DE1488117B2 - Verfahren zur Erzeugung von Wechselstrom mittels eines MHD-Umformers - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die

von Wechselstrom mittels eines MDH-Umformers, vorerwähnten Nachteile des Betriebs von MHD-

der aus zwei Strömungskanälen mit Elektroden zur Generatoren mit direkter oder indirekter Verwendung

Abnahme des erzeugten Stromes besteht, die im von Brenngasen bei entsprechend hoher Temperatur

Bereich je eines Magnetfeldes liegen, sowie einer 5 zu beseitigen sowie dafür Sorge zu tragen, daß jede

Energiequelle zur Aufheizung des die Strömungs- wirtschaftliche Wärmequelle bei Temperaturen von

kanäle zwecks Stromerzeugung durchfließenden 1000 bis 2000° K Verwendung finden kann und trotz-

Arbeitsmediums und Vorkehrungen, die bewirken, dem hohe Arbeitstemperaturen bzw. Leitfähigkeit wie

daß das Arbeitsmedium in den Strömungskanälen auch hohe Geschwindigkeiten und damit hohe

wechselweise als Plasma erscheint. io spezifische Leistung des Generators erzielbar werden,

Bei einem solchen bekannten MHD-Generator so daß seine Wirtschaftlichkeit auch dadurch verdienen Verbrennungsgase als Arbeitsmedium zur bessert werden kann, daß die Anlage- und Betriebs-Stromerzeugung, in die periodisch und in die ein- kosten für die Magnetfeldanordnung gesenkt werden zelnen Kanäle wechselweise Zusätze von ionisations- können.

fördernden Stoffen eingebracht werden. Diese Gene- 15 Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein ratoren haben jedoch infolge der sehr beschränkten Verfahren zur Erzeugung von Wechselstrom mittels Leitfähigkeit der Brenngase nur eine geringe eines MHD-Umformers der eingangs angegebenen spezifische Leistung, und es dürfte bei ihnen nur die Art dadurch gelöst, daß die Energiequelle in an sich einmalige Verwendung von billigen, vergleichsweise bekannter Weise Wärmeaustauscher aufweist, wobei unwirksamen, ionisationsfördernden Stoffen in Be- 20 jedoch in einem Wärmeaustauscher das Arbeitstracht kommen, da die Verbrennungsgase nicht in medium auf eine Temperatur von 1000 bis 2000° K geschlossenem Kreislauf verarbeitbar sind. Zudem gebracht wird, und in einem weiteren Wärmetreten in diesen Generatoren infolge der Abwesenheit austauscher ein Medium mit einem 2- bis 50mal von Brenngasen und Luft bei einer Temperatur, die höher liegenden Druck auf dieselbe Temperatur wie zwangläufig hoch sein muß, ζ. B. bei 2500° C liegt, 25 das Arbeitsmedium gebracht wird, und daß die Auswill man überhaupt eine einigermaßen verwertbare gänge der Wärmeaustauscher über einen Schieber MHD-Energieumwandlung erzielen, beträchtliche wechselweise und im Takt der gewünschten Wechsel-Korrosions- und Verschmutzungserscheinungen auf, Stromfrequenz mit den Eingängen der beiden Strö- und die Wirtschaftlichkeit der Energieumwandlung ist mungskanäle verbunden werden,
insofern unbedeutend, als infolge der geringen spezi- 30 Das Verfahren nach der Erfindung besteht also fischen Leistung das hohe Investitions- und Betriebs- darin, daß man in einem vorgewärmten Arbeitskosten verursachende Magnetfeld unzureichend aus- medium Stoßwellen erzeugt. Die Vorwärmtemperatur genutzt wird, zumal ohnehin die hoch erhitzten, nicht kann sich zwischen 1000 und 2000° K ändern. Sie mit ionisationsfördernden Stoffen versetzten heißen ist von dem verwendeten Arbeitsmedium, d. h. von Gase überhaupt keine Arbeit im Generator leisten. 35 der zu seiner ausreichenden Ionisierung notwendigen

