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Generatorkanal für magnetohydrodynamische (NIIM-) Generatoren Die
Erfindung betrifft einen Generatorkanal für ma,-netohydrodynamische Generatoren,
dessen aus blockartio,en Elementen auf-ebaute Kanalwände in Richtung des elektrischen
Feldes abwechselnd aus elektrisch isolierenden Elementen und aus gekühlten wärmeleitenden
Elementen bestehen.
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Der Theorie des magnetohydrodynainischen (MHD-)Generators zufolge
wird bekanntlich zwischen Elektroden an gegenüberliegenden Kanalwänden eine Spannung
erzeugt, wenn ein elektrisch leitendes Medium oder ein ionisiertes Gas mit Plasmaeigenschaften
den Kanal durchströmt und ein Magnetfeld senkrecht zur Ebene durch die Elektroden
und senk.-recht zur Strömungsrichtung angeordnet wird. Die Theorie ergibt sich als
Sonderfall des allgemeineren Faradayschen Induktionscresetzes.
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Beim MI-ID-Generator übernimmt das Plasma die Rolle des in einem Magnetfeld
bewegten Leiters, so daß zwischen den Elektroden quer zum Plasma den Induktionsgesetzen
zufolge eine elektrische Spannung erzeugt wird. Schließt man die Elektroden über
einen äußeren Lastkreis, so fließt im Gesamtkreis ein Strom.
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Weitere überlegungen liefern eine sorgfältig aus-Z, crearbeitete Theorie
des MHD-Generators, wobei die, erzeugte Spannung und andere Betriebsparameter für
eine gegebene Generatoranlage mit einem vernünfti-Iyen Sicherheitsgrad vorausberechnet
werden können. Wird z. B. als leitendes Arbeitsmedium ein ionisiertes Gas bzw. Plasma
verwendet, so hängen erzeugte Spannung und Strom von Gasparametern, wie elektrischer
Leitfähigkeit, Temperatur, Druck und Strömungsgeschwindigkeit, ab. Das Plasma kann
durch Verbrennungsabgase gebildet sein, denen leicht ionisierbare Stoffe, wie Caesium,
als sogenanntes Saatmaterial zugegeben sind. Man kann dann mit guter Näherun
'g bestimmen, wie sich die, Parameter beim Durchströmen des Kanals ändern
werden. Der magnetische Fluß und die physikalischen Eigenschaften des Baumaterials,
z. B. die, magnetische Perineabilität, der elektrische Widerstand oder die Leitfähigkeit
und die Temperaturbeständigkeit, haben ebenfalls einen maßgebenden Einfluß auf die
Spannungs- bzw. Stromerzeugung.
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Die Betriebseigenschaften eines NIHD-Generators C
sind unter
Berücksichtigung der Strömungsgesetze, der elektromagnetischen und thermodynamischen
Prinzipien einer umfassenden mathematischen Analyse zugänglich, wie sie hinreichend
in Forschungsberichten sowie in der Patentliteratur dargestellt ist. Eine solche
umfassende Analyse findet man z. B. in der schweizerischen Patentschrift 400
323 bzw. der belgischen Patentschrift 635 576.
Ein Lösungsweg für die
Kanalkonstruktion führt C
zu in Strömungsrichtung ausgedehnten kastenförmigen
Kanälen mit rechteckigem oder ähnlichem Querschnitt. Die Elektroden, zwischen denen
bei Plasmadurchsatz in einem Ma-iietfeld elektrische Leistung erzeugt wird, sind
dann gewöhnlich an gegenüberliegenden Kanalseiten angeordnet. Der C C im
Kanal
wird von elektrisch isolierenden Wänden seitlich abgeschlossen. Ein längs des Kanals
genügend Z, im
homogenes Magnetfeld kann mit Hilfe einer Magnetwicklung angelegt
werden, deren Leiter sich im wesentlichen in Kanallän-srichtunc, erstrecken. Die
ZD C2
zum Erzeugen eines bestimmten Flusses erforderliche magnetomotorische
Kraft kann durch einen geschichteten Eisenkern herabgesetzt werden.
