-
Magnetohydrodynamische Vorrichtung Die Erfindung betrifft eine magnetohydrodynaniische
Vorrichtung, beispielsweise einen magnetohydrodynamischen Generator zur Erzeugung
elektrischer Energie, mit einem Kanal zum Führen eines elektrisch leitenden Mittels,
das an den Wandungen des Kanals eine Grenzschicht zu bilden sucht, deren Dicke der
Länge des Durchflusses längs des Kanals proportional ist, mit Mitteln zur Erzeugung
eines Magnetfeldes und mit einer Anzahl voneinander getrennter Elektroden zum Herstellen
einer elektrisch leitenden Verbindung mit dem genannten Mittel, wobei diese Elektroden
in Strömungsrichtung mit Abständen an gegenüberliegenden Seiten des Kanals angeordnet
sind und wobei diese Elektroden in einer gegebenen Querebene im wesentlichen die
gleiche Länge aufweisen.
-
Bei einer derartigen bekannten Vorrichtung ist ein Elektrodenaufbau
erkennbar, bei dem sich in Strömungsrichtung aufgeteilte Einzelelektroden in den
Kanal hinein erstrecken. Hierdurch wird das Bilden einer Grenzschicht des elektrisch
leitenden Mittels über im wesentlichen die ganze Kanalweite betont und begünstigt.
Bei einem solchen Elektrodenaufbau muß die Grenzschicht notwendigerweise stärker
sein als die Länge, mit der die Elektroden in den Kanal reichen. Andererseits sollen
bei dieser Vorrichtung jedoch die Kontakte zweckmäßig so angebracht sein, daß sie
eine glatte Wand bilden oder mit der Oberfläche der Wandungen abschneiden. Hierdurch
soll eine wirbelfreie Stoffströmung durch den Kanal erreicht werden.
-
Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, daß bei einer derartigen
Elektrodenanordnung die Bildung einer Grenzschicht zwischen dem Strömungsmittel
und den vorbezeichnetenElektroden begünstigt wird, da die Wandungen des Kanals im
allgemeinen kühler sind als das Strömungsmittel. Hierbei wird die Grenzschicht abgekühlt
und entionisiert und stellt somit einen schlechten Leiter dar, der dem elektronischen
Stromfluß einen verhältnismäßig hohen Widerstand entgegensetzt.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Schwierigkeit zu beseitigen
und die Wirksamkeit der Vorrichtung der eingangs genannten Art zu verbessern.
-
Die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gefunden, daß
die in den Kanal hineinragende Länge der Elektroden als vorbestimmte Funktion der
Dicke der Grenzschicht längs der Strömungsrichtung abgestuft ist, so daß sich jede
Elektrode durch die Grenzschicht veränderlicher Dicke hindurch in das genannte Mittel
erstreckt, um mit diesem eine elektrisch leitende Verbindung herzustellen.
-
Diese Verbindung wird gegenüber der bekannten Vorrichtung in vorteilhafter
Weise im gesamten Kanal und mit Sicherheit durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen
erreicht.
-
Die Erfindung wird nunmehr ausführlich beschrieben. In den Zeichnungen
zeigt F i g. 1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen MHD-Generators,
F i g. 2 einen Längsschnitt durch einen MHD-Generator, dessen Elektroden erfindungsgemäß
argeordnet sind, F i g. 3 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform des
MHD-Generätors mit verbesserten Elektroden, die an einen Belastungskreis angeschlossen
sind, der sich von dem in der F i g. 2 dargestellten unterscheidet, und die F i
g. 4 einen Querschnitt nach der Linie 4-4 in F i g. 3 durch einen MHD-Generator:
F i g. 1 zeigt einen herkömmlichen MHD-Generator mit einem Kanal 1, in den, wie
durch den Pfeil 2 angedeutet, ein unter Druck stehendes elektrisch leitendes Gas
geleitet wird, aus welchem Kanal das Gas bei 3 (Pfeil) entströmt. Dem Kanal ist
eine Spule 4 aus einem fortlaufenden elektrischen Leiter zugeordnet, durch den Strom
fließt. Dieser Strom erzeugt ein Magnetfeld, das sich quer durch den Kanal und senkrecht
zur Richtung der Gasströmung erstreckt. Die Stromversorgung der Spule kann durch
eine herkömmliche Stromquelle oder durch den Generator selbst erfolgen, aus welchem
Grunde die
Stromquelle nicht dargestellt ist. Die Seitenwandung
des Kanals ist ausgeschnitten, um zwei Elektroden 5 und 6 zu zeigen, die über einen
Leiter 7 mit einer Belastung 8 verbunden sind. Die Elektroden liegen einander gegenüber
und senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes und der Richtung der Gasbewegung.
