DE1205611B

DE1205611B - Electrical generator of the magnetohydrodynamic type

Info

Publication number: DE1205611B
Application number: DEC26448A
Authority: DE
Inventors: Georges Klein
Original assignee: CIE GENERALE D ELECTRICITE SOC; Compagnie Generale dElectricite SA
Current assignee: CIE GENERALE D ELECTRICITE SOC; Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1961-05-10
Filing date: 1962-03-09
Publication date: 1965-11-25

Description

Elektrischer Generator der magnetohydrodynamischen Bauart Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Generator der magnetöhydrodynamischen Bauart mit Mitteln, mit deren Hilfe ein Strom ionisierter, aus einer Verbrennungskammer austretender heißer Gase zwischen Elektroden hindurchgeleitet wird, die in einem Magnetfeld angeordnet sind, welches durch einen elektrischen Strom in einer Wicklung erzeugt wird, wcobei die Verbrennungskammer mit Sauerstoff für die Verbrennung gespeist wird, der durch Luftverflüssigung gewonnen wird.Electric generator of the magnetohydrodynamic type. The invention refers to an electrical generator of the magnetohydrodynamic type with means by which an ionized stream from a combustion chamber escaping hot gases is passed between electrodes in a Magnetic field, which is generated by an electric current in a winding is generated, whereby the combustion chamber is fed with oxygen for combustion obtained by liquefaction of air.

Bei Bezeichnung der von der Erregerwicklung zur Erzeugung des Magnetfeldes aufgenommenen elektrischen Leistung mit Wa und der an den beiden Elektroden abgenommenen elektrischen Leistung mit We ergebt sich ganz selbstverständlich, daß das Verhältnis Wa: We so klein wie möglich sein muß, damit ein annehmbarer Wirkungsgrad des Generators erreicht wird. Dieses Verhältnis muß beispielsweise bei 501o liegen.When designating the field winding used to generate the magnetic field recorded electrical power with Wa and the recorded at the two electrodes electrical power with We it goes without saying that the relationship Wa: We have to be as small as possible for the generator to have an acceptable level of efficiency is achieved. This ratio must be 501o, for example.

Für das Verhältnis Wa: We gilt folgende Bezeichnung: wobei k eine Konstante, 0 der spezifische Widerstand des die Erregerwicklung bildenden Metalls und Wth die Wärmeleistung des heißen Gases am Eingang des Generators ist.The following designation applies to the ratio Wa: We: where k is a constant, 0 is the specific resistance of the metal forming the excitation winding and Wth is the heat output of the hot gas at the inlet of the generator.

Daraus ergibt sich, daßes zur Erhöhung von Wa bei gleichzeitiger Einhaltung eines annehmbaren Verhältnisses We: Wa notwendig ist, die Wärmeleistung Wth des Generators beträchtlich zu erhöhen, falls p konstant bleiben #soll.It follows that, in order to increase Wa while maintaining an acceptable ratio We: Wa, it is necessary to increase the heat output Wth of the generator considerably if p #should remain constant.

Aus #diesein Grunde ist bislang lediglichdie Schaffung von Generatoren mit sehr hoher Leistung ins Auge gefaßt worden. Praktisch konnten, selbst wenn man sich mit einem Verhältnis Wa: We von 1011/o, d. h. einem verhältnismäßig hohen Verhältnis zufriedengab, Generatoren mit einer Wärmeleistung unterhalb 400 Megawatt auf wirtschaftliche Weise nicht verwirklicht werden. Bespielsweise erlaubt ein Generator herkömmlicher Technik mit einer Wärmeleistung von 800 Megawatt lediglich die Ab- nahme einer elektrischen Nutzleistung We von 200 Megawatt, wobei in dem Erregerstromkreis eine Leistung Wa von 20 Megawatt verbraucht wird.For this reason, only the creation of generators with very high performance has been considered so far. In practice, even if one were to deal with a Wa: We ratio of 1011 / o, i.e. H. a relatively high ratio, generators with a heat output below 400 megawatts cannot be realized in an economical way. Recordable manner allows a generator of conventional technology with a thermal power of 800 megawatt, only the waste acceptance of an electrical power output of 200 megawatts We, Wa wherein a power consumed by 20 megawatts in the excitation circuit.

