  beschriebenen  Halleffekte  entsteht eine resultierende  Feldstärke in Richtung der Pfeile Er. Über die     Elek-          trodenpaare    mit den Elektroden 8 und 9, 10 und 11,  12 und 13, 14 und 15, deren Randverbindungslinien .in  der Richtung der resultierenden Feldstärke liegen,  können Verbraucher elektrischer Energie unter voller  Ausnutzung der resultierenden Feldstärke gespeist wer  den. Das     heisst,    dass gegenüberliegende Elektroden in  Strömungsrichtung im Sinne maximaler     Spannung    ge  geneinander versetzt sind.

   Durch die schräge Gegen  überstellung der Elektroden liegt zwischen jedem       Elektrodenpaar    ausserdem wegen des     grösseren        Elek-          trodenabstandes    in     Richtung    der resultierenden Feld  stärke höhere Spannung an als bei einer Gegenüber  stellung senkrecht zur Strömungsrichtung.  



  Ein Ausführungsbeispiel zum Generator nach der  Erfindung ist in     Fig.    3 schematisch dargestellt. Über  eine Ringdüse 1 wird durch ein Rohr 2 Heizöl und  durch ein Rohr 3 Sauerstoff und     Kaliumkarbonat    als  Saatmaterial in die Brennkammer 4 eingespritzt. Bei  der Verbrennung entsteht ein Plasma, das über eine  Düse 5 auf hohe Strömungsgeschwindigkeit gebracht  wird und den Strömungsraum 6 eines     Generatorkanals     7 durchströmt. Über und unter der Zeichenebene ist  der     Generatorkanal    durch Wände abgeschlossen zu  denken, an die sich Polschuhe zur Zuführung eines       Magnetfeldes    anschliessen.  



  Die resultierende elektrische Feldstärke im Plasma  wird im Ausführungsbeispiel über vier     El'ektrodenpaare     nutzbar gemacht. Es lässt sich auch eine andere     Zahl     von     Elektrodenpaaren,    prinzipiell auch nur ein einzi  ges, verwenden. Die einzelnen Elektroden auf einer      Seite der Strömung (8, 10, 12, 14 bzw. 9, 11, 13, 15)  können voneinander durch elektrisch isolierende Kitt  schichten getrennt sein. Die Elektroden einer Seite sind  jeweils mit einer Halterung 16 verbunden, die mit       Elektrodendurchführungen    versehen sind. In Strö  mungsrichtung können die Elektroden auf jeder Seite  durch elektrisch isolierendes Material 17 zu geschlosse  nen Wänden ergänzt werden.

   Eine oder beide der  Elektroden tragenden Wände sind in Strömungsrich  tung beweglich, und die Elektroden sind gegeneinander  versetzt. Nach     Fig.    3 wird das Ausmass des Versatzes  über die untere Wand durch einen Stellmotor 20 einge  stellt;     z.B.    über ein Zahnrad 19 und eine Zahnstange  18. Stattdessen ist es möglich, die Elektroden nach  Art eines umlaufenden Bandes beweglich anzuordnen.  



  Jedes     Elektrodenpaar    kann mit einem Wechselrich  ter verbunden sein, wodurch Wechselspannungen  erzeugt werden. Die Wechselrichter 23, 24, 25 und 26  können über Transformatoren 27, 28, 29 und 30 ge  meinsam in ein     Netz    einspeisen. Durch das Zwischen  schalten von Transformatoren bleiben die     Elektro-          denpaare    voneinander galvanisch getrennt, wodurch  keine Ausgleichsströme zwischen den     Elektrodenpaaren     auftreten können. Im Ausführungsbeispiel sind die  Transformatoren auf der Sekundärseite in Reihe ge  schaltet und über die     Anschlussklemmen    31 mit einem  Netz verbunden zu denken.  



  Der Stellmotor 20 wird durch einen Spannungs  regler 22 an sich bekannter Art     beeinflusst,        z.B.    auf  Vorlauf, Rücklauf oder Halt geschaltet, was mit der  Wirkungslinie zwischen 22 und 20 angedeutet ist. Die  Regelschaltung bekommt als     Istwertinformation        z.B.     die Spannung zwischen den     Elektroden    14 und 15  eines     Elektrodenpaares.    Die Regelschaltung kann so  aufgebaut sein, dass nach bestimmten Zeitintervallen  oder nach anderen Kriterien,     z.B.    nach Spannungsände  rung, der Motor 20 so lange auf Vor- oder Rücklauf  geschaltet wird, bis die zwischen den Elektroden 14  und 15 gemessene Spannung abfällt.

   Dann ist der  Motor in die andere Laufrichtung umzuschalten und  bis zu abfallender     Messspannung    in Betrieb zu halten;  bei Spannungsabfall ist auszuschalten. Es kann auch  eine     Rücklaufkorrektur        bis    zum dazwischenliegenden  Spannungsmaximum des gerade herrschenden Be-         triebszustandes    vorgesehen werden. Der Stellmotor 20  lässt sich mit der vom Generator erzeugten Energie  speisen und kann hierzu     z.B.    über einen Transformator  21 an das Netz angeschlossen sein.  



  Die Länge der Elektroden in Strömungsrichtung  ist so zu bemessen, dass die      Hallspannung     im Plasma  über eine     Elektrodenlänge    klein bleibt .im Verhältnis  zu der zwischen zwei Elektroden eines Paares abgenom  menen Nutzspannung. Bei sich erweiternden Generator  kanälen,     z.B.    mit der Form von     Laval-Düsen,        körnen     die Elektroden im Kanal     tangential    nach der in     Fig.    4       ersichtlichen    Weise angeordnet sein.

   Nach     Fig.    4 sind  im Strömungsraum 6 eines     Generatorkanals    zwei     Elek-          trodenpaare    mit den Elektroden 8 und 9 sowie 10 und  11     tangential    zur Kanalwand angeordnet. Die Länge  der Elektroden ist unterschiedlich und so gewählt,     dass     die Elektroden eines Paares etwa gleiche Wirkungsflä  che haben. Die Elektroden lassen sich dann von paral  lelen Linien, wie angedeutet, begrenzt denken.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH Magnetohydrodynamischer Generator mit galva nisch getrennten Elektrodenpaaren, die mit einem -strö menden elektrisch leitenden Medium in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass gegenüberliegen de Elektroden in Strömungsrichtung im Sinne der Er zielung maximaler Elektrodenspannung gegeneinander versetzt sind. UNTERANSPRÜCHE 1. Generator nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass das Ausmass des Versatzes während des Betriebs einstellbar ist. 2. Generator nach Unteranspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass die auf einer Seite der Strömung angeordneten Elektroden gemeinsam in Strömungsrich tung verstellbar sind. 3.
    Generator nach Unteranspruch 2, gekennzeich net durch einen Stellmotor für die Elektroden, der von einem Spannungsregler in Abhängigkeit von der Elek- trodenspannung beeinflusst wird.
CH1101864A 1963-10-26 1964-08-21 Magnetohydrodynamischer Generator CH413066A (de)

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DES88038A DE1225285B (de) 1963-10-26 1963-10-26 Magnetohydrodynamischer Generator

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CH413066A true CH413066A (de) 1966-05-15

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CH1101864A CH413066A (de) 1963-10-26 1964-08-21 Magnetohydrodynamischer Generator

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NL (1) NL6410266A (de)

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NL6410266A (de) 1965-04-27
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