Verfahren zum Aufheizen der Verbrennungsluft für NM-Generatoren durch die Abgaswärme und Wärmetauscher zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Wärmetauscher zum Aufheizen der Verbrennungsluft für magnetohydrodynamische (MHD)-Generatoren, die mit rasch strömenden Flammenabgasen aus mit Luft verbrannten Brennstoffen arbeiten. Bei solchen Genera toren werden die Flammenabgase gewöhnlich mit leicht ionisierbaren Stoffen, wie Salzen der Alkalimetalle, - als sogenanntem Saatmaterial - versetzt, wodurch man ein Arbeitsgas mit Plasmaeigenschaft erhält.
Legt man senkrecht zur Strömungsrichtung des Plasmas ein Magnetfeld an, so kann man an Elektroden, die senk recht zur Strömungsrichtung und zum Magnetfeld ange ordnet sind, elektrische Leistung entnehmen.
Um MHD-Generatoren, die mit Flammenabgasen arbeiten, wirtschaftlich betreiben zu können, ist man bestrebt, die Brennstoffe (z. B. Öle oder Kohlenstaub) nicht mit reinem Sauerstoff, sondern mit atmosphäri scher Luft zu verbrennen. Das setzt voraus, dass die Luft auf Temperaturen von über 1500 C, möglichst sogar über 2000 C, vorerwärmt wird.
Zum Erhitzen der Verbrennungsluft bieten sich die heissen Abgase an, die aus dem Generaborkanal, in dem die Elektroden gewöhnlich angeordnet sind, aus treten. Mit bisher üblichen Wärmetauschern lassen sich so hohe Temperaturen aber nicht beherrschen. So kön nen z. B. Rekuperatoren, die bekanntlich nach dem Gegenstromprinzip arbeiten, wegen .der empfindlichen wärmetauschenden Trennwände nur für Betriebstempe raturen bis 800 C gebaut werden.
Aufgabe der Erfindung ist es :deshalb, einen Weg zu finden, der es gestattet, mit der Abgaswärme von MHD-Generatoren :die Verbrennungsluft auf Tempera turen über 1500 C fortlaufend zu erwärmen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Ver fahren zum Aufheizen der Verbrennungsluft durch die Abgaswärme über ein schmelzflüssiges übertragungs- medium. Die erfinderische Massnahme besteht darin, dass der Wärmeaustausch am Oberflächenspiegel einer Schmelze von Gläsern, Metalloxyden oder Metallen stattfindet. Die Medien, zwischen denen der Wärme austausch stattfinden soll, werden dabei unmittelbar in wärmeleitenden Kontakt gebracht.
Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung wird ein Wärmetau scher vorgeschlagen, der aus einem in den Abgasstrom eingeschalteten ersten Behälter nach Art einer Glas schmelzwanne und aus einem in die Luftzuführung eingeschalteten zweiten Behälter zum Beschicken mit Schmelze aus :dem ersten Behälter besteht.
Es ist aber auch möglich, Flammenabgase und Ver brennungsluft durch einen einzigen Behälter zu führen. Dieser kann etwa mit einer Trennwand, die knapp bis unterhalb des Niveaus für den Spiegel der Schmelze ge führt ist, in zwei Strömungsräume unterteilt sein. Der Wärmeaustausch findet dann wieder direkt über die Schmelze statt.
Solche Wärmetauscher haben den Vorteil, dass sie wegen der mit Siemens-Martinöfen bzw. Glasschmelz wannen vorliegenden Erfahrungen robuste und betriebs sichere Anlagen sind.
Es lassen sich auch die an Glasschmelzwannen mit Re generatoren gewonnenen Erfahrungen verwerten. Diese Regeneratoren sind bekanntlich Schächte, die mit keramischen Körpern zur Oberflächenvergrösserung kreuzweise so ausgesetzt sind, dass kammerartige Zellen entstehen. Solche Regeneratoren werden im Wechsel betrieb .einmal von den heissen Abgasen durchströmt und dienen danach zum Zuführen der Verbrennungsluft.
Dieses Prinzip der Regeneratoren ist aber für die Er zeugung eines kontinuierlichen Plasmastrahles, wie er für den Betrieb von MHD-Generatoren notwendig ist, nicht geeignet.
Zum besseren Verständnis der Erfindung sollen nachfolgend Ausführungsbeispiele für Wärmetauscher beschrieben werden, die zur Durchführung des erfin dungsgemässen Verfahrens dienen und in der Zeichnung schematisch dargestellt sind.
Fig. 1 ist der grundsätzliche Aufbau eines solchen Wärmetauschers weitgehend im Schnitt dargestellt. Fig. 2 gibt im punktiert umrandeten Feld eine schematische Schnittdarstellung eines MHD-Generators wieder, den man sich im Feld 2 nach Fig. 1 angeordnet zu denken hat.
