DE1488117C3 - Verfahren zur Erzeugung von Wechselstrom mittels eines MHD-Umformers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Wechselstrom mittels eines MDH-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.

Bei einem solchen bekannten MHD-Generator dienen Verbrennungsgase als Arbeitsmedium zur Stromerzeugung, in die periodisch und in die einzelnen Kanäle wechselweise Zusätze von ionisationsfördernden Stoffen eingebracht werden. Diese Generatoren haben jedoch infolge der sehr beschränkten Leitfähigkeit der Brenngase nur eine geringe spezifische Leistung, und es dürfte bei ihnen nur die einmalige Verwendung von billigen, vergleichsweise unwirksamen, ionisationsfördernden Stoffen in Betracht kommen, da die Verbrennungsgase nicht in geschlossenem Kreislauf verarbeitbar sind. Zudem treten in diesen Generatoren infolge der Abwesenheit von Brenngasen

ίο und Luft bei einer Temperatur, die zwangsläufig hoch sein muß, z. B. bei 2500°C liegt, will man überhaupt eine einigermaßen verwertbare MHD-Energieumwandlung erzielen, beträchtliche Korrosions- und Verschmutzungserscheinungen auf, und die Wirtschaftlichkeit der Energieumwandlung ist insofern unbedeutend, als infolge der geringen spezifischen Leistung das hohe Investitions- und Betriebskosten verursachende Magnetfeld unzureichend ausgenutzt wird, zumal ohnehin die hoch erhitzten, nicht mit ionisationsfördernden Stoffen versetzten heißen Gase überhaupt keine Arbeit im Generator leisten.

Andere bekannte MHD-Generatoren arbeiten mit einem geschlossenen Kreislauf eines leitenden Arbeitsmediums, das indirekt mittels eines durch Brenngase beheizten Wärmeaustauschers wiederholt aufgeheizt wird. Dadurch können zwar die vorerwähnten Nachteile der unmittelbaren Verwendung von Brenngasen als Arbeitsmedium für den Generator behoben werden, indem sowohl ein Arbeitsgas höherer Leitfähigkeit und ■ wirksamere ionisationsfördernde Stoffe verwendbar sind. Eine solche indirekte Aufheizung des Arbeitsgases durch Brenngase auf Temperaturen entsprechender Größenordnung (z.B. 2500°C) bedingt aber bisher praktisch unüberwindbare Schwierigkeiten infolge der dabei in dem Wärmeaustauscher, namentlich auf der Brenngasseite, auftretenden Korrosionserscheinungen. Ein allen konventionellen MHD-Generatoren mit kontinuierlicher Strömung des Arbeitsgases gemeinsamer Mangel besteht darin, daß ihre spezifische Leistung insofern beschränkt ist, als die unbedingt wünschenswerte Wirkung der Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit durch eine rasche Verminderung der Leitfähigkeit infolge der Temperatursenkung bei der Beschleunigung des Gases aufgehoben wird, woraus sich eine bestimmte obere Grenze für die spezifische Leistung ergibt. Zudem kommen für die bisher bekannten MHD-Generatoren nur solche Energiequellen in Betracht, die eine dem Generatorbetrieb entsprechend hohe Temperatur besitzen. Somit kommen verschiedene wirtschaftlich sehr interessante Heizquellen mit relativ niedriger Temperatur (100 bis 2000° K) für solche Generatoren nicht in Frage.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorerwähnten Nachteile des Betriebs von MHD-Generatoren mit direkter oder indirekter Verwendung von Brenngasen bei entsprechend hoher Temperatur zu beseitigen sowie dafür Sorge zu tragen, daß jede wirtschaftliche Wärmequelle bei Temperaturen von 1000 bis 2000° K Verwendung finden kann und trotzdem hohe Arbeitstemperaturen bzw. Leitfähigkeit wie auch hohe Geschwindigkeiten und damit hohe spezifische Leistung des Generators erzielbar werden, so daß seine Wirtschaftlichkeit auch dadurch verbessert werden kann, daß die Anlage- und Betriebskosten für die Magnetfeldanordnung gesenkt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Erzeugung von Wechselstrom mittels eine? MHD-Umformers der eingangs angegebenen Art

dadurch gelöst, daß die Energiequelle in an sich bekannter Weise Wärmeaustauscher 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 der Wärmeaustauscher über einen Schieber wechselweise und im Takt der gewünschten Wechselstromfrequenz mit den Eingängen der beiden Strömungskanäle verbunden werden.

Das Verfahren nach der Erfindung besteht also darin, daß man in einem vorgewärmten Arbeitsmedium Stoßwellen erzeugt. Die Vorwärmtemperatur kann sich zwischen 1000 und 2000⁰K ändern. Sie ist von dem verwendeten Arbeitsmedium, d.h. von der zu seiner ausreichenden Ionisierung notwendigen Temperatur sowie von der Stärke oder Heftigkeit der verwendeten Stoßwellen, abhängig. Diese Stärke muß so gewählt werden, daß die Dauer eines Plasmaimpulses ausreichend ist, d. h. in der Größenordnung von einer Millisekunde liegt. So muß beispielsweise bei einem mit dem Dampf eines Alkalimetalls vermischten Edelgas, dessen ausreichende Ionisierung bei etwa 2500° K erzielt wird, die Vorwärmtemperatur bei Verwendung von mit Hilfe eines Druckverhältnisses 10:1 zwischen dem Druckmedium und dem zu komprimierenden Arbeitsmedium erzielten Stoßwellen etwa 1500⁰K betragen.

