DE1463836A1

DE1463836A1 - Magnet-hydrodynamischer Generator,der ein Stroemungsmedium mit nicht gleichmaessiger Temperatur ausnutzt

Info

Publication number: DE1463836A1
Application number: DE19641463836
Authority: DE
Inventors: Pierre Ricateau; Pierre Zettwoog
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1963-03-29
Filing date: 1964-03-25
Publication date: 1969-10-09
Also published as: LU45670A1; US3363120A; GB1063621A; FR1360382A

Description

Magnethydrodynamischer Generator, der ein Strömungsmedium mit nicht gleichmäßiger Temperatur ausnutzt Die Erfindung bezieht sich auf einen magnet-hydrodynamischen Generator, der ein Strömungsmedium mit nicht gleichmäßiger Temperatur ausnutzt. Bei einem solchen Generator handelt es sich um eine Einrichtung, die erst in neuerer Zeit entwickelt wurde und die dazu bestimmt ist, die mechanische Energie eines sich in Bewegung befindlichen Strömungsmediums in elektrische Energie umzuwandeln. Das Wirkungsprinzip derartiger Generatoren ist einfach; das verwendete Strömungsmedium strömt durch einen Bereich hindurch, in dem ein magnetisches Feld mit einer zur StrÖmungsricntung des Mediums senkrechten Richtung geschaffen wird, und innerhalb dieses Bereiches fest angeordnete Elektroden nehmen den Strom ab, der durch die Wirkung des magnetischen Feldes auf das strömende Medium in diesem nach bekannten elektromagnetischen Gesetzen erzeugt wurde. Es ist unmöglich, eine derartige Anordnung auszunutzen, wenndas verwendete Strömungsmedium nicht von sich aus elektrisch leitend ist oder elektrisch leitend gemacht wurde. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf solche Bauarten von magnet-hydrodynamischen Generatoren, bei' denen das Strömungsmedium ein sehr hoch erhitztes Gas ist, das einem thermodynamischen Vorgang oder Zyklus unterworfen wird, in dem die thermische Energie des Gases in mechanische Energie verwandelt wird, die sich dann ihrerseits in der Anordnung in elektrische Energie umwandeln läßt.

Eine derartige Einrichtung kann auch magnet-hydrodynamischer Umformer - abgekürzt M.H.D.-Umformer - genannt werden. Die praktische Ausführung derartiger Umformer stellt eine schwer zu lösende Aufgabe, und zwar die möglichst weitgehende Erhönung der elektrischen Leitfähigkeit der benutzten Gasmischung. Unter Berücksichtigung der Betriebsbedingungen derartiger Einrichtungen wird man veranlaßt, der Gasmischung einen kleinen Anteil eines Akali-Elements mit niedrigem Ionisationspotential zuzugeben. Man benutzt beispielsweise ein durch Verbrennung industrieller Kohlenwasserstoffe erhaltenes Gasgemisch, in dem Kalium oder eine seiner Verbindungen dispergiert werden; das molekulare Verhältnis des Zusatzes beträgt etwa 1 %. Man kann auch als Gas Helium und als Zusatz Cäsium, verwendenx wobei das atomare Verhältnis ebenfalls etwa 1 % ist. Diese Mischungen, die bei niedrigen Temperaturen nicht leitend sind, werden bei hohen Temperaturen wegen der zunehmenden Ionisierung des Alkali-Blements verhältnismäßig gut leitend. Außerdem kann man die elektrische Leitfähigkeit des Gases durch zusätzliche Ionisationsmittel, wie die Anwendung eines Gleich- oder Hochfreguenzfeldes oder eine Bestrahlung mit Elektronenstrahlen, erhöhen. Unabhängig von der angewendeten Maßnahme und unter Berücksichtigung der Betriebsbedingungen eines M. H. D. -Umformers muß das Gas auf eine hohe Temperatur in der Größenordnung von 3 000° K, gebracht werden. Diese Bedingung bringt zahlreiche und große Schwierigkeiten in der

praktischen Ausfülrder Umformer sowie eine Begrenzung

ihres Wirkungsgras mit eich.

lfenn das benutzte Gas während seines Hindurehführens '

durch eine Brennkammer erhitzt wird, kann man nicht die not-

wendigen.Temperaturen erreichen, indem man normale Brennstoffe

unter wirtschaftlichen Bedingungen verbrennt. Wenn das Gas

ein inertes Gas ist, muß ihm die Wärmeenergie über einen Wärmetauscher zugeführt werden, dessen Konstruktion schwer zu lösende Aufgaben mit sich bringt. Die Wände des Umformers, die Elektroden und die anderen der Einwirkung der Gase ausgesetzten Bauteile müssen schweren Bedingungen genügen, die oft noch gegensätzlicher Art sind; diese Teile können leicht und schnell zerstört werden. Schließlich führt die Umwandlung der mechanischen Energie des Gases in elektrische. Energie zu einer Verringerung der Enthalpie, die genau begrenzt werden muß, damit das dabei auftretende Absinken der Temperatur des Gases keine zu starke Verringerung der Gas-Zeitfähigkeit hervorruft; diese Bedingung begrenzt den Wirkungsgrad der Umformer. Professor THRING hat in einem Aufsatz aus "Journal of the

