-
Verfahren zum Betrieb eines magnetohydrodynamischen Generators Ein
magnetohydrodynamischer Generator (MHD-Generator) besteht bekanntlich in der Regel
aus einem Kanal, durch den heißes elektrisch leitendes Gas von etwa 3000' C
(Plasma) mit hoher Geschwindigkeit durchgeleitet wird. Der Kanal wird von einem
Magnetfeld durchsetzt, so daß senkrecht zum Magnetfeld und senkrecht zur Strömungsrichtung
eine elektrische Feldstärke induziert wird. Zur Abnahme elektrischer Leistung muß
man in der leitfähigen Zone des Gasstrahles Elektroden anordnen; die maximal mögliche
Stromstärke ist der Elektrodenfläche proportional. Da die Leitfähigkeit im Plasma
im wesentlichen auf der Elektronenbewegung beruht (die lonenleitfähigkeit ist etwa
um den Faktor 1000
geringer), muß ein thermischer Emissionsstrom an der nach
außen positiven Elektrode den Strornübergang in das Plasma gewährleisten.
-
Von der Primärenergie her sind zwei verschiedene Arten von MHD-Generatoren
zu unterscheiden. Bei der einen Art wird das Plasma durch Verbrennung von
öl, Kohlenstaub oder ähnlichen Brennstoffen mit Sauerstoff oder Luft erzeugt.
Bei der anderen Art wird das Gas in einem Wärineaustauscher aufgeheizt, wobei die
Wärine beispielsweise durch einen Atomreaktor erzeugt werden kann.
-
Eine entscheidende Begrenzung der Lebensdauer solcher Generatoren
rührt davon her, daß die bisher üblichen Elektroden bei den hohen Temperaturen des
Plasmas nicht beständig waren. Es ist zu berücksichtigen, daß das Plasma zum Teil
aus oxydierender Atmosphäre besteht, so daß die gebräuchlichen Elektroden, z. B.
Graphit, in relativ kurzer Zeit abbrannten.
-
Man hat versucht, diese Schwierigkeit dadurch zu umgehen, daß man
eine intensive Kühlung der EIektroden vorsah. Beispielsweise wird in der Zeitschrift
»Nature«, vom 3. 2. 1962, S. 467 bis 468, über den Vorschlag berichtet,
wassergekühlte Kupferelektroden mit einer Oberflächentemperatur von etwa 400'
C anzuwenden. Bei derart niedrigen Temperaturen wäre grundsätzlich mit einem
sehr hohen übergangswiderstand zwischen Elektrode und Plasma zu rechnen, da hierbei
die Randzonen des Plasmas nur auf geringer Temperatur liegen können und daher nicht
ausreichend leitfähig sind. Es hat sich aber gezeigt, daß bei Verwendung derartiger
Kupferelektroden der übergangswiderstand nur etwa das Zehnfache des bei heißen Graphitelektroden
vorhandenen beträgt, so daß die Leistung des Generators etwa 1/jo der Leistung eines
Generators mit üblichen Elektroden erreicht. Da bei fehlender Emission der Elektrodenoberfläche
ein noch um den Faktor 10 schlechteres Resultat zu erwarten war, wurde angenommen,
daß sich auf den Elektroden ein emissionsfähiger Belag ausbildet, der sich aus der
Innenatmosphäre des Generators niederschlägt. Im Plasma sind neben Kohlenstoff insbesondere
verschiedene Verbindungen des verwendeten Saatmaterials, beispielsweise Kalium,
enthalten. Hierzu zählen etwa K 2 0 und K2C0 31 Dieser Belag weist außer
seiner Emissiorisfähigkeit auch eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf, so daß vermutlich
die Oberflächentemperatur des Belags wesentlich höher als die Oberflächentemperatur
der Kupferelektroden liegt.
-
So günstig diese Ergebnisse erscheinen, so ist doch ein MHD-Generator,
dessen Leistung um den Faktor 10 schlechter als eines üblichen Generators
ist, im großtechnischen Einsatz nicht brauchbar. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, vom Prinzip der gekühlten Elektroden ausgehend einen Weg zu finden, um
die volle projektierte Leistung des MHD-Generators zu erreichen.
-
Die Untersuchungen richten sich dabei vor allem auf MHD-Generatoren
mit Brennkammern, bei denen also ein Brennstoff in Form von öl oder Kohlenstaub
mit Sauerstoff oder Luft als Oxydationsmittel verbrannt wird. Bei einem solchen
Generator ist nicht nur das Abbrennen, sondern auch die Korrosion der Elektroden
besonders zu beachten.
-
Als geeignet für derartige Generatoren hat sich die Verwendung von
hochtemperaturfesten Edelstählen als Elektrodenmaterial erwiesen, wie sie an sich
bereits vorgeschlagen worden ist.