Was die Art des als Arbeitsmedium verwendeten Niederdruckgases, d.h. des vorgewärmten Gases betrifft, in dem man zum Erzielen einer Steigerung seiner Temperatur und folglich seiner Teilionisierung eine Stoßwelle erzeugt, so kann dieses ein beliebiges geeignetes, bereits bei den bekannten Verfahren vorgesehenes, mit einem Alkalimetall vermischtes Gas sein. So lassen sich beispielsweise mit Kalium vermischte Verbrennungsgase verwenden. Auch kann man ein Edelgas, wie beispielsweise mit (etwa 1%) Caesium vermischtes Argon oder Helium, verwenden, dessen Leitfähigkeit bei einer gegebenen Temperatur viel höher ist als die der dem Kalium vermischten Verbrennungsgase.

Das Druckmedium, das in dem Arbeitsmedium eine Stoßwelle hervorrufen soll, muß nicht von der gleichen Art sein wie das Arbeitsmedium. Aus Gründen des thermischen Wirkungsgrades ist es zweckmäßig, es auf eine Temperatur vorzuwärmen, die etwa die gleiche wie die des Arbeitsmediums ist.

Es sei bemerkt, daß es zum Erzielen von Stoßwellen mit einem ausreichenden thermodynamischen Wirkungsgrad notwendig ist, daß das Verhältnis der Ruhedrücke zwischen dem Druckmedium und dem Arbeitsmedium nicht mehr als 50 :1 beträgt. Andererseits darf dieses Verhältnis der Drücke, damit eine ausreichende Temperatur- und Geschwindigkeitssteigerung erzielt wird, nicht niedriger als 2 :1 sein.

Die Vorwärmung der Gase erfolgt über Wärmeaustauscher. Einer der Vorteile des Verfahrens nach der Erfindung besteht insbesondere in der Tatsache, daß man als Wärmeenergiequellen solche verwenden kann, die bei den Vorwärmtemperaturen der Gase und nicht deren lonisierungstemperaturen entsprechenden Temperaturen arbeiten. Dies ermöglicht die Verwendung von Kernenergie-Wärmequellen.

Wenn auf eine Rückgewinnung der als Arbeitsmedium und Druckmedium verwendeten Gase Wert gelegt wird, kann das Verfahren erfindungsgemäß auch in der Weise durchgeführt werden, daß das Arbeitsmedium und das Druckmedium vom Ausgang der Strömungkanäle über Druckaustauscher sowie die Wärmeaustauscher der Energiequelle geleitet werden, um ihren Druck und ihre Temperatur auf deren Ausgangswerte zurückzuführen, und danach zu den Eingängen der Strömungskanäle über den Schieber nochmals zurückgeleitet werden.

Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Ausgänge der

ίο Strömungskanäle über einen zweiten Verteiler wechselweise mit den Eingängen der Druck- und Wärmeaustauscher verbunden werden.

Im einzelnen werden zur Vermeidung einer gegenseitigen Beeinflussung zweckmäßig die Elektrodenpaare der beiden Strömungskanäle an je eine Primärwicklung eines gemeinsamen Transformators angeschlossen, und es kann bei zwecks Verringerung der nachteiligen Auswirkung des Hall-Effekts vorgesehener Unterteilung der Elektrodenpaare jedes Teilelektrodenpaar an je eine Primärwicklung eines gemeinsamen Transformators angeschlossen werden.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der beispielsweise zwei Ausführungsformen und eine Variante des bei der Ausübung des Verfahrens nach der Erfindung vorzugsweise benutzten Generators darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine erste Ausführungsform des Generators, teils im Schnitt,

F i g. 2 eine zweite Ausführungsform des Generators und

Fig.3 und 4 je eine Variante eines Teiles des Generators.

Wie in Fig. 1 gezeigt, enthält der Generator zwei Strömungskanäle 1 und 2 mit rechteckigen Querschnitt, die zueinander parallel angeordnet sind. Eines der Enden jedes der Strömungskanäle 1 und 2 ist über eine Leitung 3 bzw. 4 an einen Schieber 5 angeschlossen, der seinerseits über zwei Leitungen 6 und 7 an zwei Wärmeaustauscher 8 bzw. 9 angeschlossen ist.

Der Schieber 5 ist so eingerichtet, daß er die beiden Strömungskanäle aufeinanderfolgend und zyklisch an jede der beiden Leitungen 6 und 7 und folglich an jeden der beiden Wärmeaustauscher 8 und 9 anschließt.