-
Als Beispiel sei erwähnt, daß das elektrisch leitende Gas aus Helium
oder Argon mit einem Zusatz von ungefähr 1 % Natrium, Pottasche oder Zäsium zur
Förderung der Ionisation bestehen kann. Die lonisation wird ferner gefördert durch
die hohe Temperatur der Gasströmung, die in der Größenordnung von 3000J K liegen
kann. Ein in den Generator mit einem Druck von 10 Atm. eintretendes Gas mit
einer solchen Zusammensetzung kann eine Leitfähigkeit aufweisen, die in der Größenordnung
von 100 Siemens pro Meter liegt.
-
Infolge der Bewegung des elektrisch leitenden Gases durch das Magnetfeld
wird, wie durch die Pfeile bei 9 angedeutet, zwischen den Elektroden 5 und 6 eine
EMK induziert, die einen elektrischen Strom von den Elektroden durch den Belastungskreis
treibt. Es wird darauf hingewiesen, daß der Generator keine beweglichen Teile aufweist,
und daß tatsächlich die Strömung eines elektrisch leitenden Gases zum Erzeugen von
elektrischer Energie in derselben Weise benutzt wird wie bei einem herkömmlichen
Generator durch die Bewegung eines Leiters in. einem Magnetfeld.
-
Die Bewegung des Gases entlang der Oberflächen ; der Elektroden 5
und 6 bewirkt die Bildung einer aerodynamischen Grenzschicht. Die Grenzschicht ist
die Folge der Viskosität des über die ortsfesten Flächen der Elektroden und der
Wandungen des Kanals strömenden Gases. Die Grenzschicht ist ein -Anzeichen für das
Vorhandensein einer trägen und sich verhältnismäßig langsam bewegenden Gasschicht.
Da diese sich in der Nähe der Elektroden befindet, die notwendigerweise wegen der
Wärmeabstrahlung in die Umgebung kühler sind als die Gasströmung, so ist die Durchschnittstemperatur
der Grenzschicht niedriger als die der Hauptgasströmung. Infolgedessen tritt hier
eine Entionisation ein, so daß die elektrische Leitfähigkeit der Grenzschicht kleiner
ist als die der Hauptgasströmung. Durch die verminderte Leitfähigkeit des Gases
in der unmittelbaren Nähe der Elektroden wird der Stromfluß von der Gasströmung
aus zu den Elektroden behindert und dadurch das Arbeiten des Generators beeinträchtigt,
wobei unter gewissen Betriebsbedingungen dessen Wirkungsgrad erheblich herabgesetzt
werden kann.
-
F i g. 2 zeigt einen MHD-Generator mit einer verbesserten Elektrodenanordnung,
mit deren Hilfe die nachteilige Wirkung der Grenzschicht beseitigt wird. Wie aus
ihr zu ersehen ist, tritt das elektrisch leitende Gas in den Kanal bei 11 ein und
bei 12 aus. Die durch unterbrochene Linien dargestellte Spule 13 erzeugt ein Magnetfeld
quer zum Generator und senkrecht zur Gasströmung.
-
An Stelle der ununterbrochen verlaufenden Elektroden nach F i g. 1
bestehen die Elektroden nach F i g. 2 aus einzelnen Abschnitten, und zwar die obere
Elektrode aus den Abschnitten 1.4 bis 18 und die untere Elektrode aus den Abschnitten
19 bis 23.