-
Es wurde jedoch erkannt, daß die Höhe der Oberflächentemperatur für
die Dicke des niedergeschlagenen
Belages und damit für den Generatorwirkungsgrad
eine entscheidende Rolle spielt. Unter Beachtung dieser Bedingungen eignen sich
als Elektrodenmaterialien auch Hartmetalle bzw. andere Stoffe mit besonders hohem
Schmelzpunkt. Sie bringen jedoch
bei dem Verfahren nach der Erfindung keinen
Gewinn, da ihre Temperaturfestigkeit nicht ausgenutzt wird. In den wichtigen Temperaturbereichen
sind die Edelstähle ausreichend beständig.
-
Daß mit den gekühlten Kupferelektroden kein voller Erfolg erzielbar
ist, dürfte im wesentlichen fol--ende Gründe haben: Die Leitfähigkeit eines elektrischen
Plasmas hängt sehr stark von der Temperatur ab, so daß eine Unterkühlung der Plasmarandzonen
ein unverhältnismäßig starkes Ansteigen des Innenwiderstandes zur Folge hat. Trotz
der geringen Wärineleitfähigkeit des auf der Kupferelektrode niedergeschlagenen
Belags war daher offenbar die Randtemperatur des Plasmas in der Nähe der Elektrodenoberfläche
so gering, daß trotz der Elektronenemission aus dem Belag ein hoher übergangswiderstand
im Plasma vorlag.
-
Ferner ist zu berücksichtigen, daß die aus den Verbrennungsprodukten
und dem Saatmaterial entstehenden chemischen Verbindungen eine schlechte elektrische
Leitfähigkeit aufweisen. Wird die Oberflächentemperatur der Metallelektrode zu niedrig
gehalten, so entsteht ein relativ dicker Belag, dessen Durchgangswiderstand recht
hoch ist. Berücksichtigt man z. B., daß K,0 bei 1300' C und KOH bei l327##
C siedet, so kommt man zu dem Schluß, daß bei niedrigeren Oberflächentemperaturen
der Metallelektrode der niedergeschlagene Belag, der unter anderem diese beiden
Verbindungen enthält, offenbar zu dick ausfällt.
-
Andererseits darf die Oberflächentemperatur der Metallelektrode nicht
zu hoch gewählt werden, weil der emittierende Belag sonst nicht zustande kommt.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines magnetohydrodynamischen
Generators arbeitet mit Brennkammer und in einem von einem elektrisch leitenden
Plasma durchströmten Kanal angeordneten gekühlten Edelstahlelektroden und ist dadurch
gekennzeichnet, daß die Kühlung der Elektroden auf einen Wert eingestellt wird,
der an der Elektrodenoberfläche eine Temperatur dicht unterhalb des Schmelzpunktes
des Elektrodenmaterials und in den an den Elektroden angrenzenden Randschichten
des Plasmas eine solche Temperatur aufrechterhält, die die Bildung eines emissionsfähigen
dünnen Belages aus den Bestandteilen des Plasmas des Generators an den Elektrodenoberflächen
erlaubt, dessen Dicke durch Verdampfen und neuen Niederschlag im Gleichge"vichtszustand
konstant bleibt.
-
Zweckmäßig wird die Kühlleistung für die Elektroden im Bereich der
Hitzebeständigkeit des Elektrodenmaterials in Abhängigkeit von der abgegebenen elektrischen
Leistung des Generators optimiert. Dies beruht darauf, daß bei einer bestimmten
Dicke des Belags unter Berücksichtigung der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit
einerseits und der Emissionsfähigkeit andererseits das günstigste Ergebnis erzielt
wird.
-
Versuche haben ergeben, daß sich mit Elektroden aus hochtemperaturfestem
Stahl dieselbe elektrische Leistung wie mit Graphitelektroden erzielen läßt,
je-
doch für wesentlich längere Zeiträume. Dauerversuche über mehrere Tage
haben gezeigt, daß nach dem Einbrennen der Elektroden der weitere Abbrand vernachlässigbar
klein ist, so daß mit Lebensdauern in der Größenordnung von Monaten und Jahren gerechnet
werden kann.
-
Die hochtemperaturfesten Stähle, die für das neue Verfahren als Elektrodenmaterial
verwendet werden, haben an sich bereits eine hohe Korrosionsfestigkeit. Um sie noch
weiter zu verbessern und die Haftfestigkeit des Belags zu vergrößern, kann es zweckmäßig
sein, die Elektroden mit einer dünnen Oberflächenschicht, beispielsweise aus Platin,
zu überziehen. Dies kann etwa durch Platinieren vor dem Einsatz im Generator erfolgen.