Die beiden Strömungskanäle 1 und 2 sind in der Nähe ihres anderen Endes mit zwei Elektroden 10,11 bzw. 12, 13 versehen, die je einander gegenüberliegend und zur Achse des Strömungskanals parallel in eine der beiden einander gegenüberliegenden Wände eingelassen sind. Die Elektroden sind gegen den Strömungskanal durch Distanzstücke 14 isoliert. An jeder der Elektroden 10 bis 13 ist jeweils ein Leiter 10a bis 13a befestigt, wodurch im vorliegenden Falle die Elektroden 10 und 13 an den Anschluß 16 und die Elektroden 11 und 12 an den Anschluß 15 angeschlossen werden.

Jeder der Strömungskanäle 1 und 2 erstreckt sich durch den Spalt eines Elektromagneten, von dem in der Zeichnung nur die Wicklung 17 bzw. 18 dargestellt ist. Jeder der Elektromagnete 17 und 18 ist an der Stelle der Elektroden in der Weise angeordnet, daß das von ihm erzeugte Magnetfeld B quer zur Röhre und /um elektrischen Feld zwischen den Elektroden verläuft Die Windungen der Elektromagnete sind so ungeordnet, daß die beiden Magnetfelder die gleiche, d. h. die in der Zeichnung angedeutete Richtung haben.

Der vorstehend beschriebene Generator wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wie folgt beschrieben:

Die beiden Wärmeaustauscher 8 und 9 enthalten je

ein auf 1700° K vorgewärmtes Arbeits- bzw. Druckmedium* beispielsweise mit 1% Kalium angereicherte Verbrennungsgase. Das im Wärmeaustauscher 8 befindliche Arbeitsmedium steht unter normalem atmosphärischem Druck, während das im Wärmeaustauscher 9 befindliche Medium einen Druck von 25 at hat.

Der Schieber 5 ist so eingerichtet, daß er während eines ersten Zeitabschnitts die Leitung 6 mit der Leitung 3 und die Leitung 7 mit der Leitung 4 verbindet. Dies hat zur Folge, daß der Strömungskanal 1 mit dem in dem Wärmeaustauscher 8 vorgewärmten Arbeitsmedium mit normalem Druck und der Strömungskänal 2 mit dem in dem Wärmeaustauscher 9 vorgewärmten Druckmedium; mit einem 25mal höheren Druck gefüllt wird. Während des nachfolgenden Zeitabschnitts wird die Leitung 6 mit der Leitung 4 und die Leitung 7 mit der Leitung 3 verbunden, so daß das Druckmedium mit erhöhtem Druck in den Strömungskänal 2 eingelassen wird. '·■■ ^: · ■ ·■ ■■· ■■;■■■■·.■■

Das bei hoher Geschwindigkeit in den Strömungskanal 1 eintretende Druckmedium von erhöhtem Druck erzeugt in dem sich darin befindlichen Arbeitsmedium von normalem Druck eine Stoßwelle. Daraus ergibt sich einer starke Beschleunigung des Arbeitsmediums und seine Erwärmung auf eine Temperatur von etwa 3000° K, also auf die zu einer ausreichenden Ionisierung notwendige Temperatur. Der so erhaltene Impuls aus ionisiertem Gas geht zwischen den Elektroden 10 und 11 hindurch, wobei ein Teil seiner thermischen und kinetischen Energie in Form eines zwischen diesen Elektroden auftretenden Spannungsimpulses in elektrische Energie umgewandelt wird. Da die Geschwindigkeit u des Gases und das Magnetfeld B die in der Zeichnung angegebenen Richtungen haben, ist die Elektrode 10 positiv und die Elektrode 11 negativ. Der Durchgang des Druckmediums zwischen den Elektroden 10 und 11 führt zu keinem Stromimpuls, da seine Temperatur und folglich seine Ionisierung nicht ausreichend sind.

Während der nachfolgenden Zeitspanne, d. h. während der ersten Periode des nachfolgenden Verteilungszyklus, wird der Strömungskanal 1 mit dem Arbeitsmedium von normalem Druck und der Strömungskanal 2 mit dem Druckmedium von erhöhtem Druck erfüllt. Es wird also in dem Strömungskanal 2 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 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.

Fi 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 einem 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 dem 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 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 1500⁰K 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 zurückgeleitet 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. Fig.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 71 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 31a, 3ib, 31c bzw. 32a, 32b, 32c 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 einer Sekundärwicklung 37 enthaltenden, an die Ausgangsanschlüsse angeschlossenen Transformators T₂ angeschlossen. Auf diese Weise sind die drei Wicklungen 34 bis 36 durch Induktion miteinander gekoppelt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709 643/9

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 (8, 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 Ausgängen (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 Fig. 1) der beiden Strömungskanäle (1, 2) an je eine Primärwicklung eines gemeinsamen Transformators (T\) angeschlossen sind.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bei Unterteilung der Elektrodenpaare (31a, 316, 31c bzw. 32a, 326, 32c·; jedes Teilelektrodenpaar an je eine Primärwicklung (34, 35, 36) eines gemeinsamen Transformators (T{) angeschlossen wird (F i g. 4).