Fig. 3 ist eine längs der Ebene III III nach Fig. 1 genommene Querschnittsansicht.
Fig. 4 und 5 zeigen grobschematisch und verein facht Ausführungsbeispiele von Wärmetauschern in an derer Schaltung.
Fig. 6 ist die Ansicht nach einem Schnitt durch einen weiteren Wärmetauscher gemäss der Erfindung mit einem inneren Kreislauf des wärmetauschenden Be schickungsgutes.
In Fig. 1 erzeugt der als Ringdüse ausgebildete Brenner 1 eine heisse Flamme, deren Abgase durch den MHD-Generator 2 geleitet werden. Die Flammen abgase gelangen anschliessend durch einen für sie durch- strömbaren Behälter 3 mit den Durchbrüchen 4 und 5, der nach Art einer Glasschmelzwanne aufgebaut ist. Der Behälter 3 ist mit Materialien, wie Gläsern, Metall oxyden oder Schlacken beschickt, die von den Flammen abgasen geschmolzen bzw. erhitzt werden. Im schmelz flüssigen Zustand wird das Beschickungsgut in einen zweiten wärmeisolierten Behälter 7 gegeben. Dieser ist in die Zuführungsleitung 8 für die Verbrennungsluft zwischengeschaltet.
Die den Behälter 7 durchströmende Luft erhitzt sich auf 1500 bis 2000 C und gelangt über die Leitung 8 in den Brenner 1. Durch eine Leitung 11 kann dem Brenner 1 Brennstoff, wie Dieselöl, zugeführt werden, das an der heissen Luft verbrennt. Um komprimierte Luft, z. B. mit einem Druck von 20 bis 30 at, verwen den zu können, ist der Behälter 7 druckfest ausgebildet.
Der Behälter 3 kann aus Schamottesteinen zusam mengefügt oder aus feuerfester Masse gestampft sein und von verspannten Eisenankern zusammengehalten werden, die der Übersichtlichkeit wegen nicht darge stellt sind.
Der Behälter 3 hat am Boden, also unterhalb des Niveaus für den Spiegel der Schmelze einen Auslass 13, der durch ein Ventil, hier durch einen mit Schamotte belegten Schieber 14, verschlossen ist. Oberhalb des Niveaus für den Spiegel der Schmelze, an der Decke des Behälters, befindet sich ein Einlass 15, um abgekühl tes Beschickungsgut aus dem Behälter 7 einlegen zu können. Der Einlass ist mit einem Ventil 16, hier z. B. mit einem wassergekühlten Schieber aus Stahl, ver schlossen.
Der Behälter 3 kann, wie Fig. 3 zeigt, gewölbe- artig aufgebaut sein.
Der zylindrische Behälter 7 ist in seinem inneren Teil ähnlich aufgebaut wie der Behälter 3. Um eine Schicht aus Schamottesteinen kann eine weitere Schicht 17 aus sogenannter Leichtschamotte aufgemauert sein. Unter Leichtschamotte versteht man dabei poröse Steine aus einer Schamottemasse. Um dem Brenner kompri mierte Luft zuführen zu können, ist .der Behälter 7 mit einem druckfesten Stahlmantel umgeben, der :durch Böden 18 mit Flanschen 19 abgeschlossen wird.
Zum Beschicken hat der Behälter 7 einen Einlass 20 mit einem Ventil 16 der beschriebenen Art. Durch einen Auslass 21 mit einem Ventil 16 kann abgekühltes Beschickungsgut entnommen werden.
Zum Umfüllen zwischen den beiden Behältern 3 und 7 des Wärmetauschers können Umfüllbehälter 9 verwendet werden, ähnlich denen, die in der Giesserei technik Verwendung finden. Sie können einen mit Schamotte ausgekleideten Stahlmantel haben und einen Einlass 22 sowie einen Auslass 23 aufweisen. Der Aus lass 23 kann auch als Ventil einen konusartigen Ver- schlusskopf 24 aus oxydationsgeschütztem Molybdän haben, der über ein Gestänge 25 von aussen angehoben bzw. gesenkt werden kann.
Um ein Einfüllen gegen Druck in den Druckbehälter 7 zu ermöglichen, kann dem Einlass 22 des Umfüllbehälters 9 Luft mit einem geringen Überdruck aufgegeben werden. Die Behälter 9 können umgesetzt werden, wie in der Figur durch die verschiedenen Positionen angedeutet ist.
