Generatorkanal für magnetohydrodynamische Generatoren Die Erfindung betrifft einen Generatorkanal für magnetohydrodynamische Generatoren, bei denen Kanalwand und Elektroden einen heissen Plasma strahl umschliessen.
Der Theorie des magnetohydrodynamischen (MHD-)Generators zufolge wird zwischen Elektro den an gegenüberliegenden Kanalwänden eine Span nung erzeugt, wenn ein elektrisch leitendes Medium oder ein ionisiertes Gas mit Plasmaeigenschaften den Kanal durchströmt und ein Magnetfeld senkrecht zur Ebene durch die Elektroden und senkrecht zur Strö mungsrichtung angeordnet wird. Die Theorie ergibt sich als Sonderfall des allgemeineren Faraday'schen Induktionsgesetzes.
Beim MHD-Generator übernimmt das Plasma die Rolle des in einem Magnetfeld bewegten Leiters, so dass zwischen den Elektroden quer zum Plasma eine elektrische Spannung den Induktionsgesetzen zufolge, erzeugt wird. Schliesst man die Elektroden über einen äusseren Lastkreis, so wird ein Strom erzeugt, der im Gesamtkreis fliesst.
Weitere überlegungen liefern eine sorgfältig aus gearbeitete Theorie des MHD-Generators, wobei die erzeugte Spannung und andere Betriebsparameter für eine gegebene Generatoranlage mit einem vernünfti gen Sicherheitsgrad vorausberechnet werden können. Wird z. B. als leitendes Arbeitsmedium ein ionisiertes Gas bzw. Plasma verwendet, so hängen erzeugte Spannung und Strom von Gasparametern, wie elek trische Leitfähigkeit, Temperatur, Druck und Strö mungsgeschwindigkeit, ab. Das Plasma können Ver brennungsabgase bilden, dem leicht ionisierbare Stoffe, wie Caesium als sogenanntes Saatmerial zuge geben werden.
Man kann dann mit guter Näherung bestimmen, wie sich die Parameter beim Durchströ men des Kanals ändern werden. Der magnetische Fluss und die physikalischen Eigenschaften des Bau materials, z. B. die magnetische Permeabilität, der elektrische Widerstand oder die Leitfähigkeit und die Temperaturbeständigkeit, haben ebenfalls einen massgebenden Einfluss auf die Spannungs- bzw. Stromerzeugung.
Die Betriebseigenschaften eines MHD-Generators sind unter Berücksichtigung der Strömungsgesetze, der elektromagnetischen und thermodynamischen Prinzipien einer umfassenden mathematischen Ana lyse zugänglich, wie sie hinreichend in Forschungs berichten sowie in der Patentliteratur dargestellt ist. Eine solche umfassende Analyse findet man z. B. im Schweizer Patent Nr. 400 324.
Ein Lösungsweg für die Kanalkonstruktion führt zu in Strömungsrichtung ausgedehnten kastenförmi- gen Kanälen mit rechteckigem oder ähnlichem Quer schnitt. Die Elektroden, zwischen denen bei Plasma durchsatz in einem Magnetfeld elektrische Leistung erzeugt wird, sind dann gewöhnlich an gegenüberlie genden Kanalseiten angeordnet. Der Kanal wird von elektrisch isolierenden Wänden seitlich abgeschlos sen. Ein längs des Kanals genügend homogenes Ma gnetfeld kann mit Hilfe einer Magnetwicklung ange legt werden, deren Leiter sich im wesentlichen in Kanallängsrichtung erstrecken.
Die zum Erzeugen eines bestimmten Flusses erforderliche magnetomo- torische Kraft kann durch einen geschichteten Eisen kern herabgesetzt werden.
In Betriebsgrössen ausgedrückt, hängt nun der Wirkungsgrad der Spannungserzeugung in einem Ge- neratorkanal von dem Ausmass ab, in dem es gelingt, den elektrischen Widerstand der seitlichen Kanal wände auch bei steigenden Temperaturen zu halten. Ausgleichsströme und Hallströme über die Kanal wände oder das Plasma vor den Kanalwänden be- deuten für die Generatorleistung verlorene Energie.