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In Betriebsgrößen ausgedrückt, hängt nun der Wirkungsgrad der Spannungserzeu-ung
in einem Generatorkanal von dem Ausmaß ab, in dem es creling,t, den elektrischen
Widerstand der seitlichen Kanalwände auch bei steigenden Temperaturen genügend hoch
zu halten. Ausgleichsströme und Hallströme über die Kanalwände oder das Plasma vor
den Kanalwänden bedeuten für die Generatorleistung verlorene Energie. Bei Generatorkanälen,
bei denen Kanalseitenwände und Elektroden den Strömungsraum des Kanals umschließen,
wird somit der Generatorwirkungsgrad wesentlich erhöht, wenn es gelingt,
die
Ausolleichsströme herabzumindern oder gar völlio, CD
zu verhindern.
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Es ist an anderer Stelle (deutsche Patentschrift 1192312) schon
vorgeschlagen worden, die bei hohen Betriebstemperaturen auch bei Seitenwänden aus
Isolierstoffen auftretenden Ausgleichsströme durch Ausbilden einer verhältnismäßig
kühlen Gasschicht vor der Kanalwand unter Kontrolle zu halten. Eine solche elektrisch
isolierende Gasschicht kann durch Einblasen eines kühlen Gases oder durch starke
Kühlung der Seitenwände erzielt werden. In zahlreichen Ausführungsfällen liefern
beide Vorschläge unbefriedigende Ergebnisse, da die Temperatur der Kanalseitenwände
dennoch zu Werten ansteigt, bei denen selbst das Material der Seitenwände, seine
Isolatoreigenschaft verliert und den Wirkungsgrad mindernde Ausgleichsströme auftreten.
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Die Grundforderungen an Kanalwände eines MHD-Generators, wie sie z.
B. aus »Schweizerische Bauzeitung«, H. 23/1961, S. 385 bis 387, und
aus dem deutschen Gebrauchsmuster 1820 393 bekannt sind, kann man so zusammenfassen,
daß die Kanalwände thermisch und elektrisch isolierend sein sollen, um Verluste
an der im Plasma potentiell zur Verfügung stehenden Energie möglichst einzudämmen.
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Die Entwicklunasarbeiten für Wandmaterial das thermisch und elektrisch
isolierende Eigenschaften aufweisen soll, haben zu einer Vielfalt von Stoffen geführt.
Solche Werkstoffe werden beispielsweise in dem Buch »Neue Wege zur Stromversorgune,«,
