DE1538106A1 - MHD-Generator - Google Patents

Description

MHD₇Generator .

Es ist in letzter Zeit· bekannt geworden, daß für magnetohydrodynamische (MHD-) Generatoren die pulsierende Verbrennung Vorteile bietet. Unter pulsierender Verbrennung wird eine periodisch, eingeleitete Gleichraumverbrennung verstanden, bei der das in einem Brennraum» befindliche brennbare Geraisch nach Zündung und explosionsartiger Verbrennung ti !-er ein Schwingrohr abströmt. Bei geeigneter Bemessung läuft vom Ende des .Schwingrohrea eine Druckwelle zum Brennraum zurück, die das neu eingegebene Gemisch im Brennraum zündet. Brennraum und Schwingrohr bilden ein Schmidt-Rohr. Einzelheiten entnimmt man beispielsweise den Aufsätzen in VDI-Zeitschrift Bd. 92 (1950), Nr. 16, S. 393-399 und Bd. 94 (1952), Nr, 31, S. 1005-1008.

Neue Unterlagen (Art 7 % 1 Abe.2Nr. I Satz 3 desXnderungsgw. V. 4.9-19«

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Bei solchen Brennern wird das Schwingrohr.von aufeinanderfolgenden heißen und kalten Gaszonen durchsetzt. Die Frequenz der heiß-kalt Zonenfolgen,die einfach kurz Zonenfrequenz genannt werden soll, wird im wesentlichen durch Bemessen von Schwingrohr und Brennkammer bestimmt. Durch automatisches Ansaugen im Unterdruckbereich der abströmenden Druckwelle oder durch Einspritzen kann dem Brennraum brennbares Gemisch nachgeliefert werden. Auf die Verwendung für MHD-Generatoren zuges-chnitten, bilden die Brennkammer mit dem Brennraum und den Versorgungseinrichtungen, zusammen mit dem Schwingrohr den Brenner.

Die Vorteile der pulsierenden Verbrennung bestehen darin, daß in den heißen Zonen wesentlich höhere Temperaturen erzielt werden, ala es mit gleichen Brennstoffen bei einer Gleichdruckverbrennung möglich wäre. Bei einer pulsierenden Verbrennung iat es nämlich möglieh, bei einer stöchiometrischen Verteilung der Ausgangskomponenten des Arbeitargase3 eine nahezu vollkommene Verbrennung zu erzielen . . ■■'...

Bei der Anwendung der pulsierenden Verbrennung für MHD-Generatoren ergeben sich nun aber verschiedene Schwierigkeiten. So ist es bisher noch nicht gelungen, ohne Einzelabstimmung am jeweiligen Brenner die Zonenfrequenz über längere Betriebszeit hinreichend konstant zu halten. Die reaktionskinetischen Vorgänge sind nämlich weitgehend noch so unbekannt, daß die Zündfolge noch nicht beherrscht werden kann. Solche Brenner können deshalb in Industrieanlagen noch nicht eingesetzt werden.

Eine weitere Schwierigkeit erkennt man₉ wenn man sich die Arbeite-

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weise eines MHD-Generators mit segmentierten Elektroden·für Gleichstromerzeugung vergegenwärtigt:

An einem heißen Gasstrahl mit Plasmaeigenschaft sind gegenüberstehend Elektrodenpaare angeordnet, denen man elektrische Leistung entnehmen kann, wenn senkrecht zur Strömungsrichtung und zur Verbindungslinie der Elektroden eines Paares ein Magnetfeld angelegt wird. Bei einem Arbeitsgas, das aus heißen und kalten Zonen besteht, läßt sich nur dann Gleichstrom entnehmen, wenn die Zonenfrequenz hoch ist. Praktisch soll sie größer als 400 Hz sein.

Der Anreiz, die pulsierende Verbrennung für MHD-Generator einzusetzen, erklärt sich damit, daß die Generatorleistung mit der Leitfähigkeit und der Temperatur des Arbeitsgases steigt. Für die Materialbelastung ist aber die Über heiße und kalte Zonal gs mittel te Temperatur maßgebend, die tiefer liegt als die für die Leistung maßgebende Temperatur der heißen Zonen.