Bei Generatorkanälen, bei denen Kanalseitenwände und Elektroden den Strömungsraum des Kanals um- schliessen, wird somit der Generatorwirkungsgrad wesentlich erhöht, wenn es gelingt, die Ausgleichs ströme herabzumindern oder gar völlig zu verhindern.
In der Schweizer Patentschrift Nr. 412 077 ist schon vorgeschlagen worden, die bei hohen Betriebs temperaturen auch bei Seitenwänden aus Isolierstof fen auftretenden Ausgleichsströme durch Ausbilden einer verhältnismässig kühlen Gasschicht vor der Ka nalwand unter Kontrolle zu halten. Eine solche elek trisch isolierende Gasschicht kann durch Einblasen eines kühlen Gases oder durch starke Kühlung der Seitenwände erzielt werden.
In zahlreichen Ausfüh rungsfällen liefern beide Vorschläge unbefriedigende Ergebnisse, da die Temperatur der Kanalseitenwände dennoch zu Werten ansteigt, bei denen selbst das Material der Seitenwände seine Isolatoreigenschaft verliert und den Wirkungsgrad mindernde Aus gleichsströme auftreten.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu grunde, nicht nur die Ausgleichsströme in der Gas schicht vor der Kanalwand zu vermeiden, sondern auch Kanalwände zu entwickeln, die ihre Isolator eigenschaft auch bei hohen Betriebstemperaturen be halten. Die Erfindung besteht darin, dass eine Kanal wand aus thermisch und elektrisch isolierendem Ma terial durch in Längsrichtung angeordnete, gekühlte Zwischenkörper aus wärmeleitendem Material unter teilt ist.
Insbesondere kann die innere Kanalwand aus Keramikblöcken aufgebaut sein, die durch Zwischen körper aus Kupferbändern seitlich voneinander ge trennt sind. Man kann die Wandblöcke weiter in den Strömungsraum hineinreichen lassen als die Zwi schenkörper. Wesentlich ist, dass die Zwischen körper mit dem Plasma unmittelbar in wärme leitendem Kontakt stehen. Mit dem Generatorkanal nach der Erfindung ist es möglich, Ausgleichsströme zwischen den Elektroden auch bei hohen Betriebs temperaturen zu vermeiden und darüber hinaus dem Plasma durch Kühlen nur wenig Energie zu entziehen. Wirtschaftlichkeit und Wirkungsgrad der Generator anlage werden dadurch wesentlich erhöht.
Die Erfindung soll anhand der Zeichnung bei spielsweise näher erläutert werden. Fig. 1 zeigt den Längsschnitt eines gemäss der Erfindung aufgebauten Generatorkanals.
In Fig. 2 ist der Querschnitt eines Generatorkanals nach Fig. 1 wiedergegeben, wie er von einer Schnitt ebene II-II aus gesehen wird.
Fig.3 zeigt einen vergrösserten Ausschnitt aus der rechten Seitenwand nach der Querschnittansicht nach Fig. 2.
Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Kanal für einen MHD-Generator gehört dem Typ der sich in Strömungsrichtung erstreckenden kastenförmigen Generatorkanäle an. Der Kanal 10 hat Seitenbasis wände 12 und 14 und Elektroden tragende Wände 16 und 18. Das Arbeitsmittel bzw. Plasma durchsetzt den Kanal im Strömungsraum 20.
Das Plasma kann aus Flammenabgasen gebildet werden. Dazu kann der Kanal 10 in einer Genera toranlage verwendet werden, die einen Kompressor für angesaugte Luft aufweist und von dem die ver dichtete Luft zu einer Brennkammer geleitet wird. Hier kann sie einen zugeführten Brennstoff verbren nen, wobei Flammenabgase mit einer Temperatur von beispielsweise 2500 K entstehen.
Durch Zusatz leicht ionisierbarer Atome oder Moleküle, wie die des Caesiums oder Kaliums, verbessert man die Leitfä higkeit der Flammenabgase. Nachdem sie im Genera torkanal 10 elektrische Leistung erzeugt haben, kann man das Saatmaterial aus den Abgasen in bekannter Weise zurückgewinnen.