Akademische Verlagsgesellschaft, Frankfurt/Main, Aufl. 1963 auf
S. 235 aufgeführt.
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Da die auf thermisch und elektrisch isolierende Eigenschaften zugeschnittenen
Werkstoffe in der Praxis aber noch nicht befriedigen konnten, ist auch schon versucht
worden, durch starkes Kühlen von gut wärmeleitendem Material, das dann wiederum
elektrisch leitend und daher in Richtung des elektrischen Feldes durch Isolationsfugen
zu unterteilen ist, den Betriebsanforderungen genügende Kanalwände bereitzustellen
(französische Patentschrift 1308 804). Bei starker Kühlung und tiefen Wandtemperaturen
können dann auch keine Ausgleichsströme in der zur Kanalwand benachbarten Gasschicht
auftreten. Diese Zielsetzung, eine Kanalwand aus Baumaterial zu fertigen, das von
Natur aus wärineleitend ist und ihm in bestimmten Richtungen Isolatoreigenschaft
zu geben, erklärt sich dadurch, daß es bisher noch nicht gelungen ist, ein elektrisch
isolierendes Baumaterial zu finden, das unter den geforderten Betriebsbedingungen
seine Isolatoreigenschaft behält.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, nicht nur die Ausgleichsströme
in der Gasschicht vor der Kanalwand zu vermeiden, sondern auch Kanalwände zu entwickeln,
die ihre Isoliereigenschaft auch bei hohen Betriebstemperaturen behalten. Die Erfinduno,
besteht demgemäß bei der eingangs vorausgesetzten Anordnung darin, daß die aus den
thennisch und elektrisch isolierenden Elementen bestehenden Wandblöcke der Kanalwände
durch in Längsrichtung angeordnete, gekühlte, schmale Zwischenkörper aus wärmeleitendein
Material voneinander getrennt sind und über die zum Strömungsraum hin unverdeckten
Zwischenkörper hinaus in den Strömungsraum hinreichen. Wesentlich ist, daß die Zwischenkörper
mit dem Plasma unmittelbar in wärmeleitendem Kontakt stehen. Mit dem Generatorkanal
nach der Erfinduna M
gelingt es, Ausgleichsströme zwischen den Elektroden'
auch bei hohen Betriebstemperaturen zu vermeiden und dar-über hinaus dem Plasma
nur wenig Energie durch Kühlen zu entziehen. Wirtschaftlichkeit und Wirkungsgrad
der Generatoranlage werden dadurch wesentlich erhöht.
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Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher erläutert werden.
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F i g. 1 zeigt den Längsschnitt eines gemäß der Erfindung aufgebauten
Generatorkanals; F i g. 2 gibt den Querschnitt eines Generatorkanals nach
F i g. 1 wieder, wie er von einer Schnittebene II-II aus gesehen wird; F
i g. 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus der rechten Seitenwand nach
der Ouerschnittsansicht nach F i g. 2.
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Der in den F i g. 1 und 2 dargestellte Kanal für einen MED-Generator
gehört dem Typ der sich in Strömungsrichtun- erstreckenden kastenförmi en
C 9
Generatorkanäle an. Der Kanal 10 hat Seitenbasiswände, 12 und 14
und Elektroden tragende Wände 16
und 18. Das Arbeitsmittel bzw. Plasma
durchfließt den Kanal im Strömunasraum 20.
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Das Plasma kann bekanntlich aus Flammenaba' asen gebildet werden.
Dazu kann der Kanal 10 in einer Generatoranlage verwendet werden, die einen
Kompressor für angesaugte Luft aufweist und von dem die verdichtete Luft zu einer
Brennkammer geleitet wird. Hier kann sie einen zugeführten Brennstoff verbrennen,
wobei Flammenabgase mit einer Temperatur von beispielsweise 25001 K entstehen.
Durch Zusatz leicht ionisierbarer Atome oder Moleküle, wie die des Caesiums oder
Kaliums, verbessert man die Leitfähigkeit der Flammenabgase. Nachdem sie im Generatorkanal
10 elektrische Leistung erzeugt haben, kann man das Saatmaterial aus den
Abgasen in bekannter Weise zurückgewinnen.
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Auch können in bekannter Weise Wärmetauscher zum Vorerhitzen der Verbrennungsluft
herangezogen werden. Zum Aufheizen kann man z. B. die erhitzten Kühlmittel verwenden.
Schließlich kann der Elektromagnet mit über und unter der Zeichenebene bei F i
g. 1 am Kanal vorzustellenden Polen durch eine eigene Energiequelle erregt
werden. Im übrigen können den jeweiligen Erfordernissen entsprechend weitere bekannte
Zusatzeinrichtungen verwendet werden.
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Die-Elektroden tragenden Wände 16 und 18
können aus einem
aeeigneten Baumaterial, wie Stahl, bestehen. Sie können mit einer Schicht 22 aus
thermisch isolierendem Material, wie Magnesiumoxid oder einer Strontium-Zirkon-Verbindung,
belegt sein. die eine große Temperaturfestigkeit aufweist und auch bei hohen Temperaturen
einen relativ hohen Widerstand hat. Auf die Schicht 22 ist hier jeweils eine Elektrode
24 bzw. 26 aufgebracht. Die Elektroden 24 und 26 weisen über die Kanallänge
konstanten Abstand auf. Bei konstanter Strömun-sgeschwindigkeit wird somit über
die gesamte Elektrodenlängge die gleiche Spannung induziert. Die beschreibende Faustformel
lautet dabei: U = v B d.
