DE1283343B - Magnetohydrodynamischer (MHD-) Energiewandler - Google Patents

Description

• Magnetohydrodynamischer (MHD-) Energiewandler Magnetohydrodynamische Energiewandler, im allgemeinen kurz MHD-Energiewandler genannt, dienen zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie.
• Man geht dabei davon aus, daß in leitfähigen fluiden Medien, d. h. insbesondere in ionisierten Gasen, bei der Bewegung senkrecht zu den Feldlinien eines Magnetfeldes eine elektromotorische Kraft induziert wird. Um diese nutzbar zu machen, läßt man bei den bisher bekannten MHD-Energiewandlern ein auf Temperaturen von etwa 3000° C gebrachtes Gas, das somit Flammenleitfähigkeit besitzt, durch einen in gerader Richtung verlaufenden Kanal strömen, der im Luftspalt eines Elektromagneten angeordnet ist. Zur Gewinnung der elektrischen Energie ist bei diesen Energiewandlern auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Kanals je eine Elektrode vorgesehen. Die beiden anderen Begrenzungsflächen werden von Isolatoren gebildet. Zur Erzielung eines möglichst hohen Wirkungsgrades weist der Kanal eine erhebliche Länge auf. Mittels der bislang verwendeten MHD-Energiewandler mit herkömmlichen Elektromagneten konnte jedoch allenfalls eine magnetische Induktion erzielt werden, deren obere Grenze bei etwa 2 wb/m2 lag. Wie groß gleichwohl der erforderliche Materialaufwand war, erhellt daraus, daß für jeden Liter des Kanalvolumens ein Magnetgewicht von etwa 1 t erforderlich war. Materialaufwand und Erstellungskosten für die bisher bekannten MHD-Energiewandler waren demnach erheblich. Wegen der erforderlichen Kanallänge war außerdem der Raumbedarf sehr groß.
• Bekannt ist außerdem ein Generator, bei dem ein durchgewirbeltes Gas spiralenförmig durch ein Magnetfeld strömt (britische Patentschrift 928 836). Bekannt ist auch ein Generator, bei dem durch eine schraubenförmig um eine Achse durch ein axial homogenes Magnetfeld gerichtete Strömung zwischen zwei koaxial und konzentrisch angeordneten Elektroden ein elektrisches Feld erzeugt wird (»Die Technik«, H. 9, 1962, S. 627). Bei diesem Generator wird jedoch um eine zentral zum Gasstrom angeordnete Elektrode eine Wirbelströmung erzeugt, während das Magnetfeld parallel zur Zylinderachse gerichtet ist. Nachteilig ist bei diesen bekannten Generatoren, daß der Energieinhalt des durchwirbelten Gases nicht voll ausnutzbar ist.
• Zum Stand der Technik gehört weiterhin ein Generator, bei dem raumkurvenförmig ausgebildete Generatorkanäle mit rechteckigem Querschnitt angeordnet ; sind. Dabei sind zwei gegenüberliegende Kanalwandungen von koaxialen Elektroden und die beiden anderen Wandungen von einem isolierenden Werkstoff begrenzt (britische Patentschrift 953 487). Bei diesem bekannten Generator durchsetzt das radial gerichtete Magnetfeld die Kanäle von innen nach außen. Daher ist es erforderlich, jeweils zwei benachbarte Wandungen, nämlich die den beiden Eisenkernen des Generators benachbarten Wandungen der Kanäle, auf der für die Erzeugung des Magnetfeldes notwendigen niedrigen Temperatur zu halten.
• Zum Stand der Technik gehören auch MHD-Generatoren, bei denen das Magnetfeld mit Hilfe supraleitfähiger Magnetspulen erzeugt wird (»High Magnetic Fields«, T. R. No. 23/1962). Dadurch wird das Magnetgewicht auf einen Bruchteil des Magnetgewichtes herabgesetzt, das für Elektromagnete von MHD-Energiewandlern der bisher bekannten Bauart erforderlich war. Diese Maßnahme führt zu einer wesentlichen Verringerung des erforderlichen Raumbedarfs. Gleichwohl beanspruchen die bisher bekannten MHD-Energiewandler noch einen verhältnismäßig großen Raum.
• Aufgabe der Erfindung ist es, einen MHD-Energiewandler zu schaffen, der einen hohen Wirkungsgrad besitzt, gleichwohl aber einen geringen Materialaufwand erfordert und einen verhältnismäßig kleinen Raum beansprucht.
• Diese Aufgabe wird bei einem bekannten Energiewandler mit einem in einem axialen, homogenen Magnetfeld raumkurvenförmig geführten, vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt aufweisenden Kanal zur Führung eines leitfähigen Mediums, bei dem zwei gegenüberliegende Kanalwandungen von koaxialen Elektroden und die beiden anderen Wan- Jungen von einem isolierenden Werkstoff begrenzt sind, gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Kanal wendelförmig um die Achse des Magnetfeldes verläuft und die den Umfang der Gesamtheit der Kanalwindungen begrenzende Zylinderwand die eine und ein auf der gegenüberliegenden Kanalwand aufliegendes Band die andere Elektrode bilden.