Auch können Wärmetauscher zum Vorerhitzen der Verbrennungsluft herangezogen werden. Zum Aufheizen kann man z. B. die erhitzten Kühlmittel verwenden. Schliesslich kann der Elektromagnet mit über und unter der Zeichenebene bei Fig. 1 am Kanal vorzustellenden Polen durch eine eigene Energie quelle erregt werden. Im übrigen können den jeweili- gen Erfordernissen entsprechend weitere bekannte Zusatzeinrichtungen verwendet werden.
Die Elektroden tragenden Wände 16 und 18 kön nen aus einem geeigneten Baumaterial, wie Stahl, he- stehen. Sie können mit einer Schicht 22 aus ther misch isolierendem Material, wie Magnesium-Oxyd oder einer Strontium-Zirkon-Verbindung, belegt sein, die eine grosse Temperaturfestigkeit aufweist und auch bei hohen Temperaturen einen relativ hohen Widerstand hat. Auf die Schicht 22 ist hier jeweils eine Elektrode 24 bzw. 26 aufgebracht. Die Elektro den 24 und 26 weisen über die Kanallänge konstan ten Abstand auf. Bei konstanter Strömungsgeschwin digkeit wird somit über die gesamte Elektrodenlänge die gleiche Spannung induziert.
Die beschreibende Faustformel lautet dabei: U=vBd. Dabei ist<I>U=</I> Spannung zwischen den Elektroden, v=die Strö mungsgeschwindigkeit des Plasmas, B =die magneti sche Induktion im Kanal, d=Abstand zwischen den Elektroden.
Es versteht sich, dass man den Abstand zwischen den Seitenbasiswänden 12 und 14 nach Fig. 2 erfor- derlichenfalls längs des Kanals anwachsen lassen kann, um einen sich erweiternden Querschnitt des Strömungsraumes zu erzielen. Solche Kanäle mit va riablem Querschnitt sind erforderlich, wenn man zur Leistungserzeugung besonders den Druckabbau im Plasma heranziehen will.
Die Elektroden 24 und 26 können ein einheit licher Block aus Zirkon-Borid sein oder sie können quer zur Kanallängsrichtung segmentiert sein, wobei zwischen den Elektrodenteilkörpern isolierende Di stanzstücke liegen. Zu den geeignet fixierten Elek troden 24 und 26 führt mindestens jeweils ein An schluss 28, der durch die anliegende Isolierschicht 22 und die Wände 16 bzw. 18 durchgeführt ist, um die Verbindung zu einem äusseren Lastkreis her- stellen zu können.
Jede der Seitenbasiswände 12 und 14 ist mit einer Schicht 30 aus thermisch und elektrisch isolie rendem Material, wie einer Zirkon-Oxyd-Keramik, belegt. Diese Schichten 30 setzen sich über die Kanal höhe aus Blöcken 32 zusammen, die sich in Kanal richtung erstrecken. Die Schichten 30, die die Kanalwand zum Strömungsraum 20 bilden, sind ge wissermassen durch Ebenen unterteilt, die zwischen dem zusammenwirkenden Elektrodenpaar mit den Elektroden 24 und 26 liegen. Zwischen den Wand blöcken 32 sind Zwischenkörper 34 angeordnet, die hier ein T-förmiges Profil aufweisen und aus einem Material, wie Kupfer, gefertigt sein können.
Die Zwischenkörper haben eine Schulterpartie 36 und eine band- bzw. plattenförmige Halspartie 35. Mit den Seitenbasiswänden 12 und 14 des Generatorkanals können die Zwischenkörper durch Schweissen ver bunden werden.
Jedes der Bänder 35 hat mit seiner unverdeckten Kopfpartie 38 freien Zugang zum Strömungsraum 20 des Kanals 10. Bei einem oder mehreren Kühlkanälen 40 in den Bändern 35, oder wie hier bei einem Kühl kanal in den Kopfpartien 38, können die Zwischen körper 34 durch ein Kühlmittel gekühlt werden.
Die Seitenbasiswände 12 und 14 und die Elek troden tragenden Wände 16 und 18 können zweck- mässigerweise durch Kühlkanäle 42 ebenfalls gekühlt werden. Die Kühlkanäle 40 und 42 können in einem gemeinsamen Kühlmittelkreislauf liegen.