Dabei ist U die Spannun
' g zwischen den Elektroden, v die Strömungsgeschwindigkeit des Plasmas,
B die magnetische Induktion im Kanal und d der Abstand zwischen den Elektroden.
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Es versteht sich, daß man den Abstand zwischen den Seitenbasiswänden
12 und 14 nach F i a. 2 erforderlichenfalls längs des Kanals anwachsen lassen
kann, um einen sich erweiternden Querschnitt des
Strömungsraumes
zu erzielen. Solche bekannte Kanäle mit variablem Querschnitt sind erforderlich,
wenn man zur Leistungserzeugoung besonders den Druckabbau im Plasma heranziehen
will.
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Die Elektroden 24 und 26 können ein einheitlicher Block aus
Zirkonborid sein oder sie können in bekannter Weise quer zur Kanallängsrichtung
segmentiert sein, wobei zwischen den Elektrodenteilkörpern isolierende Distanzstücke
liegen. Zu den geeignet fixierten Elektroden24 und 26 führt mindestens jeweils
ein Anschluß 28, der durch die anliegende Isolierschicht 22 und die Wände
16 bzw. 18 durchgeführt ist, um die Verbindung zu einem äußeren Lastkreis
herstellen zu können.
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Jede der Seitenbasiswände 12 und 14 ist mit einer Schicht
30 aus thermisch und elektrisch isolierendem Material, wie einer Zirkon-Oxid-Keramik
belegt. Diese Schichten 30 setzen sich über die Kanalhöhe aus Wandblöcken
32 zusammen, die sich in Kanalrichtun 'g erstrecken. Die Schichten
30, die die Kanalwand zum Strömungsraum 20 bilden, sind gewissermaßen durch
Ebenen unterteilt, die zwischen dem zusammenwirkenden Elektrodenpaar mit den Elektroden
24 und 26 liegen. Zwischen den Wandblöcken 32 sind Zwischenkörper
34 angeordnet, die hier ein T-förmiges Profil aufweisen und aus einem wärmeleitendem
Material, wie z. B. Kupfer, bestehen. Die Zwischenkörper haben eine Schulterpartie
36 und eine hand- bzw. plattenförinige Halspartie 35. Nüt den Seitenbasiswänden
12 und 14 des Generatorkanals können die Zwischenkörper durch Schweißen verbunden
werden.
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Jedes der Bänder 35 hat mit seiner unverdeckten Kopfpartie
38 freien Zugang zum Strömunasraum 20 des Kanals 10. Bei einem oder
mehreren Kühlkanälen 40 in den Bändern 35 oder, wie hier bei einem Kühlkanal
in den Kopfpartien 38, werden die Zwischenkörper 34 durch ein Kühlmittel
gekühlt.
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Die Seitenbasiswände 12 und 14 und die Elektroden tragenden Wände
16 und 18 können zweckmäßiaerweise durch Kühlkanäle 42 ebenfalls gekühlt
werden. Die Kühlkanäle 40 und 42 können in einem gemeinsamen Kühlmittelkreislauf
liegen.
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Die Wandblöcke 32 aus Isoliermaterial sind durch die Teile
35 der Zwischenkörper 34 seitlich voneinander getrennt. Bei der in F ig.
2 dargestellten Ausführungsform der Zwischenkörper ist das Befesti-"un, el gsproblem
für die Wandblöcke in einfacher Weise gelöst. Die mit den Seitenbasiswänden 12 und
14 verbundenen Zwischenkörper 34 spannen die Wandblöcke 32 zwischen sich
ein. Dabei verhindern die Kopfteile 38 mit den Kühlkanälen 40 durch Einpassen
in Kehlungen der Wandblöcke 32 auch ein seitliches Herausfallen in den Strömungsraum
20.
