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Magnetohydrodynamischer Generator Ein magnetohydrodynarnischer Generator
(MHD-Generator) hat bekanntlich Elektroden, zwischen denen ein elektrisch leitendes
Medium mit hoher Geschwindigkeit strömt. Legt man senkrecht zur Strömungsrichtung
und zu einer durch die Elektroden gedachten Ebene ein Magnetfeld an, so kann man
an den Elektroden elektrische Leistung entnehmen.
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Für eine Direktumwandlung thermischer in elektrische Energie können
die Abgase einer Flamme verwendet werden, wie sie bei Verbrennen von ölen, z. B.
Heizölen, unter Zufuhr von Luft und leicht ionisierbaren Stoffen (Saatmaterial),
wie z. B. Kalium, entstehen. Die Abgase aus der Flamme sind dann so weit ionisiert,
daß sie die Eigenschaften eines Plasmas haben.
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Das Plasma kann bekanntlich auch mit Hilfe der Kernenergie erzeugt
werden. Dazu können Wärmewirkung der Kernreaktion und ionisierende Wirkung der radioaktiven
Strahlung , ausgenutzt werden.
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In F i g. 1 ist schematisch ein MHD-Generator bekannter Bauart dargestellt.
In einer Brennkammer 4 entsteht Plasma mit einer Temperatur von etwa 3000° C, das
in Richtung des Pfeiles v durch eine Düse 5 expandiert und dadurch auf Strömungsgeschwindigkeiten
(v) in der Größenordnung von 1000 m/sec gebracht wird. Mit dem Plasma stehen im
Strömungsraum 6 des Generatorkanals gegenüberliegende Elektroden 8 und 9 in Verbindung.
Senkrecht zur Zeichenebene liegt ein Magnetfeld B an, dessen Kraftlinien aus der
Zeichenebene heraustreten. Dadurch wird im Plasma eine negative elektrische Feldstärke
in Richtung des Pfeiles E; induziert, bzw. zwischen den Elektroden entsteht eine
positive Feldstärke in Richtung dieses Pfeiles.
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Die Leerlaufspannung zwischen den Elektroden ist hierbei in erster
Näherung dem Produkt aus der magnetischen Feldstärke, der Strömungsgeschwindigkeit
des leitenden Mediums und dem Elektrodenabstand proportional. Trägt man die Leerlaufspannung
als Funktion der angelegten magnetischen Feldstärke auf, so zeigt sich, daß die
Leerlaufspannung ab etwa 5 kOe langsamer als linear mit der magnetischen Feldstärke
ansteigt. Das bedeutet ein magnetfeldabhängiges Anwachsen des als Verhältnis von
Leerlaufspannung zu Kurzschlußstrom gebildeten Generatorinnenwiderstandes. In Physics
of Fluids (1961), Nr. 2, S. 186, wird diese Begrenzung der induzierten EMK bei wachsender
Magnetfeldstärke durch einen sogenannten Ionenschlupf erklärt.
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Mitunter wird bei MHD-Generatoren die Ursache für das geringer werdende
Anwachsen der Leerlauf-Spannung mit Halleffekt bezeichnet. Werden keine Vorkehrungen
- wie die bekannte Unterteilung der Elektroden quer zur Strömungsrichtung - getroffen,
so führt der Halleffekt zu Ausgleichsströmen über die Elektroden und zu Wirbelströmen
im Plasma.
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In der deutschen Patentschrift 692 706 ist unter anderem eine Anordnung
beschrieben, bei der ein Gas- oder Dampfstrom zwischen längs der Strömung angeordneten
Elektrodenpaaren hindurchströmt. Es ist dabei eine Schaltung beschrieben, mit der
durch Transformatoren bei galvanischer Trennung der Elektrodenpaare die Elektrodenspannung
summiert wird; hier ist auch bereits erwähnt, daß die einzelnen Elektrodenpaare
auch in Reihe geschaltet werden können. Bei einem angelegten magnetischen Wechselfeld
kann dieser Generator Wechselstrom erzeugen. Jeder der Transformatoren kann als
Last aufgefaßt werden, der einander gegenüberstehende Elektroden eines Paares zugeordet
sind.