Andere bekannte MHD-Generatoren arbeiten mit Temperatur sowie von der Stärke oder Heftigkeit der einem geschlossenen Kreislauf eines leitenden Arbeits- verwendeten Stoßwellen, abhängig. Diese Stärke muß mediums, das indirekt mittels eines durch Brenngase so gewählt werden, daß die Dauer eines Plasmabeheizten Wärmeaustauschers wiederholt aufgeheizt impulses ausreichend ist, d. h. in der Größenordnung wird. Dadurch können zwar die vorerwähnten Nach- 40 von einer Millisekunde liegt. So muß beispielsweise teile der unmittelbaren Verwendung von Brenngasen bei einem mit dem Dampf eines Alkalimetalls verals Arbeitsmedium für den Generator behoben wer- mischten Edelgas, dessen ausreichende Ionisierung den, indem sowohl ein Arbeitsgas höherer Leitfähig- bei etwa 2500° K erzielt wird, die Vorwärmkeit und wirksamere ionisationsfördernde Stoffe ver- temperatur bei Verwendung von mit Hilfe eines wendbar sind. Eine solche indirekte Aufheizung des 45 Druckverhältnisses 10 :1 zwischen dem Druckmedium Arbeitsgases durch Brenngase auf Temperaturen und dem zu komprimierenden Arbeitsmedium erzielentsprechender Größenordnung (z. B. 2500° C) be- ten Stoßwellen etwa 1500° K betragen,
dingt aber bisher praktisch unüberwindbare Schwie- Was die Art des als Arbeitsmedium verwendeten rigkeiten infolge der dabei in dem Wärmeaustauscher, Niederdruckgases, d. h. des vorgewärmten Gases benamentlich auf der Brenngasseite, auftretenden 50 trifft, in dem man zum Erzielen einer Steigerung Korrosionserscheinungen. seiner Temperatur und folglich seiner Teilionisierung

Ein allen konventionellen MHD-Generatoren mit eine Stoßwelle erzeugt, so kann dieses ein beliebiges kontinuierlicher Strömung des Arbeitsgases gemein- geeignetes, bereits bei den bekannten Verfahren vorsamer Mangel besteht darin, daß ihre spezifische gesehenes, mit einem Alkalimetall vermischtes Gas Leistung insofern beschränkt ist, als die unbedingt 55 sein. So lassen sich beispielsweise mit Kalium verwünschenswerte Wirkung der Erhöhung der Strö- mischte Verbrennungsgase verwenden. Auch kann mungsgeschwindigkeit durch eine rasche Vermin- man ein Edelgas, wie beispielsweise mit (etwa 1%) derung der Leitfähigkeit infolge der Temperatur- Caesium vermischtes Argon oder Helium verwenden, Senkung bei der Beschleunigung des Gases aufge- dessen Leitfähigkeit bei einer gegebenen Temperatur hoben wird, woraus sich eine bestimmte obere 60 viel höher ist als die der mit Kalium vermischten Grenze für die spezifische Leistung ergibt. Zudem Verbrennungsgase.

kommen für die bisher bekannten MHD-Generatoren Das Druckmedium, · das in dem Arbeitsmedium

nur solche Energiequellen in Betracht, die eine dem eine Stoßwelle hervorrufen soll, muß nicht von der

Generatorbetrieb entsprechend hohe Temperatur be- gleichen Art sein wie das Arbeitsmedium. Aus

sitzen. Somit kommen verschiedene wirtschaftlich 65 Gründen des thermischen Wirkungsgrades ist es

sehr interessante Heizquellen mit relativ niedriger zweckmäßig, es auf eine Temperatur vorzuwärmen,

Temperatur (100 bis 2000° K) für solche Generatoren die etwa die gleiche wie die des Arbeitsmediums ist.

nicht in Frage. Es sei bemerkt, daß es zum Erzielen von Stoß-

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wellen mit einem ausreichenden thermodynamischen gelassen sind. Die Elektroden sind gegen den Strö-Wirkungsgrad notwendig ist, daß das Verhältnis der mungskanal durch Distanzstücke 14 isoliert. An jeder Ruhedrücke zwischen dem Druckmedium und dem der Elektroden 10 bis 13 ist jeweils ein Leiter 10 a Arbeitsmedium nicht mehr als 50:1 beträgt. Anderer- bis 13 a befestigt, wodurch im vorliegenden Falle die seits darf dieses Verhältnis der Drücke, damit eine 5 Elektroden 10 und 13 an den Anschluß 16 und die ausreichende Temperatur- und Geschwindigkeits- Elektroden 11 und 12 an den Anschluß 15 angesteigerung erzielt wird, nicht niedriger als 2:1 sein. schlossen werden.