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Wie ersichtlich, reichen die Wandblöcke 32 weiter in den Strömungsraum
20 hinein, als die Zwischenkörper 34. Durch diese Maßnahme erreicht man eine sichere
elektrische Trennung der Wandblöcke. Es ist weiterhin günstig, die vorspringende
Stirnpartie 37
der Wandblöcke 32 zu den Kopfteilen 38 der Zwischenkörper
34 abzuflachen, worauf die Bezugszeichen 39 hinweisen.
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In F i g. 2 sind ferner schematisch abgebrochen dargestellte
Magnetpole 11 und 13 wiedergegeben, die sich längs des Kanals
10 erstrecken und zum Anlegen eines die Wände 12 und 14 und den Kanal
10
transversal durchsetzenden Magnetfeldes dienen. Seit-Ech reichen die Polschuhe,
nicht bis zu den Elektroden tragenden Wänden 16 und 18, um in der
Wänden Streuverluste des Magnetfeldes zu vermeiden, Bei einer Kanalwandausbildung
nach der Erfindung wird durch (yekühlte Zwischenkörper seitlich an den Wandblöcken
aus Isolierstoffen auch bei hohen Betriebstemperaturen im Generatorkanal in kühlen
Materialzonen die Isolatoreigenschaft aufrechterhalten. Die Zwischenkörper wirken
dadurch als Strombarrieren.
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Außerdem wird zwischen den Stirnseiten 37 dex Blöcke durch
Kühlen eine elektrisch schlecht leitende Gasschicht gebildet.
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Es ist verständlich, daß die Zwischenkörper 34 bzw. deren Teile,
35 anders als im Ausführungsbeispiel gestaltet werden können. Es kommt nur
darauf an, die Kanalwände zwischen den Elektroden zu mindestens zwei Blöcken aufzugliedern
und die Isolatorei-enschaft wenigstens in Zonen zu erhalten.
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SO können ganz allgemein Zwischenkörper bzw. Strombarrieren
nach der Erfindung zu Trennwänden oder für Stützwände zwischen Elektroden verschiedenen
Potentials verwendet werden. Man kann dabei z. B. an einen Generatorkanal mit mehreren
Strömungskanälen denken. Andererseits können zum Ausscheiden elektrischer Nebenwirkungen,
wie sie der Halleffekt darstellen kann, zusätzlich Strombarrieren nach der Erfindung
quer zur Richtung des Störpotentials verwendet werden. Nimmt man die Hallspannung
als Störpotential im Plasma bei einem in der Zeichnung dargestellten kastenförmigen
Generatorkanal mit einem Elektrodenpaar an, so können in den Kanalwänden senkrecht
zu den in der Zeichnung schon wiedergegebenen Zwischenkörpern weitere Zwischenkörper
angeordnet werden. Die Wandblöcke wären dann auch in Längsrichtung unterteilt vorzustellen,
und die inneren Blöcke würden durch Zwischenkörper von vier Seiten eingebettet.
Eine Unterteilung der Wandelemente durch Isolierung in Längsrichtung ist bei MHD-Generatoren
mit Hallspannung an sich bekannt.
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Für Generatorkanäle, in denen der Halleffekt die eigentliche Nutzleistung
erzeugt, können die Kanalwande ebenfalls erfindung gemäß aufgebaut werden. c> s
Bei ringförinigen Elektroden am Kanaleingang, und -ausgang wären die Kanalwände
durch ebenfalls ringförmig angeordnete Zwischenkörper elektrisch zu unterbrechen.
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Die erfindungsgemäßen Kanalwände sind nicht auf die dargestellten
Kanaltypen beschränkt, sondern können auch entsprechend bei Generatorkanälen mit
schraubenförmiger Bahn des Plasmas eingesetzt CI werden.