Institute of Fuel" 1960, Nr.33 - p. 293, eine teilweise Lösung

für die soeben erwähnten Schwierigkeiten vorgeschlagen. Sie besteht darin, die Temperatur des Gases nach einem im wesentlichen periodischen Gesetz in Abhängigkeit von der Zeit zu ändern, und zwar an irgendeinem Punkt des Umformer-Strömungskanals. Unter diesen Bedingungen bewegen sich "Temperaturwellen" in den Kanal oder der Gasführung mit der Strömungsgeschwindigkeit des Gases. Die Fig. 1 versinnbildlicht in stark vereinfachter Form das Gesetz der Verteilung der Temperatur in der Gasführung 1, in der die Umwandlung der Energie bei einem nach THRING verbesserten M.H.D.-Generator erfolgt. Man kann in dieser Gasführung heiße Zonen (gestrichelte Zonen AB, CD, EF) mit einer höheren Tempera-

tur als der mittleren Temperatur P des Gases und "kalte" Zonen

(nicht gestrichelte Zonen B0, DE) unterscheiden, in denen die

Gastemperatur tiefer als & ist. Es ist darauf hinzuweisen, daß

wegen der Vereinfachung der Darstellung die Grenzen zwischen den Zonen als senkrecht zur Achse der Gasführung liegende Ebenen dargestellt wurden; selbstverständlich sind tatsächlich die Grenzen mehr oder weniger entsprechend den Strömungsbedingungen des Gases verformt und außerdem sind sie auch nicht genaue, flächenhaft definierte Grenzen. Natürlich bewegen sich diese Temperaturzonen mit der gleichen Geschwindigkeit wie das Gas. Eine solche "Modulation" der Temperatur ist vorteilhaft, denn wenn die heißen Zonen auf sehr hoher Temperatur gehalten werden, gestatten. sie wegen ihrer ausgezeichneten Leitfähigkeit.das Hindurchfließen des Stromes, während die als "kalt" bezeichneten Zonen einen wesentlichen Anteil ihrer Enthalpie in Form elektrischer Energie verlieren können. Unter diesen Bedingungen kann die mittlere scheinbare Leitfähigkeit des Gases trotz einer wesentlichen Abgabe an Enthalpie verhältnismäßig groß sein; die mittlere Temperatur ist jedoch ausreichend niedrig, um die bereits erwähnten Nachteile zu vermeiden, welche durch die schweren Temperaturbeanspruchungen verursacht sind, denen die Elemente eines M.H.D.-Generators normaler Bauart unterworfen sind. Die nach dem Vorschlag von Professor THRING verbesserten M.H.D.-Generatoren enthalten in Verbindung mit demjenigen Bauteil der Einrichtung, in dem die Gase durch Verbrennung auf hohe Temperatur gebracht werden, Mittel zur Einspeisung des Brennstoffes in pulsierender Folge. Diese Methode der Modulation der Temperatur des Gases hat keine nennenswerte Weichheit oder Elastizität; sie bedingt die Verwendung von empfindliehen Organen und die exakte Einstellung dieser Organe ist schwierig. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einfache Mittel für die Modulation der Temperatur des ih einem M.H.D.-Umformer verwendeten Gases zu schaffen, die nicht nur einfach, sondern auch neu sind, sich leicht betrieblich anwenden lassen und die Betriebsweise des Umformers stabil halten. Bin Umformer dieser erfindungsgemäß verbesserten Bauart ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß er zwischen dem Organ, in dem das verwendete Gas auf hohe Temperatur gebracht wird, bis es leitend geworden ist, und dem Einlaß in den Bauteil, in dem die Energieumwandlung erfolgt, eine Vorrichtung zur Modulierung der Temperatur des betreffenden Gases durch elektrische Beheizung ohne Verwendung eines Lichtbogens enthält, die in mehreren Abschnitten dieser Vorrichtung in dem Gas relativ heiße und relativ kalte Zonen erzeugt, wobei die Heizleistung nur ein kleiner Bruchteil der Energie des strömenden Gases ist. Die Gastemperatur-Modulationseinrichtung ist weiterhin dadurch bemerkenswert, daß sie eine geradzahlige Anzahl von Elektroden enthält, die jeweils gleichmäßig je zur Hälfte an jeder Seite des Gas-Strömungsweges und in regelmäßigen Abständen längs dieses Strömungsweges angeordnet sind. Diese Elektroden sind mit einer Gleichstromquelle über einen Umschalter oder mit einer Wechselstromquelle der Frequenz f verbunden, die entweder einphasige oder mehrphasige Spannungen liefert; der Abstand p zwischen einander benachbarten Elektroden ist derart bestimmt, daß unter Berücksichtigung der Kommutationsfrequenz der Gleichstromquelle oder der Frequenz f der Wechselstromquelle irgendeine in Bewegung befindliche Zone des Gases stets einem elektrischen Feld mit im wesentlichen konstanter Amplitude (Absolutwert) ausgesetzt ist. Der Wechsel- oder Gleichstromgenerator und die Gastemperatur-Modulationsvorrichtung, die der Generator speis-, können eine sehr, starke Modulation der Leitfähigkeit des Gases bewirken,. Wahlweise kann man aber auch ein komplexes Modulations-Organ verwenden, das zwei Teile aufweist, von denen der erste Teil gleich der bereits beschriebenen Modulationsvorrichtung ist, während der zweite Teil zwei Elektroden enthält, die einander gegenüber an den Seitendes Gasströmungsweges sitzen und mit Gleichstrom gespeist werden. Unter diesen Bedingungen kann der zweite Teil der Modulationsvorrichtung vorzugsweise