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Die Unterteilung der Elektroden längs zur Strömungsrichtung bzw. die
Anordnung mehrerer Elektrodenpaare sieht man bekanntlich vor, um bei galvanischer
Trennung der Elektrodenpaare Wirbelströme bzw. Ausgleichsströmen über die Elektroden
zu vermeiden. Diese würden sonst durch eine Spannungskomponente in Strömungsrichtung
(z. B. Hallspannung) ausgelöst.
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Es ist in einem bekannten Vorschlag auch schon angeregt worden, zur
Unterdrückung des Hallstromes bei segmentierten Elektroden gegenüberstehende Elektrodensegmente
in Strömungsrichtung bei einer bestimmten Breite der Elektrodensegmente um ein bestimmtes
Ausmaß zu versetzen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde dem Anwachsen des Generatorinnenwiderstandes
bzw. dem schwächer werdenden Anwachsen der Leerlaufspannung bei wachsendem, angelegtem
Magnetfeld entgegenzuwirken. Außerdem soll bei Entnahme von Laststrom bzw. bei Laststromänderung
der dadurch
auftretende Halleffekt zu keiner Leistungseinbuße des
Generators führen.
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Diese Aufgabe wird bei Zugrundelegung von bekannten MHD-Generatoren
mit galvanisch getrennten Elektrodenpaaren, deren gegenüberstehende Elektroden,
jeweils mit einer eigenen Last verbunden, einander zugeordnet sind und mit einem
strömenden, elektrisch leitenden Medium in Verbindung stehen, erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß die einander zugeordneten Elektroden in Strömungsrichtung im Sinne der
Erzielung maximaler Elektrodenspannung gegeneinander versetzt sind und daß das Ausmaß
dieses Versatzes während des Betriebes einstellbar ist. Der Generator nach der Erfindung
1'äßt sich hierdurch den wechselnden Betriebsbedingungen anpassen. Dazu können die
Elektroden durch einen Stellmotor eingestellt werden, der von einem Spannungsregler
in Abhängigkeit von der Elektrodenspannung beeinflußt wird. Die Elektroden sind
dann paarweise immer in Richtung der aus induzierter und Hallkomponente resultierenden
Feldstärke einander gegenübergestellt.
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Es ist bereits ein MHD-Generator mit mehreren Elektrodenpaaren bekannt,
bei dem auf gleichem Potential liegende, als in Strömungsrichtung versetzte Elektroden
elektrisch miteinander verbunden sind. Den überzähligen versetzten Elektroden am
Strömungseingang und -ausgang stehen jeweils schräg angeordnete Schlußelektroden
gegenüber, von denen die summierte Energie abgenommen werden soll. Es handelt sich
hierbei um eine Reihenschaltung von Elektrodenpaaren bzw. der quer zur Strömungsrichtung
im Plasma induzierten Spannungskomponente mit Hilfe der Hallspannung.
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Beim Generator nach der Erfindung kann man ebenfalls die einzelnen
Elektrodenspannungen summieren. Sie werden dazu in getrennten Kreisen ausgenutzt.
Wesentlich ist, daß man beim erfindungsgemäßen Generator im Betrieb jeweils zwischen
den Elektroden eines Paares die gegenüber der Querspannung größere maximale bzw.
resultierende Spannung durch während des Betriebes einstellbare Versetzung der zugeordneten
Elektroden erzielt.
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Die Vektoraddition der induzierten Feldstärke und der Halleffektstärke
- ganz allgemein - zu einer resultierenden Feldsfärke ist bei MHD-Generatoren der
der Erfindung zugrunde liegenden Art an sich bekannt (französische Patentschrift
1308 804).
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Da der Generator nach der Erfindung die maximale Klemmenspannung unter
Vermeidung von Wirbelstromverlusten liefert, ist man in der Lage, leistungsstärkere
MHD-Generatoren zu bauen.