Die Vorwärmung der Gase erfolgt über Wärme- Jeder der Strömungskanäle 1 und 2 erstreckt sich

austauscher. Einer der Vorteile des Verfahrens nach durch den Spalt eines Elektromagneten, von dem in der Erfindung besteht insbesondere in der Tatsache, 10 der Zeichnung nur die Wicklung 17 bzw. 18 dardaß man als Wärmeenergiequellen solche verwenden gestellt ist. Jeder der Elektromagnete 17 und 18 ist kann, die bei den Vorwärmtemperaturen der Gase an der Stelle der Elektroden in der Weise angeordnet, und nicht deren Ionisierungstemperaturen entspre- daß das von ihm erzeugte Magnetfeld B quer zur chenden Temperaturen arbeiten. Dies ermöglicht die Röhre und zum elektrischen Feld zwischen den Verwendung von Kernenergie-Wärmequellen. i₅ Elektroden verläuft. Die Windungen der Elektro-

Wenn auf eine Rückgewinnung der als Arbeits- magnete sind so angeordnet, daß die beiden Magnetmedium und Druckmedium verwendeten Gase Wert felder die gleiche, d. h. die in der Zeichnung angegelegt wird, kann das Verfahren erfindungsgemäß deutete Richtung haben.

auch in der Weise durchgeführt werden, daß das Der vorstehend beschriebene Generator wird nach

Arbeitsmedium und das Druckmedium vom Ausgang 20 dem erfindungsgemäßen Verfahren wie folgt betrieben: der Strömungskanäle über Druckaustauscher sowie Die beiden Wärmeaustauscher 8 und 9 enthalten je

die Wärmeaustauscher der Energiequelle geleitet wer- ein auf 1700° K vorgewärmtes Arbeits- bzw. Druckden, um ihren Druck und ihre Temperatur auf deren medium, beispielsweise mit 1% Kalium angereicherte Ausgangswerte zurückzuführen, und danach zu den Verbrennungsgase. Das im Wärmeaustauscher 8 beEingängen der Strömungskanäle über den Schieber 25 findliche Arbeitsmedium steht unter normalem atmonochmals zurückgeleitet werden. sphärischem Druck, während das im Wärme-

Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Ausgänge der austauscher 9 befindliche Medium einen Druck von Strömungskanäle über einen zweiten Verteiler 25 at hat.

wechselweise mit den Eingängen der Druck- und Der Schieber 5 ist so eingerichtet, daß er während

Wärmeaustauscher verbunden werden. 30 eines ersten Zeitabschnitts die Leitung 6 mit der

Im einzelnen werden zur Vermeidung einer gegen- Leitung 3 und die Leitung 7 mit der Leitung 4 verseitigen Beeinflussung zweckmäßig die Elektroden- bindet. Dies hat zur Folge, daß der Strömungskanal 1 paare der beiden Strömungskanäle an je eine Primär- mit dem in dem Wärmeaustauscher 8 vorgewärmten wicklung eines gemeinsamen Transformators ange- Arbeitsmedium mit normalem Druck und der Ströschlossen, und es kann bei zwecks Verringerung der 35 mungskanal 2 mit dem in dem Wärmeaustauscher 9 nachteiligen Auswirkung des Hall-Effekts vor- vorgewärmten Druckmedium mit einem 25mal gesehener Unterteilung der Elektrodenpaare jedes höheren Druck gefüllt wird. Während des nach-Teilelektrodenpaar an je eine Primärwicklung eines folgenden Zeitabschnitts wird die Leitung 6 mit der gemeinsamen Transformators angeschlossen werden. Leitung 4 und die Leitung 7 mit der Leitung 3 ver-