entweder seinem Gleichstromgenerator oder von dem Umformer-

Organ Abe X.g.D.-Generators gespeist werden.

Blei einem Generator gemäß der Erfindung hat das elek-

trisch leitende, aus der Modulationseinriehtung austretende

Gas eineNmodulierten Temperatur, denn die Zonen dieses Gases,

die innerhalb der Gasströmung in zeitlicher Folge auftreten,

sind einem hohen elektrischen Feld (AB, Fig. 1) unterworfen und werden infolgedessen durch den JOULE-Effekt erhitzt, während diejenigen Zonen, die nur einem schwachen elektrischen Feld oder überhaupt einem solchen Feld unterworfen werden (BC) nicht oder nur sehr wenig erhitzt wurden. Einer der Vorteile der Erfindung liegt darin, daß die Größe oder der Betrag der Temperaturmodulation verhältnismäßig gering sein und beiepielsweisa für eine mittlere Gastemperatur von 2 700° C nur eine größte Differenz von etwa 100° 0 darstellen kann. Wegen der nicht linearen Abhängigkeit zwischen der Temperatur und der Leitfähigkeit ist tatsächlich die Modulation der Leitfähigkeit gleich dem Zehnfachen des Nodulationagrades der Temperatur. Daraus folgt: Wenn das Gas anschließend einem gleichbleibenden elektrischen Feld in dem Umformerorgan ausgesetzt wird, werden die durch den JOULE-Effekt bedingten Verluste in den Zonen AB ganz wesentlich größer sein, als in den Zonen BC. Die Temperaturdifferenz zwischen den beiden unterschiedlichen Temperaturzonen neigt also dazu, sich zu erhöhen, was schnell zu einer lawinenartigen Steigerung führt; die Zonen AB werden allein beheizt und die Zonen BC erhalten praktisch keine Wärmezufuhr. Diese selektive Beheizungswirkung wird in dem Umformer-Organ ausgenutzt; man kann nämlich - unter Berücksichtigung der in diesem Umformer-Organ unvermeidlichen Verluste aufgrund des JOULE-Effektes - der Gasführung ein solches bestimmtes Profil geben, daß die heißen Zonen AB nach Entspannung oder Ausdehnung auf einer hohen Temperatur in der Größenordnung von 3 000° K gehalten werden, die eine ausreichende mittlere Leitfähigkeit gewährleistet. Das gleiche Resultat kann erhalten werden, wenn man das "Gesetz" der Entnahme der elektrischen Leistung über die Länge dieser Gassführung bestimmt. Mit anderen dorten gesagt: Man weiß, daß in jeder magnethydrodynamischen Vorrichtung die elektrischen Verluste vor allem dort auftreten, wo die Leitfähigkeit des Strömungsmediums am :nächsten ist, was wiederum die eniperatur erhöht; da dieses Phänomen eine neue Erhöhung der Leitfähigkeit hervorruft, genügt es also, um die gewünschten Bereiche oder "Abschnitte" in der heißen GasstrUinung in leitende und nicht leitende Zonen zu unterteilen, die Temperatur des eintretenden Gases nur verhältnismäßig wenig zu modulieren, ohne es bis zum Auftreten von Lichtbogenentladungen kommen zu lassen.