Andererseits kann ohne Erhöhung der Wärmeleistung Wth der heißen Gase eine Verringerung des spezifischen Widerstandes Q ins Auge -gefaßt werden.On the other hand, without increasing the heat output Wth of the hot gases, a decrease in the specific resistance Q can be envisaged.

Es ist nun bekannt, daß sich der spezifische Widerstand von Metallen verringert, wenn die Temperatur der Metalle abnimmt und daß, wenn die Metalle auf einer sehr niedrigen Temperatur, beispielsweise derjenigen von flüssiger Luft, gehalten werden, der spezifische Widerstand des Metalls beträchtlich geringer ist, so daß die zur Erzielung einer bestimmten Stromstärke und infolgedessen eines bestimmten Magnetfeldes erforderliche Leistung wesentlich geringer ist. Dennoch hat die Verwendung von flüssiger Luft zur Abkühlung der Wicklungen magnetohydrodynamischer Generatoren bis jetzt keinen Eingang in die Praxis gefunden, und zwar auf Grund der hohen Kosten flüssiger Luft und des wesentlichen Ver-# brauches, der bei einer derartigen Anwendung gegeben ist. Die auf sehr niedrige Temperaturen abzukühlenden Wicklungenmüssen nämlich notwendigerweise inder Nähe des Rohres angeordnet sein, das die eine sehr hohe Temperatur aufweisenden Gase passieren. Was auch immer die eingesetzten Isolationsmittel sein mögen, es liegt auf der Hand, daß stets relativ viel flüssige Luft verbraucht wird, um die Wicklungen auf einer sehr niedrigen Temperatur zu halten.It is now known that the resistivity of metals decreases when the temperature of the metals decreases and that when the metals rise at a very low temperature, for example that of liquid air are, the specific resistance of the metal is considerably lower, so that those to achieve a certain amperage and consequently a certain one Magnetic field required power is much lower. Still has use of liquid air to cool the windings of magnetohydrodynamic generators So far it has not found its way into practice, due to the high cost liquid air and the essential consumption of such an application given is. The windings to be cooled to very low temperatures must namely necessarily be placed near the pipe that has a very high temperature containing gases pass. Whatever the insulation material used like, it is obvious that a relatively large amount of liquid air is always used, to keep the windings at a very low temperature.

Die Luftverflüssigungsanlage stellt selbst einen sehr wesentlichen Kostenfaktor dar. Der Betrieb dieser Anlage erfordert seinerseits hohe Betriebskosten.The air liquefaction plant itself is a very essential one This is a cost factor. The operation of this system in turn requires high operating costs.

Bei bestimmten Arten von MHD-Generatoren findet nun für die Verbrennung der Gase oder anderer Brennstoffe Sauerstoff Verwendung, der insbesondere durch eine Anlage zur Herstellung flüssiger Luft durch fraktionierte Destillation geliefert werden kann. Bei derartigen Generatoren ist die Anlage zur Erzeugung flüssiger Luft von Anfang an vorhanden und nicht mit zusätzlichen Kosten verbunden.Certain types of MHD generators are now used for combustion of gases or other fuels using oxygen, in particular through supplied a plant for the production of liquid air by fractional distillation can be. In the case of such generators, the system is for generation liquid air is available from the start and does not entail additional costs.

Gemäß der Erfindung wird nun die Wicklung durch ein verflüssigtes Gas abgekühlt, das in der Luftverflüssigunggsanlage für die Gewinnung des Sauerstoffs -ewonnen wird.According to the invention, the winding is now liquefied by a Gas is cooled in the air liquefaction plant for the extraction of the oxygen - is won.