Da die Zonenfrequenz umgekehrt proportional der Laufzeit der Druckwellen im Schwingrohr ist, muß das Schwingrohr also kurz sein, um hohe Zonenfrequenzen zu ermöglichen. Eine lineare Wellenausbreitung ist andererseits nur dann ge'geben, wenn der Schwingrohrdu.rch- M messer im Verhältnis zur Länge klein ist. Daraus folgt unmittelbar der Nachteil für MHD-Generatoren, daß der Gasdurchsatz klein ist. Auf einer Fachtagung ist deshalb vorgeschlagen worden, die Zonenfrequenz und Durchsatzmenge festlegenden Funktionen zu trennen. Der Vorschlag, sieht 2 Stufen vor, wobei das Schwingrohr der ersten Stufe die Zonenfrequenz festlegt und die verstimmte zweite Stufe lediglich zur Durchsatzerhöhung dient, wobei meist eine dritte Stufe erforderlich wird, um wieder die angestrebten Temperaturen des Arbeit sgases zu erreichen.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Bau eines MHD-Generators mit pulsierender Verbrennung zu ermöglichen, bei dem die Vorteile der periodischen Gleichraumverbrennung genutzt werden* und

dessen Eigenschaften auoh bei Serienfertigung hinreichend konstant sind. Zur Lösung ist nach der Erfindung vorgesehen, daß zum Entzünden eines der Brennkammer periodisch zugeführten brennbaren Ge-• mischee die von einer Anregungsenergiequelle periodisch ausgelöste, stnrk gebündelte Strahlung eines optischen Sendere mit -selektiv. fluoreaaentea Medium (Laserstrahlung), dient,

> Ea wird dabei von der Erkenntnis ausgegangen, daß eine vollkommene Verbrennung im stöchloroetrlaehen Verhältnis zugeführter Ausgängskomponenten möglich ist» wenn bei durch Druck und durch Belatlvgeschwindigkeit zwischen Brennmittelpartikeln und Verbrennungsmittel gegebener Turbulenz die Oxydationsrandsöhlohten dea Brennmittels abgerissen werden. Es hat sich gezeigt, daß daa bei einer Brennkammer für Gleiehraumverbrennung auch ohne rücklaufende Welle möglich ist. -.-" "

Es ist an anderer Stelle schon vorgeschlagen worden, bei einer Heizkesselfeuerung Dieselölnebel durch Laserstrahlung zu entzünden. Hierbei handelt ea sich aber um eine Gleichdruckverbrennung und nicht unreine Gleichraurayerbrennung« Die Erfindung ermöglicht es weiter· hin, die Zonenfrequenz den Betriebaerforderniseen ohne konstruktive Abänderungen an Brenner oder Generatorkanal dadurch anzupassen, daß die Pulefrequenz dee Lasers eingestellt wird. *

Weitere Einwliieiteii der Erfindung sollen anhand in der Zeichnung

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schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert werden.

Fig.1 gibt den Längsschnitt durch Brenner und Generatorkanal eines MHD-Generatora nach der Erfindung wieder. Mit 1 ist der Brenner und mit 2 der Generatorkanal bezeichnet. Der Brenner besteht aus einer Brennkammer 3 mit hier birnenförmigem Brennraum 4, in den Düsen der Zuführung 5 für die Komponenten eines Arbeitsgases münden. An der Brennkammer ist weiter ein Laserzündgerät 11 angebaut. Eine Durchführung 6 ist für den Laserstrahl 7 vorgesehen.

Der Brennraum 4 und die Aualaßöffnung 8 sind so bemesaen, daß Gleich raumverbrennungen erzielt werden, wenn der Durchsatz durch die Zuführungen 5 so eingestellt ist, daß das Arbeitsgas jeweils im wesentlichen durch den Aualaß 8 abgeströmt ist, bevor neue Komponenten für die Verbrennung zugegeben werden. Andernfalls würde sich eine kontinuierliche Ausströmung durch den Aualaß 8 ergeben. Der Laserstrahl 7 kann auf der·mit dem Auslaß fluchtenden Mittellinie 9 so fokussiert werden, daß der Brennfleck etwa zwischen der Brennraummitte und dem Auslaß 8 liegt. Dadurch erreicht man, daß die Verbrennung sich weitgehend au,f gleichem" Raum in die Brennkammer hinein fortpflanzt. Man erzielt so besonders höh« Temperaturen. Zündet man mehr in'der Brennrgummitte, insbesondere bei kugelförmigen Brennräumen, kann man raschere' Brennfolgen und höhere Zonenfrequenz erzielen. ."-.-".