Für die Durchlirect4ung des Wirkungsgrades des Umformers muß

natürlich die von der Modulationsvorrichtung verbrauchte elektrische Energie in Rechnung gestellt werden. Es läßt sich aber zeigen, daß die elektrische Energie, die zu der Temperatur-Modulation des Gases verbraucht wird, im Verhältnis zu der von dem Gas transportierten Energie nur. klein ist. Anderseits ist die zulässige Erhöhung der Energie in einer Leitungsführung mit bestimmtem Volumen ganz wesentlich größer als der Energieverlust, den man für die Modulation noch zulassen kann. Einer der Vorteile des komplexen Modulators, wie er nach einer Variante der Erfindung benutzt wird, beruht auf der Tatsache, daß die Leistung für das Speisen des zweiten Teiles dieses Modulators vorzugsweise eine stetige Leistung ist, so daß es sich als bequem erweist, für die Speisung dieses Teiles das Umformer-Organ des magnethydrodynamischen Umformers selbst zu benutzen. Außer diesen hauptsächlichen erfindungsgemäßen Anordnungen oder Maßnahmen umfaßt die Erfindung weitere sekundäre Merkmale, die im folgenden erwähnt werden und insbesondere die Verbindungen oder die Anschlüsse der Elektroden des Modulators mit der Stromquelle betreffen. Um die Vorteile und die technischen Kennzeichen des erfindungsgermäßen magnethydrodynamischen Generators besser zu zeigen und leichter verständlich zu machen, werden im folgenden mehrere Ausführungsbeispiele des Modulators beschrieben; es dürfte selbstverständlich sein, daß diese Beispiele die Erfindung weder hinsichtlich der Ausführungsform und Gestaltung noch in bezug auf ihre Anwendungsmöglichkeiten einschränken. In der Zeichnung zeigen neben der bereits oben erwähnten Fig. 1: Fig. 2 einen erfindungsgemäßen M.H.D.-Umformer in ganz schematischer Darstellung; Fig. 3 bis b Schaltungen von vier Modulatoren, die in den M.H.D.-Umformer der Fig. 2 eingebaut werden können; diese Schaltungen zeigen unterschiedliche Verbindungsarten der Modulations-Elektroden mit einphasigen oder dreiphasigen Wechselstromgeneratoren, wobei der Anschluß entweder unmittelbar oder über Gleichrichter erfolgt; Fig. 7 und 8 Schnitte in axialen Längsebenen und Querebenen durch einen Modulator, der aus zwei gesonderten, wesentlichen Teilen besteht; Fig. 9 einen Querschnitt durch den Modul ator nach den Fig. 7 und 8; der Schnitt verläuft längs der Schnittlinie a - a der Fig. 7. Bei dem M.H.D.-Generator 2 nach der Fig. 2 wird ein Gas, das seine thermische Energie in mechanische Energie verwandelt, einem thermodynamischen Vorgang oder Kreisprozeß unterworfen; die mechanische Energie des Gases wird in elektrische Anergie umgewandelt. Das von einer heißen Quelle 3 gelieferte Gas wird in der Brennkammer 5, welche die Form einer langgestreckten Düse hat, auf eine hohe Temperatur gebracht und sodann durch eine Temperatur-Modulationsvorrichtung 6 gemäß der vorliegenden Erfindung hindurchgeführt. Nach dem Durchstrtömen des Modulators enthält das heiße Gas Zonen, deren Temperatur jeweils abwechselnd relativ hoch und relativ niedrig ist; diese Zonen sind entsprechend der schematischen Darstellung der bereits erläuterten Fig. 1 verteilt. Das aus dem Modulator kommende Gas wird in das Umformerorgan 7 hineingeleitet. Die Elektroden des Modulators sind mit den Klemmen eines Spannungsgenerators 8 verbunden, der die Modulationsenergie liefert. Dieser Generator erzeugt

eine Wechselspannung geeigneter Frequenz odeeystellt selbst

eine Gleichspannung her; im letzteren Fall ist dem Generator ein Umschalter oder Kommutator zugeordnet. Die Elektroden müssen an den Generator derart angeschlossen werden, daß in dem Durchflußkanal des Modulators "Wellen" eines elektrischen Feldes in der Richtung der Bewegung des Gases voranschreiten und die gleiche Geschwindigkeit wie das Gas aufweisen. Dies bedingt eine bestimmte Beziehung zwischen der Frequenz des Wechselstromgenerators, dem Abstand zwischen den Mitten der Elektroden (oder dem Elektroden-Teilungsschritt) und der Geschwindigkeit des Gases. Wenn die Geschwindigkeit des Gases sich zwischen dem Einlaß und dem Auslaß des Modulators ändert, muß der Elektroden-Teilungsaehritt auch derart unterschiedlich sein, daß die obige Beziehung überall gili. Der Ausdruck "bewegliche Welle" des elektrischen Feldes wurde in Analogie mit dem Ausdruck "Welle einer elektromotorischen Kraft" benutzt, wie er bei der Schilderung der Wirkungsweise von umlaufenden Maschinen für Wechsel- oder Drehstrom verwendet wird. Diese Analogie läßt überdies die Erwähnung eines "Synchronismus" noch klarer oder zweckmäßiger erscheinen, es ist jedoch klar, daß die Welle des elektrischen Feldes sich nicht der Sinusform nähert oder ihr entspricht, wie bei einer Vorrichtung, welche an einem Mehrphasengenerator mit großer Phasenzahl angeschlossen ist und einen engen Durchströmkanal aufweist. In der Mehrzahl der Fälle ist die Verteilung des elektrischen Feldes nicht sinusförmig; man kann jedoch stets erreichen, daß die Zonenabschnitte des Gases nach Art des Abschnitte AB der Fig. 1. vor den aufeinanderfolgenden Elektroden in demjenigen Augenblick hindurchlaufen, in dem das elektrische Feld hoch ist, und daß die Zonenabschnitte BD dort in demjenigen Augenblick vorbeiströmen, in dem das elektrische Feld Null oder nur schwach ist. Diese Ausdehnung des Begriffes des "Synchronismus" bleibt selbst dann gültig, wenn eine Speisung aus einem Einphasengenerator oder einem mit Kommutierung oder wechselweiser hin- oder Umschaltung arbeitenden Gleichstromgenerator erfolgt; sie führt zu einer Beziehung zwischen der Frequenz, der Teilungsschrittweite der Elektroden und der Gesciiwiiidir."keit des Gases in der gleichen Art, wie die Auffassung der beweglichen Wellen. Um diese beweglichen Wellen zu erzeugen, sind zahlreiche Verfahren möglich, bei denen Generatoren und gegebenenfalls diesen Gener,toren zugeordnete Gleichrichter verwendet werden. Die Fig. 3, 4, 5 und 6 zeigen die Art der Anschlüsse und Verbindungen für vier unterschiedliche Modulatoren.