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Die Erfindung geht dabei von der bekannten Erkenntnis aus; daß der
Stromtransport im Plasma wie bei metallisch leitenden Medien über die Elektronen
zustande kommt. Die Ionenbeweglichkeit im Plasma ist gegenüber der Beweglichkeit
der Elektronen zu vernachlässigen. Auf Grund der Strömungsgeschwindigkeit des Plasma
wirkt bekanntlich durch das Magnetfeld auf die Elektronen eine Kraft in Richtung
der negativen induzierten Feldstärke. Andererseits werden Elektronen in einem Magnetfeld
auf eine Kreisbahn (Lamor-Kreis) abgelenkt. Ist die mittlere freie Weglänge A, der
Elektronen gegenüber dem Durchmesser d des Lamor-Kreises klein, so kommt wegen häufiger
Zusammenstöße die zuletzt genannte Erscheinung nicht oder wenig zur Wirkung. Ist
A, in der Größenordnung mit d vergleichbar, so legen die Elektronen zwischen den
Zusammenstößen beträchtliche Teile einer Kreisbahn zurück. Dadurch bleiben die Elektronen
in Strömungsrichtung gegenüber den positiven Ionen zurück, und es entsteht die Erscheinung,
als ob eine Feldstärke in Strömungsrichtung wirksam würde, was mitunter auch als
Halleffekt bezeichnet wird, im physikalisch strengen Sinne aber kein Halleffekt
ist. Fließt andererseits zwischen den Elektroden über einen äußeren Widerstand ein
Laststrom, so kommt durch das so angelegte Magnetfeld der eigentliche Halleffekt
zustande. Beide Erscheinungen bewirken gleichsinnig, daß die im Plasma erzeugte
resultierende Feldstärke .gedreht wird und werden hier unter dem Begriff »Halleffekt«
zusammengefaßt. Der Generator nach der Erfindung gestattet es, unmittelbar diese
resultierende Feldstärke auszunutzen.
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In F i g.1 sind neben der induzierten elektrischen Feldstärke Ei der
Komponente quer zur Strömungsrichtung, die »Haukomponente« Eh sowie die resultierende
Feldstärke E,. eingetragen. , Die Elektrodenanordnung im Generator nach der Erfindung
ist in F i g. 2 wiedergegeben. Durch den Strömungsraum 6 des dargestellten Generatorkanals
strömt Plasma mit der Geschwindigkeit v. Durch das senkrecht aus der Zeichenebene
heraustretende Magnetfeld B uiid auf Grund der beschriebenen »Halleffekte« entsteht
eine resultierende Feldstärke in Richtung der Pfeile E,. über die Elektrodenpaare
mit den Elektroden 8 und 9, 10 und 11, 12 und 13, 14 und 15, deren Randverbindungslinien
in der Richtung der resultierenden Feldstärke liegen, können Verbraucher elektrischer
Energie unter voller Ausnutzung der resultierenden Feldstärke gespeist werden. Das
heißt, daß gegenüberliegende Elektroden in Strömungsrichtung im Sinne maximaler
Spannung gegeneinander versetzt sind. Durch die schräge Gegenüberstellung der Elektroden
liegt zwischen jedem Elektrodenpaar außerdem wegen des größeren Elektrodenabstandes
in Richtung der resultierenden Feldstärke höhere Spannung an als bei einer Gegenüberstellung
senkrecht zur Strömungsrichtung.
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Ein Ausführungsbeispiel des Generators nach der Erfindung ist in F
i g. 3 schematisch dargestellt. Über eine Ringdüse 1 wird durch ein Rohr 2 Heizöl
und durch ein Rohr 3 Sauerstoff und Kaliumkarbonat als Saatmaterial in die Brennkammer
4 eingespritzt. Bei der Verbrennung entsteht ein Plasma, das über eine Düse 5 auf
hohe Strömungsgeschwindigkeit gebracht wird und den Strömungsraum 6 des Generatorkanals
7 durchströmt. über und unter der Zeichenebene ist der Generatorkanal durch Wände
abgeschlossen zu denken, an die sich Polschuhe zum Anlegen eines Magnetfeldes anschließen.