Die Wandblöcke 32 aus Isoliermaterial sind durch die Bänder 35 der Zwischenkörper 34 seitlich voneinander getrennt. Bei der hier in Fig. 2 darge stellten Ausführungsform der Zwischenkörper ist das Befestigungsproblem für die Wandblöcke in einfacher Weise gelöst. Die mit den Seitenbasiswänden 12 und 14 verbundenen Zwischenkörper 34 spannen die Wandblöcke 32 zwischen sich ein. Dabei verhindern die Kopfteile 38 mit den Kühlkanälen 40 durch Ein passen in Kehlungen der Wandblöcke 32 auch ein seitliches Herausfallen in den Strömungsraum 20.
Es ist günstig, die Wandblöcke 32 weiter in den Strömungsraum 20 hineinreichen zu lassen als die Zwischenkörper 34. Es empfiehlt sich dann, die vor springende Stirnpartie 37 der Wandblöcke 32 zu den Kopfteilen 38 der Zwischenkörper 34 abzuflachen, worauf die Bezugszeichen 39 hinweisen. Durch diese Massnahme erreicht man eine sichere elektrische Trennung der Wandblöcke.
In Fig.2 sind ferner schematisch abgebrochen dargestellte Magnetpole 11 und 13 wiedergegeben, die sich längs des Kanals 10 erstrecken und zum An liegen eines die Wände 12 und 14 und den Kanal 10 transversal durchsetzenden Magnetfeldes dienen. Seit lich reichen die Polschuhe nicht bis zu den Elektro den tragenden Wänden 16 und 18, um in den Wän den Streuverluste des Magnetfeldes zu vermeiden.
Durch eine Kanalwandausbildung nach der Er findung wird durch gekühlte Zwischenkörper seitlich an den Wandblöcken aus Isolierstoffen auch bei hohen Betriebstemperaturen im Generatorkanal in kühlen Materialzonen die Isolatoreigenschaft aufrecht erhalten. Die Zwischenkörper wirken dadurch als Strombarrieren.
Ausserdem wird zwischen den Stirnseiten (37) der Blöcke durch Kühlen eine elektrisch schlecht leitende Gasschicht gebildet.
Es ist verständlich, dass die Zwischenkörper 34 bzw. die Bänder 35 anders als im Ausführungsbei spiel gestaltet werden können. Es kommt nur darauf an, die Kanalwände zwischen den Elektroden zu mindestens zwei Blöcken aufzugliedern und die Iso- latoreigenschaft wenigstens in Zonen zu erhalten.
So können ganz allgemein Zwischenkörper bzw. Strombarrieren nach der Erfindung zu Trennwänden oder für Stützwände zwischen Elektroden verschie denen Potentials verwendet werden. Man kann dabei z.B. an einen Generatorkanal mit mehreren Strö mungskanälen denken. Andererseits können zum Ausscheiden elektrischer Nebenwirkungen, wie sie der Halleffekt darstellen kann, zusätzlich Strombar rieren nach der Erfindung quer zur Richtung des Störpotentials verwendet werden.
Nimmt man die Hallspannung als Störpotential im Plasma bei einem in der Zeichnung dargestellten kastenförmigen Gene ratorkanal mit einem Elektrodenpaar an, so können in den Kanalwänden senkrecht zu den in der Zeich nung schon wiedergegebenen Zwischenkörpern wei tere Zwischenkörper angeordnet werden. Die Wand blöcke wären dann auch in Längsrichtung unterteilt vorzustellen und die inneren Blöcke würden durch Zwischenkörper von vier Seiten eingebettet.
Für Generatorkanäle, in denen der Halleffekt die eigentliche Nutzleistung erzeugt, können die Kanal wände ebenfalls erfindungsgemäss aufgebaut werden. Bei ringförmigen Elektroden am Kanaleingang und -ausgang wären die Kanalwände durch ebenfalls ringförmig angeordnete Zwischenkörper elektrisch zu unterbrechen.
Die erfindungsgemässen Kanalwände sind nicht auf die dargestellten Kanaltypen beschränkt, sondern können auch entsprechend bei Generatorkanälen mit schraubenförmiger Bahn des Plasmas eingesetzt wer den.