Die Modulationseinrichtung nach Fig. 3 enthält vier Paare von Elektroden, 10, 12; 14, 16; ... die jeweils beiderseits der Gasströmung (Pfeil 17) angeordnet und gleichmäßig längs der Achse des Modulators verteilt sind. Die Gruppe von Elektroden 10, 14 usw. sowie die Gruppe der Elektroden 12, 16 usw sind mit den beiden Klemmen eines einphasigen Wechselstromgenerators 18 der Frequenz f verbunden. Der räumliche Abstand p zwischen den in Strömungsrichtung des Gases aufeinanderfolgenden Elektroden ist an die Geschwindigkeit v des Gases und an die Frequenz f durch die Beziehung p = v/2f derart gebunden, daß eine gleiche Zone des Gases zwischen den aus aufeinanderfolgenden Elektrodenpaaren hindurchströmt, während das zwischen diesen Elektroden geschaffene elektrische Feld im wesentlichen die gleiche Amplitude (absolut genommen) hat. Die Kurve 20 gibt die Form des elektrischen Feldes in dem Modulator wieder, wenn die von dem Wechselstromerzeuger 18 gelieferte Spannung ihre maximale Amplitude (Absolutwert) hat. Der Modulator gestattet es, heiße und kalte Zonen in der Weise zu schaffen, daß die Summe ihrer Breiten LC und LF gleich p ist. Der Modulator nach r'ig. 4 entspricht dem der Pig. 3 und überdies tragen alle einander gleichen oder wirkungsmäßig einander entsprechenden Hauelemente die gleichen bezugszeiehen. Die Elektroden sind mit den Klemmen des Wechselstromgenerators 18 über Gleichrichter 22, 24, 26, 28 verbunden. Unter den gleichen Voraussetzungen wie oben muß hier immer noch gelten v = 2fp. Die Kurve 30 zeigt den Verlauf des elektrischen Feldes in dem Modulator, wenn die Gleichrichter 22 bis 24 leitend sind und die Amplitude (im Absolutwert) dieses Feldes ihren Höchstwert hat. Der Modulator gestatret es, heiße und kalte Zonen in den Gas zu schaffen, so daß LC + LF = 2p. Bei den Modulator nach Fig. 5 ist die Spannungsquelle ein dreiphasiger Drehstromgenerator 32 in Sternschaltung und mit der Frequenz f ; auf einer der Seiten der Strömungsbahn des Gases ist nur eine einzige Elektrode 34 angeordnet und mit dem neutralen Sternpunkt des Generators verbunden. Die Elektroden 3b, 38, 40, 42 und 44, die an der anderen Seite des Gasströmungsweges liegen, sind entsprechend ihrer Bezugszeichen-Nummernfolge längs des Strömungsweges angeordnet und an die unterschiedlichen Phasen des Generators angeschlossen. Entsprechend den früheren Angaben ist die Strömungsgeschwindigkeit v = 3fp und LC + LF = 3p. Der Modulator nach Fig. 6 hat die Elektroden 46, 48, 50, 52 und 54 auf einer Seite des Gasströmungsweges und die Elektroden 56, 5b, 60, 62 und 64 auf der anderen Seite dieses Strömungsweges. Man erkennt, daß die ylektroden der zweiten Gruppe um die aälate des Llektrodenabstandes gegenüber den Ilektroden der ersten Gruppe in Strömungsrichtung versetzt sind. Nach ihrer zahlenmäßigen Ordnung sind sie über Gleichrichter mit den Phasen eines Drehstromgenerators 66 der Frequenz f verbunden, der seinerseits im Dreieck geschaltet ist. Auch hier gilt v = 3fp und LC +LF = 3p. Die Kurvendarstellung 68 zeigt den Verlauf des elektrischen Feldes in dem Modulator, wenn die die Elektroden 46 und 52 speisenden Gleichrichter leitend sind. Es wird nun noch ein Modulator (Fig. 7,8,9) beschrieben, der eine Variante der Erfindung darstelltund mit Verbrennungsgasen arbeitet, die durch Verbrennung von Leucht-Petroleum (kérosène) entstehen. In der ersten Stufe strömen die Gase durch einen im Querschnitt rechteckigen Kanal 7U. Dieser Kanal hat einen gleichbleibenden Querschnitt. Die Wände der großen Seiten des Kanalquerschnitts tragen die Elektroden 72, welche sich über die ganze Höhe des Kanals erstrecken und voneinander durch Abstandsstücke 74 getrennt sind, welche den elektrischen Strom nicht leiten. Die Einrichtung zur Erzeugung des elektrischen Feldes entspricht der Einrichtung nach Fig. 6. Die an der einen Seitenfläche des Kanals engeordneten Elektroden sind ,gegenüber den an der anderen Seitenfläche liegenden Elektroden derart in Strömungsrichtung versetzt, daß eine Spannungswelle von der Eimalß- zur Auslaßseite mit der Strömungsgeschwinaigkeit des Gases fortschreitet, wenn die Elektroden von einer Wechselstromquelle mit geeigneter Frequenz gespeist werden. Die Elektroden '(2 können Platten aus 2;irkon sein, die durch ihre Berührung mit dem heißen Gas auf eine Temperatur in der Größenordnung von 2 200° K aufgeheizt werden. Die Strom-Anschlüsse, welche diese Zirkonplatten reit dem Stromzuleitungskabel verbinden, können aus einer Folie aus hochhitzebeständigem Metall 76 (Fig. 9) bestehen, das durch Aufspritzen auf die Rückseitenfläche des gegebenenfalls mit Zähnen versehenen Zirkons niedergeschlagen ist, wobei die Zähne das feste Haften oder Verankern dieses Metalls auf dem feuerfesten Material sichern. Ein Verbindungsleiter 78 aus dem gleichen hochhitzebeständigen Metall verbindet die Folie mit der Anschlußklemme. Die Abstandsstücke 74 zwischen Elektroden können aus einer Aufschichtung von Zirkonplättchen bestehen, deren Plättchenebenen senkrecht zur Achse der Strömung liegen; ein solcher Aufbau verringert die elektrische Leitfähigkeit senkrecht zu der Plattenschichtung. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß die Gleichrichter (Fig. 6) für die Speisung jeden Stromschluß zwischen Elektroden der gleichen Kanalseitenfläche verhindern, so daß eine große Toleranz in der Qualität der Isolation der Abstandsstücke gegeben ist. An seinen beiden anderen Flächen ist der Kanal durch Zirkon-Bausteine 8U begrenzt, die durch eine wesentlich kräftigere Kühlung als Isolatoren wirken, beispielsweise durch eine Kühlung mit Luft durch die Leitungen 82, die sodann, als Verbrennungsluft benutzt wird. Es genügt, wenn diese Wände auf einer Temperatur von etwa 1 60ü° K gehalten werden, damit ihre Festigkeit ausreichend ist. Hinter den Elektroden wird im Gegennetz zu der oben erwähnten Kühlung ein Abströmen der Wärme durch eine wärmeisolierende Abdeckung 84 vermieden, die beispielsweise aus Sillimanit mit hoher Porosität besteht und an deren Rückseite zur Verstärkung Isolierbausteine 86 angeordnet sind. Die Dicke dieser Isolation wird so gewählt, daß die rückwärtige Fläche der Elektroden auf einer Temperatur in der Größenordnung von 1 800° K gehalten wird. Die gesamte Anordnung in der ersten Stufe ist in eine Metall-Ummantelung aus nicht oxydierendem Stahl 88 eingebaut, durch die dichte Durchführungen 90 für die Stromzufuhr hindurchgehen. Die Ummantelung kann durch eine Wasser-Umlaufkühlung 92 und eine äußere Belüftung 94 gekühlt werden. Eingeeignetes Gerüst aus Profilen hält den ganzen Isolier- und Bausteinaufbau zusammen und sichert seine Lage. Die zweite Stufe 96 des Modulators (Fig. 7) ist in ähnlicher