-
Es wird darauf hingewiesen, daß die Elektroden am Kanal 10 von diesem
elektrisch isoliert befestigt sind und eine abgestufte Länge aufweisen, wobei sie
vom Eingang des Kanals aus zu dessen Ausgang hin allmählich länger werden. Mit anderen
Worten, die Elektrode 18 erstreckt sich weiter in den Kanal hinein als die Elektrode
14. Dasselbe gilt für die Elektrode 23, die sich über eine größere Strecke in den
Kanal hinein erstreckt als die Elektrode 19.
-
Durch die gestrichelten Linien 24 und 25 sind aerodynamische Grenzschichten
angedeutet, die sich an den Wandungen des Kanals bilden. Aus Gründen der Deutlichkeit
der Zeichnung sind diese Grenzschichten etwas vergrößert dargestellt. Wie bereits
erwähnt, bestehen diese Grenzschichten aus Gas, das kälter ist als die Hauptgasströmung
11 und daher eine geringere elektrische Leitfähigkeit aufweist. Um die Wirkung
dieser verminderten Leitfähigkeit zu beseitigen, ist die Länge der Elektroden so
bemessen, daß sie sich durch die Grenzschicht hindurch in den Hauptteil der Gasströmung
hinein erstrecken.
-
Lediglich aus Darstellungsgründen sind die Elektrodenabschnitte 14
bis 18 zum Leiter 26 und die Elektrodenabschnitte 19 bis 23 zum Leiter 28, die zur
Belastung 27 führen, parallel geschaltet. Dadurch, daß die Elektroden in die sich
bewegende Gasströmung hineinragen, entsteht die Tendenz, die Bildung der Grenzschicht
zu fördern und zu verstärken, jedoch werden die Verluste, die bei einer stärkeren
Grenzschicht auftreten, mehr als aufgewogen durch die verbesserte Leitfähigkeit,
die mit der Gasströmung aufrechterhalten werden kann.
-
Die Vorteile dieser Elektrodenanordnung sind in keiner Weise abhängig
von dem Belastungskreis des Generators. Dies geht aus F i g. 3 hervor, die eine
Verbindung der Elektroden mit einer anderen Art von äußerem Belastungskreis zeigt.
F i g. 3 zeigt einen Kanal 30, in den das elektrisch leitende heiße i Gas
bei 32 eintritt und bei 31 austritt. Wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen
ist eine durch unterbrochene Linien angedeutete Spule 33 vorgesehen, die ein Magnetfeld
senkrecht zu der sich bewegenden Gasströmung erzeugt. Ferner sind an den gegenüberliegenden
Seiten des Kanals mehrere Elektrodenabschnitte angeordnet, und zwar, wie aus F i
g. 3 zu ersehen ist, die Elektrodenabschnitte 34 bis 40 am oberen Teil, und die
Elektrodenabschnitte 41 bis 47 am unteren Teil des Kanals. Es wird jedoch darauf
hingewiesen, daß der obere und der untere Teil des Kanals mit gesonderten Belastungen
verbunden sind, wie dies im folgenden beschrieben wird.
-
Die einander gegenüberstehenden Elektrodenabschnitte 34 und 41 stehen
über die Leiter 48 und 49 mit einer besonderen Belastung 50 in Verbindung. Die Belastung
50 kann aus einem herkömmlichen Wechselrichter mit einer Spule 51 als Ausgang bestehen.
Die Spule 51 kann eine von mehreren Primärwicklungen eines Transformators
52 sein, dessen Sekundärwicklung mit einem nicht dargestellten Stromkreis verbunden
ist, der mit Wechselstrom versorgt werden soll. Ebenso kann an die einander gegenüberstehenden
Elektrodenabschnitte 35 und 42 ein gesonderter Wechselrichter 54 angeschlossen sein,
der eine Spule 54 a aufweist. Diese Anordnung wiederholt sich bei je zwei einander
gegenüberstehenden Elektrodenabschnitten.
-
Wie bei der Ausführungsform nach F i g. 2 weisen die Elektrodenabschnitte
nach F i g. 3 eine abgestufte Länge auf, die der Dicke der Grenzschichten 55 und
56 entspricht. Wie bereits bei F i g. 2 beschrieben, ragen daher der Elektrodenabschnitt
40 bzw. 47 in den Kanal weiter hinein als der Elektrodenabschnitt
34
bzw. 41., so daß jede Elektrode mit dem Hauptteil der Gasströmung in elektrisch
leitender Verbindung steht.