• In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen MHD-Energiewandlers mit einem in dem Innenraum einer Magnetspule wendelförmig ausgebildeten Kanal schematisch dargestellt. Es zeigt F i g. 1 den neuen MHD-Energiewandler mit einer in der Mantelfläche eines Hohlzylinders angeordneten Wendel im Schnitt, F i g. 2 eine andere Ausführungsform der Kanalführung bei dem neuen MHD-Energiewandler im Schnitt.
• Wie aus F i g. 1 hervorgeht, tritt das leitfähige gasförmige Medium bei 1 in den Kanal 2 ein. Der Kanal 2 verläuft wendelförmig in dem Innenraum der ihn koaxial umfassenden Magnetspule 3. Dabei ist die Wendel so geführt, daß das den Kanal durchströmende gasförmige Medium mit der für die Praxis erforderlichen Genauigkeit senkrecht zu dem Vektor der magnetischen Induktion 2. verläuft. Drei aneinandergrenzende, vorzugsweise U-förmig ausgebildete Wandflächen des Kanals 2 liegen - wie aus der Zeichnung hervorgeht - in der Mantelfläche eines hohlzylinderförmigen, aus an sich bekanntem, isolierendem Werkstoff bestehenden Körpers 7. Die Magnetspule 3 ist unter Verwendung von aus supraleitendem Werkstoff bestehendem Draht oder sonstigen für Supraleiter zweckmäßigen Körperformen gebildet. Die Spule 3 wird, was in der Zeichnung nicht dargestellt ist, mittels einer an sich bekannten Einrichtung auf der für die Supraleitfähigkeit erforderlichen Temperatur gehalten. Durch die Verwendung von Supraleitern für die Magnetspule wird das Magnetgewicht auf etwa ein Zweihundertstel des Magnetgewichts herabgesetzt, das für Elektromagneten von MHD-Energiewandlern der bisher bekannten Bauart erforderlich war.
• Nach Durchströmen des Kanals 2 tritt das gasförmige Medium bei 4 aus dem Kanal 2 aus und wird beispielsweise einem in der Zeichnung nicht dargestellten Wärmeaustauscher zugeführt. Durch das von der Magnetspule 3 erzeugte Magnetfeld wird in dem durch den Kanal strömenden elektrisch leitenden gasförmigen Medium eine elektromotorische Kraft ; induziert. Diese elektromotorische Kraft wird durch eine an der zylinderförmigen, die eine Kanalseite bildenden Mantelelektrode 5 und an der auf der gegenüberliegenden Fläche des Kanals 2 aufliegenden bandförmigen Elektrode 6 liegenden, in der ; Zeichnung nicht dargestellten Last nutzbar gemacht. In F i g. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Energiewandlers dargestellt. Dabei werden die beiden seitlichen Wandungen des Kanals 2 aus den wendelförmigen koaxialen Elektroden 8 und 9 gebildet. Als Werkstoff für die Elektroden wird zweckmäßig Tantal verwendet. Doch ist es selbstverständlich auch möglich, einen sonstigen geeigneten Werkstoff zu verwenden. Der obere und der untere Rand der Elektroden 8 und 9 sind zur Bildung von Auflagen für den die obere und untere Kanalbegrenzung bildenden temperaturfesten Isolator 10 im rechten Winkel abgebogen. Isolator 10 und Elektroden 8 und 9 sind mittels einer an sich bekannten Metall-Keramik-Verbindung fest miteinander verbunden. Der besondere Vorzug dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen MHD-Energiewandlers liegt darin, daß zwei Kanalwindungen jeweils eine gemeinsame Keramikwandung besitzen. Ein weiterer beachtlicher Vorteil besteht ferner darin, daß; wie ohne weiteres erkennbar, der Kanal aus verhältnismäßig kleinen Bauelementen zusammensetzbar ist, so daß MHD-Energiewandler mit den erfindungsgemäßen Merkmalen in jeder zweckmäßigen Größe herstellbar sind.

Claims (2)

1. Patentansprüche: 1. MHD-Energiewandler mit einem in einem axialen, homogenen Magnetfeld raumkurvenförmig geführten, vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt aufweisenden Kanal zur Führung eines leitfähigen Mediums, wobei zwei gegenüberliegende Kanalwandungen von koaxialen Elektroden und die beiden anderen Wandungen von einem isolierenden Werkstoff begrenzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal wendelförmig um die Achse des Magnetfeldes verläuft und die den Umfang der Gesamtheit der Kanalwindungen begrenzende Zylinderwand die eine und ein auf der gegenüberliegenden Kanalwand aufliegendes Band die andere Elektrode bilden.
2. 2. MHD-Energiewandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung von aus supräleitendem Werkstoff gebildeten Magnet, spulen, die auf der für die Supraleitfähigkeit erforderlichen Temperatur gehalten sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Britische Patentschriften Nr. 122173, 928 836, 953 487; »Die Technik«, 1962, H. 9, S. 627; »Technische Rundschau«, 1962, Nr. 23, S.9 bis 13; »High Magnetic Fields«, published by the M. I. T. Press and John Wiley & Sons, Inc., New York-London.