Weise aufgebaut; ihr Querschnitt verändert sieh aber von der

hu,laßseite bis zur Einlaßseite. Die Elektroden 98 erstrecken

sich über .die gesamten trapezförmigän Seitenflächen; es sind

keine isolierenden Abstandsstücke vorgesehen. Die Elektroden be-

stehen aus aneinander anschließenden und auf gleichem Potential

befindlichen Stücken aus Zirkon und sind mit ,Anschlüssen ver-

sehen, deren Ausführung die gleiche ist, wie bei den Anschlüssen

in der ersten Stufe. iui ihrer hückseite sind aie zlektroden

thermisch durch eine Abschirmung aus Sillimanitziegeln hoher

Porosität isoliert, die wiederuni durch Isolierbausteine ver-

stärkt ist. Auch die isolierenden Wände 100 bestehen aus Zirkon-

Bausteinen, die durch eine innere Luft-Durchlaufkühlung gekühlt

werden. Das ganze befindet sich in einem dichten Gehäuse aus nicht oxydierendem Stahl, das wie das vorher beschriebene Ummantelungsgehäuse ausgeführt ist. Jeder der Räume des Modulators hat an seinen Auslaß- und-Einlaßenden Verbindungsflansche, welche es gestatten, sie miteinander und mit den Gehäusen des Brenners und des Umformers zu verbinden. Nach einer zusammenfassenden Beschreibung einer Modulations-Gasführung sei noch unterstrichen, daß man bei der Ausbildung dieser Vorrichtungen Probleme hinsichtlich des Materials und der Konstruktion zu lösen hat, welche denjenigen Problemen entsprechen, denen man bei den klassischen M.H.D.-Umformern begegnet. Dennoch sind bei den erfindungsgemäß ausgebildeten Umformern die Temperaturbedingungen weniger schwer, weil das Verfahren der Modulation der Temperatur angewendet wird. Die Materialien und die Konstruktionen, die bei einem gewöhnlichen M.H.D.-Generator geeignet sind, lassen sich demnach ohne weiteres für den soeben beschriebenen Modulator verwenden. Zur Vervollständigung der Beschreibung werden nun die Haupt-Kenndaten der elektrischen Vorrichtungen angegeben, die zur Verwendung kommen, und auch die Kenndaten der Gasströmung. A.) Kenndaten des Drehstromgenerators zur Speisung der ersten Stufe

Leistung 61 Megawatt (MW)

Frequenz 1000 Hz

Spitzenspannung 3500 Volt-

Die Länge LC + LF der Temperatur-"Welle", die durch den Drehstromgenerator erzeugt wird, beträgt 1 m; der relative Temperaturanstieg bis zum Auslaß der ersten Stufe ist 10 %. B.) Kenndaten der Speisung der zweiten Stufe mit Gleichstrom

Leistung 250 MW

Spannung 1350 Volt

Diese Spannung von 1350 Volt erscheint an den Ausgangsklemmen des M.H.D.-Umformers selbst. Die stetige Vergrößerung des Strömungsquerschnitts in dieser Stufe gestattet es, den Druck, die Strömungsgeschwindigkeit und die Temperatur in den "kalt"-bleibenden Zonen des Gases unverändert zu halten. Die Temperaturen der "kal ten", Zonen am Auslaß der zweiten Stufe betragen 2600o K, die Temperaturen der heißen Zonen am Auslaß der zweiten Stufe 3200° C.) Kenndaten der Gasströmung

Massendurchsatz 575 kg/sec

thermische Leistung 2840 MW

Bedingungen nach der Verbrennung:

Druck 20 at

Temperatur 2750° K

Enthalpie. 115u kcal/kg = 4,8 MJ/kg

Bedingungen nach isentropischer Entspannung am Einlab des Modulators:

Druck 10 at

Temperatur 2540° K

Enthalpie 1030 kcal/kg

Geschwindigkeit 1000 i;,/1,S

Bedingungen nach Modulation am Einlaß des M.H.D.-Umformers

Druck 10 at

Temperaturen in den heißen Zonen 3200° K

Temperaturen in den "kalten" Zonen 2600° K

Enthalpie 4,85 MJ/kg

Gesamt-Enthalpie 5,35 MJ/kg

Geschwindigkeit 1000 m/s

scheinbare Leitfähigkeit 30 MHO/m

Um die Bedeutung der vorliegenden Erfindung klarer zu machen, seien noch die Kennwerte des dem soeben geschilderten Modulator nachgeschalteten M.H.D.-Umformers genannt (es sei daran erinnert, daß die Temperatur von 2700° K bei 20 at nach der Verbrennung ohne Sauerstoffanreicherung mit auf 1100° K vorgewärmter Ver-. brennungsluft erreicht werden kann). Das Magnetfeld hat eine konstante Stärke von 4 Wb/m2. Der Belastungs- oder Ausnutzungsfaktor K ist das Verhältnis der abgegebenen elektrischen Leistung zu der inneren Leistung der Einrichtung; er beträgt etwa 0,8.

Enthalpie-Wirkungsgrad 28 %

Gesamtwirkungsgrad 15%

spezifische Eingangsleistung 77 MW/m3

spezifische Ausgangsleistung 23 MW/m3

Länge der M.H.D.-Gasführung 10-15 m

an das Netz abzugebende Leistung 300 MW

Der gesamte Wirkungsgrad wurde errechnet nach Abzug der erforderlichen Kompressorleistung, der in den beiden Stufen des Modulators verbrauchten elektrischen Leistung und der noch in den aus dem AuslaB austretenden Gasen enthaltenden kinetischen Energie.