-
Da die in F i g. 3 dargestellten Elektrodenabschnitte elektrisch voneinander
getrennt sind, so liegen an ihnen elektrische Potentiale, die der Potentialverteilung
infolge der Trennung der Elektronen und Ionen in der Längsrichtung innerhalb der
sich bewegenden Gasströmung entsprechen. Dies hat den Vorteil, daß jeder Tendenz
einer Zirkulation der Hall-Ströme im Innern des Generators entgegengewirkt wird.
Trotz des Umstandes, daß an den einander gegenüberstehenden Abschnitten verschieden
hohe Potentiale liegen, je nach der Stelle, an der sich die Elektrodenabschnitte
im Kanal befinden, ist der Potentialunterschied zwischen je zwei gegenüberstehenden
Elektrodensegmenten im wesentlichen der gleiche.
-
Wie in F i g. 4 dargestellt, können mehrere Elektrodenabschnitte in
der Querebene des Generators verwendet werden. Nach F i g. 4 können an Stelle des
Elektrodenabschnittes 34 drei Elektrodenabschnitte 34a bis 34c verwendet werden.
Diese Abschnitte können parallel geschaltet und mit einem Leiter 48 a verbunden
werden, an den eine mit dem Wechselrichter 50 nach F i g. 3 vergleichbare Belastung
50 a
angeschlossen ist. In der gleichen Weise kann der Elektrodenabschnitt
41 durch ähnliche Elektrodenabschnitte 41a bis 41c ersetzt werden, die parallel
geschaltet und mit einem Leiter 49a verbunden sind, an den eine Belastung
50 a angeschlossen ist. Daraus ist zu ersehen, daß die in F i g. 3 dargestellten
einander gegenüberstehenden einzelnen Elektroden 34 und 41 aus mehreren Elektrodenabschnitten
bestehen können, die in einer Querebene angeordnet und mit einer Belastung verbunden
sind. Eine solche Anordnung der Elektrodenabschnitte ermöglicht eine volle Ausnutzung
des Querschnittes des Kanals bei der Bildung der Strompfade durch die Gasströmung.
-
Gegebenenfalls können die einzelnen Elektrodenabschnitte 34 a bis
34 c nach F i g. 4 für sich an einzelne Stromkreise angeschlossen werden und gesonderte
Wechselrichter mit Strom versorgen.
-
Die Länge eines bestimmten Elektrodenabschnittes kann nach der Dicke
der Grenzschicht in der Nähe des betreffenden Abschnittes bestimmt werden. Im allgemeinen
ist die Dicke der Grenzschicht proportional der Quadratwurzel der Länge des vom
Gas durchströmten Pfades.
-
Wie bereits erläutert, ist es für das Arbeiten des MHD-Generators
wichtig, daß zwischen den Elektroden und der Gasströmung ein elektrisch leitender
Pfad aufrechterhalten wird. Dadurch, daß die Länge der Elektroden größer bemessen
ist als die Dicke der Grenzschicht beträgt, kann die leitende Verbindung mit der
Gasströmung unter allen Betriebsbedingungen aufrechterhalten werden. Daher kann
der Nachteil der Grenzschicht, die bei jeder derartigen Einrichtung anzutreffen
ist, außer Acht gelassen werden. Bei Verwendung der verbesserten Elektrodenanordnung
kann auf eine Heizung der Elektroden, und besonders der als Kathoden dienenden,
verzichtet werden, und zwar bis zu der Stelle, an der eine Elektronenemission gesichert
ist. Bei dem gut leitenden übergang zwischen den Elektroden und der Gasströmung
erfolgt die Bildung eines Lichtbogens infolge der induzierten EMK zwischen den gegenüberstehenden
Elektroden mit Sicherheit. Beim MHD-Generator hat die Erfindung daher eine besondere
Bedeutung in bezug auf die Anordnung der Kathoden; es versteht sich jedoch, daß
nach der Lehre der vorliegenden Erfindung hergestellte Anoden gleichfalls den Gesamtwirkungsgrad
der Einrichtung erhöhen.