Als sehr zweckmäßig hat es sich herausgestellt, Stickstoff zu verwenden, der als Rückstand bzw. Nebenprodukt des Sauerstoffs in der der Luftverflüssigungsanlage zugeordneten Destillationsanlage anfällt. In einer derartigen Einrichtung sind für die Luftverflüssigungsanlage nicht von vornherein zusätzliche Kosten aufzuwenden, da die Kosten für die Luftverflüssigungsanlage selbst durch die Lieferung des die Verbrennung verbessernden Sauerstoffs gerechtfertigt sind, der insbesondere eine wesentlich höhere Verbrennungstemperatur zu erzielen ermöglicht, welche einen wesentlich höheren Leistungsfaktor des Generators mit sich bringt. Die Leistungsverbesserung auf Grund der Verwendung von Sauerstoff und Brennstoff führt zu wirtschaftlichen Vorteilen, die selbst die Luftverflüssigungsanlage von Anfang an sowie deren Betrieb während des Einsatzes und der Arbeit des Generators kompensieren. Der als Rückstand bei der Destillation der flüssigen Luft anfallende Stickstoff ist ein Nebenprodukt geringen Wertes, und dessen Einsatz zum Abkühlen der Wicklungen des Generators gemäß,der Erfindung führt praktisch zu geringen zusätzlichen Betriebskosten.It has been found to be very expedient to use nitrogen, which is obtained as a residue or by-product of the oxygen in the distillation plant assigned to the air liquefaction plant. In such a device, additional costs do not have to be incurred for the air liquefaction system from the outset, since the costs for the air liquefaction system itself are justified by the supply of the combustion-improving oxygen, which in particular enables a much higher combustion temperature to be achieved, which has a much higher power factor of the generator brings with it. The performance improvement due to the use of oxygen and fuel leads to economic benefits to which even the air liquefaction plant from the beginning, and compensate for their operation during deployment and operation of the generator. The nitrogen obtained as a residue during the distillation of the liquid air is a low value by-product, and its use for cooling the windings of the generator according to the invention practically leads to low additional operating costs.

Auf diese Weise stellt die Erfindung wirtschaftliche Mittel zur beträchtlichen Erhöhung des Wirkungsgrades eines MHD-Generators zur Verfügung auf Grund der Tatsache, daß man die Wicklungen, die der Erzeugung des Magnetfeldes dienen, ohne zusätzliche Kosten bei der Konstruktion ;der Anlage und mit praktisch nur geringen Betriebskosten kühlen kann, die weitgehend durch die Wirschaftlichkeit des mit auf die Temperatur flüssigen Stickstoffs bzw. flüssiger Luft gekühlten Wicklungen ausgerüsteten Generators kompensiert werden.In this way the invention provides economic means for considerable Increasing the efficiency of an MHD generator available due to the fact that the windings, which are used to generate the magnetic field, without additional Costs in the construction, the plant and with practically only low operating costs Can cool, largely due to the economy of having on the temperature Liquid nitrogen or liquid air-cooled windings equipped generator be compensated.

Die Erfindung erlaubt es somit, den eingangs genannten Nachteil zu beseitigen, und sie ermöglicht einmal die Erhöhung des Wirkungsgrades eines gegebenen MHD-Generators und zum anderen die Schaffung von Generatoren mit wesentlich geringer Wänneleistung' als sie bislang mit einem geringeren Verhältnis Wa: We erzielbar war, unddies trotz der Tatsache, daß die Verwendung von flüssiger Luft auch zum Kühlen der Wicklungen elektrischer Maschinen in der Elektrotechnik seit vielen Jahrzehnten bekannt ist. So läßt sich bei einem NIHD-Generator auf sehr wirtschaftliche Weise der spezifische Widerstand 9 des die Wicklung bildenden Metalls in einem Verhältnis in der Größenordnung von 8 verringern #(für einen Kupferleiter, der durch flüssigen Stickstoff abgekühlt wird) oder darüber hinaus selbst auf Null herabsetzen, wenn das Metall supraleitend gemacht wird.The invention thus makes it possible to eliminate the disadvantage mentioned at the beginning, and on the one hand it enables the efficiency of a given MHD generator to be increased and, on the other hand, the creation of generators with significantly lower heat output than was previously achievable with a lower Wa: We ratio Despite the fact that the use of liquid air for cooling the windings of electrical machines has been known in electrical engineering for many decades. In an NIHD generator, for example, the specific resistance 9 of the metal forming the winding can be reduced in a ratio of the order of 8 # (for a copper conductor which is cooled by liquid nitrogen) or even reduced to zero when the metal is made superconducting.