Claims

Patentansprüche 1. Magnethydrodynamischer Generator; bei dem die Temperatur des Gases, dessen mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt werden soll, am Einlaß desjenigen Bauteils, in dem die Energieumwandlung erfolgt, sich periodisch ändert, d a d u r e h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Generator zwischen dem Organ (5 in Fig. 2, Brennkammer oder Wärmetauscher-Erhitzer), in dem das verwendete Gas, auf hohe Temperatur gebracht wird, bis es leitend geworden ist, und dem Einlaß in den Bauteil (7), in dem die Energieumwandlung erfolgt, eine Vorrichtung (6) zur Modulierung der Temperatur des betreffenden Gases durch elektrische Beheizung ohne Verwendung eines Lichtbogens enthält, die in mehreren Abschnitten dieser Vorrichtung in dem Gas relativ heiße und relativ kalte Zonen erzeugt, wobei die Heizleistung nur ein kleiner Bruchteil der Energie des strömenden Gases ist.
2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Modulierung der Temperatur des Gases eine geradzahlige Anzahl von Elektroden (10,14,12,16 ... ) enthält, die ;jeweils gleichmäßig je zur Hälfte an jeder Seite des Gas-Strömungsweges und in regelmäßigen Abständen längs dieses Strömungsweges angeordnet sind.
3. Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden der Modulierungsvorrichtung über einen Kommutator an eine Gleichstromquelle angeachlossen sind und der Abstand (p) zwischen benachbarten Elektroden derart gewählt ist, daß unter Berücksichtigung der Kommutierungsfrequenz (#) irgendeine Bereichszone des strömenden Gases immer der Wirkung eines elektrischen Feldes mit im wesentlichen konstanter Amplitude (Absolutwert) ausgesetzt ist:
4. Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Elektroden des Modulators gegebenenfalls direkt an eine einphasige oder mehrphasige Wechselstromquelle angeschlossen sind und der Abstand (p) zwischen benachbarten Elektroden derart bestimmt ist, daß unter Berücksichtigung der Frequenz (f) der Wechselstromquelle irgendeine Bereichszone des strömenden Gases immer einem Feld von im wesentlichen konstanter Amplitude (Absolutwert) unterworfen ist.
5. Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Modulieren der Temperatur des Gases 2n Elektroden hat, die zu gleichen Teilen beiderseits des Gasströmungsweges verteilt und jeweils einander gegenüber (10 und 12, 14 und 16 ... ) angeordnet sind.
6. Generator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden der Modulatorvorrichtung, die teils auf der einen und teils auf der anderen Seite des Gasströmungsweges angeordnet sind, entsprechend mit zwei Ausgangsklemmen eines. einphasigen Wechselstromgenerators 18 mit der Frequenz (f) in Verbindung stehen, gegebenenfalls über Gleichrichter (22,24,26, 28), und der Abstand (p) zwischen den .8lektro den gleich dem Quotienten v/2f, dih. dem Verhältnis der Strömungsgeschwindigkeit des Gases zu dem doppelten Wert der Frequenz des Wechselstromgenerators ist.
7. Generator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden der Modulator-Vorrichtung, die auf einer Seite des Gasströmungeweges liegen (Elektrode 34), mit einer neutralen Klemme eines Dreiphasengenerators in Sternschaltung und der Frequenz (f) verbunden sind, während die auf der anderen Seite des Gasströmungsweges liegenden Elektroden mit den Ordnungsbezeichnungen 1 + 3α, 2 + 3 α, 3 + 3α, (36, 38, 40, wobei α = 0 oder 1 oder 2) jeweils entsprechend mit den drei Spannungsphasen des Generators (32) verbunden sind una der Abstand (p) zwischen den Elektroden gleich dem Quotienten v/3f, d.h. gleich dem Verhältnis der Geschwindigkeit des Gases zu dem dreifachen Wert der Frequenz des Generators ist. B.
Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die 2n Elektroden der Vorrichtung für das Modulieren der Gastemperatur auf beiden Seiten des Gasströmungsweges verteilt sind, die auf der einen Seite angeordneten Elektroden im Vergleich zu denen auf der anderen Seite liegenden nur um ein halbes Abstands-Intervall gegeneinander versetzt sind und die Elektroden mit den Ordnungsbezeichuungen 1 + 3α, 2 + 3 α, 3 + 3 α. . . . (46,48,52) der einen Seite über Gleichrichter mit den Phasen 1, 2 und 3 eines Dreiphasengenerators in Dreieckschaltung verbunden sind, dessen Frequenz f ist, während die Elektroden mit den Anschluß-Urdnungsbezeichnungen 2 + 3α 3 + 3α, 1 + 3 α (58,60,56) an der anderen Seite des Gasströmungsweges liegen und der Abstand zwischen benachbarten Elektroden gleich v/3f ist.
9. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung für die Temperaturmodulierung zwei Organe aufweists ein erstes Organ, das eine geradlinige Anzahl von einander gleichen Elektroden enthält, die zur Hälfte en je einer Seite des Gasströmungsweges angeordnet, gleichmäßig längs dieses Weges verteilt und mit einer Wechselstromquelle verbunden sind, während das zweite Organ zwei Elektroden (96) aufweist, die auf je einer Seite des Gasströmungsweges liegen und äh die eine Gleichspannung angeschlossen ist.