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Die resultierende elektrische Feldstärke im Plasma wird im Ausführungsbeispiel
über vier Elektrodenpaare nutzbar gemacht. Es läßt sich auch eine andere Zahl von
Elektrodenpaaren, prinzipiell auch nur ein einziges, verwenden. Die einzelnen Elektroden
8, 10, 12, 14 bzw. 9, 11, 13, 15 auf jedei Seite der Strömung sind voneinander durch
elektrisch isolierende Kittschichten getrennt. Die Elektroden einer Seite sind jeweils
mit einer Halterung 16 verbunden, die mit Elektrodendurchführungen versehen sind.
In Strömungsrichtung sind die Elektroden auf der Ein-und Austrittsseite durch elektrisch
isolierendes Material 17 zu geschlossenen Wänden ergänzt. Eine oder beide der Elektroden
tragenden Wände sind in
Strömungsrichtung beweglich, und die Elektroden
sind gegeneinander versetzt. Nach F i g. 3 wird das Ausmaß des Versatzes über die
untere Wand durch einen Stellmotor 20 über ein Zahnrad 19 und eine Zahnstange 18
eingestellt. Statt dessen ist es auch möglich, die Elektroden nach Art eines umlaufenden
Bandes beweglich anzuordnen.
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Jedes durch zugeordnete Elektroden gebildete Elektrodenpaar ist mit
einem Wechselrichter verbunden, wodurch Wechselspannungen erzeugt werden. Die Wechselrichter
23, 24, 25 und 26 speisen über Transformatoren 27, 28, 29 und 30 gemeinsam in ein
Netz. Durch das Zwischenschalten von Transformatoren bleiben die einzelnen Elektrodenpaare
voneinander galvanisch getrennt, wodurch keine Ausgleichsströme zwischen den Elektrodenpaaren
auftreten können. Im Ausführungsbeispiel sind die Transformatoren auf der Sekundärseite
in Reihe geschaltet und über die Anschlußklemmen 31 mit einem Netz verbunden zu
denken.
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Der Stellmotor 20 wird durch einen Spannungsregler 22 an sich
bekannter Art beeinflußt, z. B. auf Vorlauf, Rücklauf oder Halt geschaltet, was
mit der Wirkungslinie zwischen 22 und 20 angedeutet ist. Die Regelschaltung
bekommt als Istwertinformation z. B. die Spannung zwischen den Elektroden 14 und
15 eines Elektrodenpaares, Die Regelschaltung kann so aufgebaut sein, daß
nach bestimmten Zeitintervallen oder nach anderen Kriterien, z. B. nach Spannungsänderung,
der Motor 20 so lange auf Vor- oder Rücklauf geschaltet wird, bis die zwischen
den Elektroden 14 und 15 gemessene Spannung abfällt. Dann ist der Motor in die andere
Laufrichtung umzuschalten und bis zu abfallender Meßspannung in Betrieb zu halten;
bei Spannungsabfall ist auszuschalten. Es kann auch eine Rücklaufkorrektur bis zum
dazwischenliegenden Spannungsmaximum des gerade herrschenden Betriebszustandes vorgesehen
werden. Der Stellmotor 20 läßt sich mit der vom Generator erzeugten Energie speisen
und ist hierzu in F i g. 3 über einen Transformator 21 an das Netz angeschlossen.
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Die Länge der Elektroden in Strömungsrichtung ist so zu bemessen,
-daß die »Hallspannung« im Plasma über eine Elektrodenlänge klein bleibt im Verhältnis
zu der zwischen zwei Elektroden eines Paares abgenommenen Nutzspannung. Bei sich
erweiternden Generatorkanälen, z. B. mit der Form von Lavaldüsen, können die Elektroden
im Kanal tangential in der in F i g. 4 ersichtlichen Weise angeordnet sein. Nach
F i g. 4 sind im Strömungsraum 6 eines Generatorkanals zwei Elektrodenpaare mit
den Elektroden 8 und 9 sowie 10 und 11 tangential zur Kanalwand
angeordnet. Die Länge der Elektroden ist unterschiedlich und so gewählt, daß die
Elektroden eines Paares etwa gleiche Wirkungsfläche haben. Die Elektroden lassen
sich dann von parallelen Linien, wie angedeutet, begrenzt denken.