Gegebenenfalls kann die Oberfläche mittels eines Sandstrahlgebläses aufgerauht werden.
-
An Hand der Zeichnungen sei die Erfindung näher beschrieben.
-
F i g. 1 zeigt schematisch zwei Elektroden 1 und 2,
die mit nicht dargestellten Isolierabdeckungen, die an der Ober- und Unterseite
der Elektroden angeordnet werden, den Kanal 3 begrenzen. Die Elektroden sind
mit Kühlkanälen 4 und 5 versehen, durch die beispielsweise Wasser als Kühlmittel
geleitet wird. Bei einer praktisch erprobten Anordnung betrug die Dicke des Elektrodenmaterials
10 mm, die Höhe (zugleich die Kanalhöhe) 20 mm, die Länge der Elektroden
200 mm. Die Dicke des Kühlkanals betrug 7 mm. Im Betrieb wurden pro Quadratzentimeter
Elektrodenfläche 250 W durch Kühlung abgeführt.
-
F i g. 2 zeigt schematisch die Temperaturverteilung längs der
Elektroden. Von der Kühlwassertemperatur von etwa 40' C steigt die Temperatur
bis zur metallischen Oberfläche der Elektroden auf einen Wert knapp unterhalb des
Schmelzpunktes des Elektrodenmaterials an.
-
In F i g. 2 ist angedeutet, daß sich auf der Oberfläche der
Elektroden im Betrieb ein Belag 6 niederschlägt, in dern ein großer Temperaturgradient
herrscht. Die Oberflächentemperatur der Schicht wird daher noch beträchtlich über
der Oberflächentemperatur des Elektrodenmaterials liegen. Dementsprechend ergibt
sich an der Belagoberfläche eine relativ hohe Plasmatemperatur, so daß die Leitfähigkeit
des Plasmas groß bleibt. Die Temperatur im Plasma steigt gegen die Mitte des Kanals
auf etwa 3000' C an.
-
Die verhältnismäßig hohe Oberflächentemperatur des Stahles führt zur
Ausbildung eines nur sehr dünnen Belages, so daß dessen hoher spezifischer Widerstand
sich auf die Leistung des Generators nicht schädlich auswirkt. Im Gleichgewichtszustand
wird durch Verdampfen und neuen Niederschlag verschiedener Bestandteile der Innenatmosphäre
des Generators eine konstante Dicke des Belags aufrechterhalten, wobei der Belag
bei der verhältnismäßig hohen Temperatur auch ausreichend Elektronen emittiert.
Dies ist insbesondere für die als Kathode dienende Elektrode von Bedeutung.
-
Wie F i g. 3 zeigt, ist es möglich, in der Elektrode Kanäle
7 anzuordnen, durch die man beispielsweise Luft oder Sauerstoff zu deren
Vorwärmung schicken kann. Der Kühlkanal 5 kann gemäß F i g. 4 auch
entfallen, wenn man im Elektrodenmaterial Kanäle 8
vorsieht, in die Kühlwasser
unter hohem Druck (beispielsweise 200 Atmosphären) eingespritzt wird. Der hierdurch
entstehende Dampf kann ebenfalls zur Energieerzeugung, etwa durch eine Dampfturbine,
herangezogen
werden. Es ist dabei vorteilhaft, eine größere Anzahl von Kanälen kleinen Durchmessers
zu wählen, die parallel oder hintereinandergeschaltet werden.
-
Die Ausnutzung der durch Kühlung abgeführten Wärme ist wirtschaftlich
von Bedeutung, da rund 10>1/o der im MHD-Kanal umzusetzenden Energie durch die Kühlung
entzogen werden.
-
F i g. 5 zeigt ein Schema zur Ausnutzung dieser »Verlustwärme«.
Der Generator 9 mit Brennkammer 10 wird durch einen Verbraucherwiderstand
11 belastet, der über ein Meßgerät 12 an die beiden Elektroden angeschlossen
ist. Das Oxydationsmittel, beispielsweise Luft, wird mit Hilfe einer Pumpe
13
durch Kanäle in den Elektrodenkörpern getrieben und darauf der Brennkammer
10 zugeführt. Der Kühlmittelkreislauf ist mit einer Pumpe 14 und einem Wärmeaustauscher
15 versehen. Im Wärmeaustauscher wird die abgeführte Wärmeenergie zur Vorheizung
des Brennstoffes, z. B. öl, verwendet, der aus einem Vorratsbehälter
16 mittels einer Pumpe 17
in die Brennkammer gedrückt wird.
-
Die Kühlleistung wird in Abhängigkeit von der am Meßgerät 12 abzulesenden,
erzeugten elektrischen Energie durch Einstellen der Pumpleistung, durch Reduzierventile
u. dgl. optimiert.