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der 40 bunden, so daß das Druckmedium mit erhöhtem beispielsweise zwei Ausführungsformen und eine Druck in den Strömungskanal 2 eingelassen wird.
Variante des bei der Ausübung des Verfahrens nach Das bei hoher Geschwindigkeit in den Strömungs-

der Erfindung vorzugsweise benutzten Generators kanal 1 eintretende Druckmedium von erhöhtem darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt Druck erzeugt in dem sich darin befindenden Arbeits-

Fig. 1 eine erste Ausführungsform des Generators, 45 medium von normalem Druck eine Stoßwelle. Daraus teils im Schnitt, ergibt sich eine starke Beschleunigung des Arbeits-

F i g. 2 eine zweite Ausführungsform des Genera- mediums und seine Erwärmung auf eine Temperatur tors und von etwa 3000° K, also auf die zu einer ausreichen-

F i g. 3 und 4 je eine Variante eines Teiles des den Ionisierung notwendige Temperatur. Der so Generators. 50 erhaltene Impuls aus ionisiertem Gas geht zwischen

Wie in F i g. 1 gezeigt, enthält der Generator zwei den Elektroden 10 und 11 hindurch, wobei ein Teil Strömungskanäle 1 und 2 mit rechteckigem Quer- seiner thermischen und kinetischen Energie in Form schnitt, die zueinander parallel angeordnet sind. eines zwischen diesen Elektroden auftretenden Eines der Enden jedes der Strömungskanäle 1 und 2 Spannungsimpulses in elektrische Energie umgewanist über eine Leitung 3 bzw. 4 an einen Schieber 5 55 delt wird. Da die Geschwindigkeit u des Gases und angeschlossen, der seinerseits über zwei Leitungen 6 das Magnetfeld B die in der Zeichnung angegebenen und 7 an zwei Wärmeaustauscher 8 bzw. 9 ange- Richtungen haben, ist die Elektrode 10 positiv und schlossen ist. die Elektrode 11 negativ. Der Durchgang des Druck-

Der Schieber 5 ist so eingerichtet, daß er die beiden mediums zwischen den Elektroden 10 und 11 führt Strömungskanäle aufeinanderfolgend und zyklisch 60 zu keinem Stromimpuls, da seine Temperatur und an jede der beiden Leitungen 6 und 7 und folglich an folglich seine Ionisierung nicht ausreichend sind,
jeden der beiden Wärmeaustauscher 8 und 9 an- Während der nachfolgenden Zeitspanne, d. h. wäh-

schließt. rend der ersten Periode des nachfolgenden Ver-

Die beiden Strömungskanäle 1 und 2 sind in der teilungszyklus, wird der Strömungskanal 1 mit dem Nähe ihres anderen Endes mit zwei Elektroden 10,11 65 Arbeitsmedium von normalem Druck und der Strö- bzw. 12,13 versehen, die je einander gegenüberliegend mungskanal 2 mit dem Druckmedium von erhöhtem und zur Achse des Strömungskanals parallel in eine Druck gefüllt. Es wird also in dem Strömungskanal 2 der beiden einander gegenüberliegenden Wände ein- in dem sich im Anschluß an die zweite Periode des

vorangehenden Zyklus darin befindenden Arbeitsmedium von normalem Druck eine Stoßwelle erzeugt. Der zwischen den Elektroden 12 und 13 hindurchgehende Plasmaimpuls führt zu einem Spannungsimpuls zwischen ihnen. Da die Richtungen der Geschwindigkeit u und des Magnetfeldes B die gleichen wie in dem Strömungskanal 1 sind, ist die Elektrode 12 positiv und die Elektrode 13 negativ.

Da jeweils die positive Elektrode des einen Strömungskanals und die negative Elektrode des anderen Strömungskanals verbunden sind, entsteht zwischen den beiden Anschlüssen 15 und 16 eine Wechselspannung, deren beide Halbperioden während eines Zyklus des Verteilers 5, und zwar eine durch den Strömungskanal 1 und die andere durch den Strömungskanal 2, erzeugt werden. Die Frequenz dieser Spannung ist von der Wechselgeschwindigkeit, mit der der Schieber arbeitet, abhängig.