Die Erfindung wird nicht in der auch bereits in anderem Zusammenhang vorgeschlagenen Kühlung der Erregerspulen von IMD-Generatoren auf kryogene Temperaturen, sondern ausschließlich in der Gesamtheit der Bestimmungsinerkmale des Erfindungsgegenstandes gemäß dem Hauptan#spruch gesehen.The invention is not used in the context of the previous one proposed cooling of the excitation coils of IMD generators to cryogenic temperatures, but exclusively in the entirety of the defining features of the subject matter of the invention seen according to the main claim.

An dieser Stelle ist die Leistung in Betracht zu ziehen, die in der Anlage verbraucht wird, um das Kälte erzeugende Fluidum,an Ort und Stelle herzustellen. Dabei ergibt sich,daß eine Verringerung der gesamten installierten Leistung in einem Verhältnis von 10: 100 mit nicht supraleitenden Wicklungen bei 301 K und von 100 bis 100 000 mit supraleitenden Wicklungen bei 4' K erreicht werden kann.At this point, the power that is consumed in the system to produce the refrigerating fluid on site must be taken into account. The result is that a reduction in the total installed power in a ratio of 10: 100 with non-superconducting windings at 301 K and from 100 to 100,000 with superconducting windings at 4 'K can be achieved.

Die Verwendung von flös5igem Stickstoff als Kühlmedium ist besonders vorteilhaft, und zwar deswegen, weildieses Fluidum in der Anlage, von der der Generator nureinen Teil bildet, bekanntlich bei der Gewinnung von Sauerstoff, der an Ort und Stelle durch Luftverflüssigung gewonnen wird, anfällt. Der für die Abkühlung der Wicklung verwendete verflüssigte Stickstoff bildet, wie bekannt, den Rückstand der Luftverflüssigung. - Unter diesen Bedingungen liefert beispielsweise ein Generator mit einer Wärmeleistung von 800 Megawatt eine elektrische Nutzleistung von 197,5 Megawatt an Stelle von 180 Megawatt, d. h. einen Gewinn von etwa 10%. Andererseits kann man auf diese Weise unter wirtschaftlich rentablen Bedingungen Generatoren schaffen, deren Wärmeleistung nicht höher,als 100 Megawatt zu sein braucht.The use of liquid nitrogen as a cooling medium is particularly advantageous because, as is well known, this fluid in the system, of which the generator forms only a part, is obtained during the production of oxygen which is obtained on site by liquefaction of the air. The liquefied nitrogen used to cool the winding forms, as is known, the residue of the air liquefaction. - Under these conditions, for example, a generator with a thermal output of 800 megawatts delivers a useful electrical output of 197.5 megawatts instead of 180 megawatts, i.e. H. a profit of about 10%. On the other hand, under economically viable conditions, generators can be created in this way, the heat output of which does not need to be higher than 100 megawatts.

Wenn eine auf 201 K abgekühlte Wicklung aus Aluminium oder aus Natrium verwendet wird, kann ein wirtschaftlicher Generator mit einer Wärmeleistung von 8 bis 80 Megawatt geschaffen werden.If an aluminum or sodium winding cooled to 201 K is used, an economical generator with a thermal output of 8 to 80 megawatts can be created.

Wenn schließlich eine Wicklung aus einer Niobium-Zinn-Legierung verwendet wird, die supraleitend gemacht ist, können Generatoren mit einer thermischen Leistung von lediglich 80 -bis 800 kW geschaffen werden.Finally, if a niobium-tin alloy winding made superconducting is used, generators with a thermal output of only 80 to 800 kW can be created.

Claims

Claims: 1. Electric generator of the magnetohydrodynamic type with means with the aid of which a stream of ionized hot gases emerging from a combustion chamber is passed between electrodes which are arranged in a magnetic field which is generated by an electric current in a winding, the Combustion chamber is fed with oxygen for combustion, which is obtained by air liquefaction, d a - characterized in that the winding is cooled by a liquefied gas, which is obtained in the air liquefaction plant for the production of oxygen.

2. Generator according to claim 1, characterized in that the liquefied gas is nitrogen. 3. Generator according to claim 1, characterized in that the liquefied gas is air.

Considered publications: German Patent Specifications Nos. 312 607, 725 433; Direct Current magazine, June 1960, p. 25.