-
Ein weiterer Vorzug der neuartigen Anordnung der Elektroden und besonders
der in F i g. 3 und 4 dargestellten ist darin zu sehen, daß die Bildung mehrerer
Pfade für den Stromfluß zwischbn den Elektrodenabschnitten gesichert ist. Wie aus
F i g. 3 zu ersehen ist, werden alle in getrennten Stromkreisen liegenden Elektrodenabschnitte
gezwungen, Strom zu führen, und es besteht bei keiner Elektrode eine Tendenz, mehr
Strom zu führen als die anderen. Bei der Anordnung nach F i g. 2 brauchen im Gegensatz
hierzu die parallel geschalteten Elektrodenabschnitte nicht gleichmäßig Strom zu
führen. Bei gewissen Betriebsbedingungen können daher bestimmte Elektrodenabschnitte,
beispielsweise 16 bis 18 und 21 bis 23 bestrebt sein, in steigendem Maße Laststrom
zu führen, so daß die Wirksamkeit der Elektroden 14 bis 15 und 19 bis 20 vermindert
wird.
-
Es sei bemerkt, daß es bei einem herkömmlichen MHD-Generator der in
F i g. 1 dargestellten Ausführung keinen Zweck hätte, zu versuchen, die Elektroden
so anzuordnen, daß deren Flächen über die von der Bewegung des Gases über die Innenwandungen
des Kanals erzeugte Grenzschicht hinaus vorstehen. Dies erhellt, Wenn berücksichtigt
wird, daß die Elektroden selbst Flächen darstellen, die die Bewegung des Gases verzögern,
weshalb die Grenzschicht sich an den Elektrodenflächen selbst bildet. Es ist daher
leicht einzusehen, daß die durch die Grenzschicht hindurchragenden einzelnen Elektrodenabschnitte
ein wirksames Arbeiten sichern, das bei Verwendung der ununterbrochen verlaufenden
Elektroden nach F i g. 1 nicht erzielt werden kann.
-
Die besondere körperliche Ausbildung der in F i g. 2 bis 4 dargestellten
Elektrodenabschnitte ist für die vorliegende Erfindung nicht kritisch. Der Einfachheit
halber wurden die Elektrodenabschnitte als kurze Stäbe dargestellt, die sich durch
die Grenzschicht hindurch erstrecken. Der Querschnitt der Stäbe oder deren Gestalt
in Richtung parallel zu deren Länge ist unwesentlich, da die Erfindung unabhängig
von -der Form des Elektrodenabschnittes von Nutzen ist. Ebenso stellt das Material,
aus dem die Elektroden bestehen, in keiner Weise eine Einschränkung der Erfindung
dar. Diese Elektroden können aus schwer schmelzbaren Metallen, nichtrostendem Stahl
oder aus Kupfer bestehen, wenn eine Innenkühlung vorgesehen wird.
-
Der Einfachheit halber wurde die Erfindung an Hand eines MHD-Generators
beschrieben. Für Sachkundige ist es nahehegend, daß die Erfindung ebensogut auch
bei MHD-Vorrichtungen anderer Ausführung angewendet werden kann. Als Beispiel sei
angeführt, daß solche Elektroden mit Vorteil auch bei einem MHD-Beschleuniger verwendet
werden können, wobei an gegenüberstehende Elektroden ein unterschiedliches Potential
angelegt wird, um ein sich durch ein Quermagnetfeld bewegendes elektrisch leitendes
Mittel zu beschleunigen, wobei das Magnetfeld senkrecht zur Reihe der Elektroden
angeordnet ist.
-
Abschließend sei gesagt, daß die vorliegende. Erfindung alle nachteiligen
Wirkungen beseitigt, die bei Anwesenheit einer Grenzschicht in der Einrichtung
auftreten,
und die Aufrechterhaltung eines leitenden Pfades mit dem heißen, elektrisch leitenden
Arbeitsmittel der Einrichtung sichert.