Der vorstehend beschriebene, zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Generator arbeitet mit offenem Wärmekreislauf, d. h., die verwendeten Gase werden nicht rückgewonnen.

F i g. 2 zeigt eine Ausführungsform des zur Ausübung des Verfahrens nach der Erfindung verwendeten Generators, die zum Arbeiten mit geschlossenem Wärmekreislauf, d. h. unter Rückgewinnung der Gase, vorgesehen ist.

Wie in der Zeichnung gezeigt, ist das den Ausgang für die verwendeten Gase bildende Ende jedes der Strömungskanäle 1 und 2 über eine Leitung 20 bzw. 21 an einen zweiten Schieber 19 angeschlossen. Der Schieber 19 ist über Leitungen 22 und 23 an zwei Wärme- und Druckaustauscher 24 und 25 angeschlossen, von denen der erste über eine Leitung 26 an den Wärmeaustauscher 8 und der zweite über eine Leitung 27 an den Wärmeaustauscher 9 angeschlossen ist.

Dieser Generator arbeitet wie folgt: Der Wärmeaustauscher 8 enthält beispielsweise auf 1500° K vorgewärmtes und mit etwa 1% Caesium angereichertes Argon bei normalem Druck, während der Wärmeaustauscher 9 das auf die gleiche Temperatur vorgewärmte gleiche Gas enthält mit einem jedoch 25mal höheren Ruhedruck. Das Einbringen der Gase in die Strömungskanäle 1 und 2 und die Erzeugung der Stoßwellen und folglich der zur Erzeugung von Wechselstromenergie erforderlichen Plasmaimpulse erfolgen in der vorstehend in Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform erläuterten Weise. Der Unterschied besteht in dem die Wiedergewinnung der Gase ermöglichenden geschlossenen Wärmekreislauf.

Dieser Wärmekreislauf arbeitet wie folgt: Wenn das das Arbeitsmedium bildende Niederdruckgas aus einem Strömungskanal austritt, wird es in den Schieber 19 geleitet, der es dem Druck- und Wärmeaustauscher 24 zuführt, in dem seine Temperatur auf 1500° K verringert wird, worauf es über die Leitung 26 in den gegebenenfalls nur noch als Behälter wirkenden Wärmeaustauscher 8 zurückgeleitet wird. Das gleiche gilt für das Hochdruckgas: Am Ausgang eines Strömungskanals 1 oder 2 wird es in den Schieber 19 geleitet, der es dem Druck- und Wärmeaustauscher 25 zuführt, in dem seine Temperatur und sein Druck auf ihre Ausgangswerte gebracht werden, und von wo das Gas über die Leitung 27 in den gegebenenfalls nur noch als Behälter wirkenden Wärmeaustauscher 9 zuriickgeleitet wird.

Der Vorteil des Generators mit geschlossenem Wärmekreislauf besteht also in der Möglichkeit der Rückgewinnung der Gase und folglich der Möglichkeit der Verwendung teuerer Gase, wie Edelgase, deren Leitfähigkeit bei einer gegebenen Temperatur erheblich höher ist als die von Verbrennungsgasen.

So ist beispielsweise die Leitfähigkeit von mit Caesium gemischten Argon bei 2000° K 30mal höher als die von mit Kalium gemischten Verbrennungsgasen.

Der ein Strömungskanälepaar enthaltende Generator, dessen beide Ausführungsformen vorstehend beschrieben sind, erzeugt also eine einphasige Wechselstromenergie. Selbstverständlich kann auch ein eine mehrphasige Energie erzeugender Generator benutzt werden. Er würde eine Anzahl Strömungskanälepaare gleich der Anzahl der Phasen aufweisen. Die Kanäle wären dann über einen oder mehrere Schieber an zwei das als Arbeitsmedium wirksame Niederdruckgas bzw. das als Druckmedium wirksame Hochdruckgas enthaltende Behälter oder Wärmeaustauscher angeschlossen.