Der in Fig. 2 schematisch dargestellte MHD-Gene- rator besteht aus Brenner 1, Brennkammer 26, Be schleunigungsdüse 27 und Generatorkanal 28. Im Ge- neratorkanal sind Elektroden 29 mit Durchführungen 30 durch isolierende Abdeckhauben 31 geführt. Senk recht zur Zeichenebene ist ein Magnetfeld angelegt zu denken.
Der Wärmetauscher nach der Erfindung eignet sich verständlicherweise nicht nur für den angedeuteten Typ des MHD-Generators, sondern auch für alle ande ren Generatortypen, die mit Flammenabgasen betrieben werden.
Nach Fig. 4 ist der von den Flammenabgasen .durch strömte Behälter 3 unterhalb .des Druckbehälters 7 angeordnet und sein Einlass 15 ist mit einem Auslass 21 des Behälters 7 durch eine Rohrleitung verbunden. Es können jeweils mehrere Einlässe und Auslässe vor gesehen werden, um die Behälter leichter reinigen zu können und um die Erstbeschickung zu erleichtern. Als Ventil kann für den Auslass 21 ein konusförmiger Verschlusskörper 24 dienen. In die Rohrleitung 8 wird in der Richtung des Pfeiles 32 komprimierte Luft einge drückt. Die Flammengase entweichen in Richtung des Pfeiles 33.
Hebt man den Verschlusskörper 24, so fliesst wegen des Überdruckes und wegen der Schwerkraft Schmelze in den Behälter 3. Das Umfüllen der Schmelze aus dem Behälter 3 in Druckbehälter 7 kann wieder mit Umfüllbehältern durchgeführt werden.
Fig. 5 zeigt einen anderen Aufbau eines Wärme tauschers nach der Erfindung. Der von den Flammen gasen durchströmte .Behälter 3 ist oberhalb des Druck behälters 7 angeordnet und sein einer Einlass 15 ist mit einem Auslass 21 des Druckbehälters durch eine Rohr leitung 34 verbunden. Komprimierte Luft wird wieder in Richtung des Pfeiles 32 in die Leitung 8 eingedrückt und die Flammengase verlassen den Wärmetauscher in Richtung des Pfeiles 33.
Wird der konusförmige Ver- schlusskörper 24 des Ventils geöffnet, so fliesst die ab gekühlte Schmelze bei geeigneter Ausbildung der Ein lassöffnung 15, z. B. durch siebartiges Ausbilden, und bei entsprechendem Überdruck dem Behälter tropfen- förmig zu. Das Umfüllen bzw. Beschicken des Druck- bebälters 7 mit Schmelze aus dem Behälter 3 kann wieder mit Umfüllbehältern erfolgen. In gleicher Weise kann die Einlassöffnung 20 zur Erzielung des gleichen Effektes ausgebildet sein.
Der Wärmetauscher nach Fig. 6 hat einen inneren Kreislauf des Beschickungsgutes. Die Behälter 3 und 7 sind durch die Rohrleitung 10 in gleicher Weise mit einander verbunden wie nach Fig. 4. Der Behälter 7 ist wieder als Druckbehälter ausgebildet. Ausserdem ist aber auch der von den Flammengasen durchströmte Behälter 3 über eine Rohrleitung 35 mit einer Injektor- düse 36 verbunden, die in der Leitung 8 für die Zu führung .der Verbrennungsluft lieb.
Die Injektordüse 36 ist frischluftseitig vor dem Behälter 7 angeordnet und saugt wegen der unter Druck (10 bis 20 at) hindurch- strömenden Luft Schmelze an und bläst sie in Tropfen form in den Behälter 7. Die Leitung 35 ist mit wärme dämmenden Mitteln ummantelt. Bei längeren Leitun gen kann die Leitung auch zusätzlich beheizt werden, um Abkühlung der Schmelze zu vermeiden.
Das tropfenförmige Beschickungsgut in dem Druck behälter 7 hat wegen der Tropfenform eine grosse Oberfläche, was eine besonders intensive Wärmeab gabe an die Luft bewirkt. Anderseits erleichtert tropfen- förmiges Beschickungsgut im Behälter 3 das Erhitzen bzw. Schmelzen des Gutes.
Man kann deshalb daran denken, durch die Art der Zusammensetzung des Beschickungsgutes die Trop- fenbildung zu verstärken.
Die Ausführungsbeispiele von Wärmetauschern zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung regen zu vielfältigen Variationen an, um den jeweiligen Erfor dernissen gerecht zu werden. So kann z. B. bei der Anordnung nach Fig. 6 die Umfüllung aus dem Druck behälter 7 über die Rohrleitung 10 durch einen trichter förmig ausgebildeten Innenboden des Druckbehälters 7 erleichtert werden.