Die Elektroden von zwei Kanälen eines Kanalpaares können an die Ausgangsanschlüsse so angeschlossen sein, daß die Gefahr einer gegenseitigen Beeinflussung verringert wird. F i g. 3 zeigt eine solche Möglichkeit. Nach dieser Darstellung sind die Elektroden jeder der beiden Strömungskanäle an eine gesonderte Wicklung 28 bzw. 29 angeschlossen, wobei die beiden Wicklungen in entgegengesetztem Sinn gewickelt sind und die Primärwicklung eines Transformators T₁ bilden, dessen Sekundärwicklung 30 an die Ausgangsanschlüsse 15 und 16 angeschlossen ist. Bekanntlich führt die Verwendung starker Magnetfelder zu einer Leistungsminderung des Generators wegen des Hall-Effekts. Dieser Hall-Effekt läßt sich bekanntlich durch Unterteilung der Elektroden in der zur Strömungsrichtung der Gase senkrechten Richtung weitgehend verringern. Eine solche Variante der Elektroden ist in F i g. 4 dargestellt. Jede der beiden in einem Strömungskanal enthaltenen Elektroden ist in drei Abschnitte 31 a, 31 b, 31 c bzw. 32 a, 32 b, 32 c unterteilt, die voneinander und von der Röhre durch isolierende Distanzstücke 33 getrennt sind. In an sich bekannter Weise ist jedes Abschnittepaar an eine Primärwicklung 34, 35 bzw. 36 eines nur eine Sekundärwicklung 37 enthaltenden, an die Ausgangsanschlüsse angeschlossenen Transformators T₀ angeschlossen. Auf diese Weise sind die drei Wicklungen 34 bis 36 durch Induktion miteinander gekoppelt.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung von Wechselstrom mittels eines MHD-Umformers, der aus zwei Strömungskanälen mit Elektroden zur Abnahme des erzeugten Stromes besteht, die im Bereich je eines Magnetfeldes liegen, sowie einer Energiequelle zur Aufheizung des die Strömungskanäle zwecks Stromerzeugung durchfließenden Arbeitsmediums und Vorkehrungen, die bewirken, daß das Arbeitsmedium in den Strömungskanälen wechselweise als Plasma erscheint, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiequelle in an sich bekannter Weise Wärmeaustauscher (3,9) aufweist, wobei jedoch in einem Wärmeaustauscher das Arbeitsmedium auf eine Temperatur von 1000 bis 2000° K gebracht wird und in einem weiteren Wärmeaustauscher ein Medium mit einem 2- bis 50mal höher liegenden Druck

auf dieselbe Temperatur wie das Arbeitsmedium gebracht wird, und daß die Ausgänge (7, 6) der Wärmeaustauscher (8, 9) über einen Schieber (5) wechselweise und im Takt der gewünschten Wechselstromfrequenz mit den Eingängen (3, 4) der beiden Strömungskanäle (1, 2) verbunden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmedium und das Druckmedium vom Ausgang (20, 21) der Strömungskanäle (1, 2) über Druck- und Wärmeaustauscher (24, 25; 8, 9) geleitet werden, um ihren Druck und ihre Temperatur auf deren Ausgangswerte zurückzuführen, und danach zu den Eingängen der Strömungskanäle über den Schieber (5) nochmals zurückgeleitet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch

gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Strömungskanäle über einen zweiten Verteiler (19) wechselweise mit den Eingängen (22,23) der Druck- und Wärmeaustauscher (24, 25; 8, 9) verbunden werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenpaare (10, 11 bzw. 12, 13 in F i g. 1) der beiden Strömungskanäle (1, 2) an je eine Primärwicklung eines gemeinsamen Transformators (T₁) angeschlossen sind.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Unterteilung der Elektrodenpaare (31a, 31b, 31c bzw. 32 a, 32 b, 32 c) jedes Teilelektrodenpaar an je eine Primärwicklung (34, 35, 36) eines gemeinsamen Transformators (T₂) angeschlossen wird (F i g. 4).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 009 522/71