Die Zuführung 5 kann im einzelnen aus der Zuführungadüse 12 für Brennmittel-Saatmaterial-Gemiach, sowie Düse 13 für Brennmittelzerstäubung und Düse 14 für zustätzliche Verbrennungeluft bestehen.

Bei einer pulsierenden Verbrennung in der Brennkammer 3 spielen

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folgende Vorgänge eine Holle:

Die Ausgangskomponenten für eine Verbrennung sind vorvermischt, beispieleweise durch Einspritzen, zuzugeben. In der Verbrennungsfront vollzieht sich dann ein Makroraischen, wobei das Brennmittelfluid in Zellen aufgespalten wird, die noch größer als die Moleküle sind» In der Stoßwelle werden den Brennmittelzellen dann laufen die vergasten Oxydationshäute im Wirbel entrissen, weshalb eine weitere Verbrennung und Vermischung stattfindet. Diese Phase wird als Mi-. ^römischen bezeichnet. Es folgt dann noch die Molekulardiffuqion. Der Wirbel in der Stoßwelle entsteht dabei durch die Relativgeschwin-P digkeit zwischen größerer Masse z'ufolge langsameren Brennmittelteilchen und dta schnelleren Partikeln des Verbrennungsmittels. Brennaittel und Verbrennungamittel sollen als Brennstoffe bezeichnet werden.

Jtea Zündgerät 11 besteht Ib wesentlichen aus einem Laserkopf 15 und einer Linse 16. Der Laserkopf enthält beispielsweise einen Rubinkristall 17 und als Anregungsenergiequelle eine Blitzlichtlampe 18. Die Zündeinrichtung für die Blitzlichtlampe ist durch einen Kondensator alt Zündspule 19 (Zündeinrichtung) angegeben. Die Kondensatorbatterie für die Blitzlichtlampe und ein Netzteil sind in der Ein richtung 20 untergebracht· Mit-21 ist eine Blende bezeichnet.

Die Brennweite der Linse 16 soll im vorliegenden Fall 1 m betragen. Die Linse 16 1st im Schutzrohr 21 eo angeordnet, daß die Laserstrahlung 7 auf die Füllung des Brennraumes 4 fokussiert wird. Da bei dem verwendeten Rubinkristall der öffnungswinkel etwa 30' betragen hat, ergibt sich der Strahldurchmeaser la Gebiet höchsterEner-

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gie, alao im Brennfleck 10 ,im vorliegenden Pall mit rund 2 mm. . Daa Gebiet höchster Energiediohte erstreckt siöh dann über etwa einige cm länge» Mit dem beschriebenen Zündgerät 11 kann auf etwa 80⁰G erwärmtes und aeratäubtea Heizöl in einem mischungsverhältnis öl zu luft wie 1*; 10*00 durch Impulse mit einer Energie dichte von 1,5 Watt/seo. bei einer Impulsdauer von 0,5 millisec, entzündet werden. Zur Anregung des Laeerkrietalla eignen sich dann Lichtimpulee von 0,3 bis 2 milliaec. Dauer. Die Impulsfolge der Laserstrahlung läQt eich dabei durch Einstellen der Zündeinrichtung 1$ für die Blitzlichtlampe 18 steuern.

An den Auslaß 8 der Brennkammer 3 schließt eich der Generatorkanal 2 an. Der Kanaidurchmesser kann größer aia der Durchmeeeer dta Auslassen 8 sein und so groß gewählt Werden, daß der Strömungsraum 22 des Generatorkanals nicht als Schwingrohr wirkt«

Man kann auch bei einem engen Generatorkanal eine rücklaufende felle vermeiden, wenn »an am Kanalende Dämpfungaglieder vorsieht. Das können ein Diffusor oder die Speicheimasae eines Warnetausohere sein. Der MHD-Generator läßt sich dann mit Überachallströmungen betreiben. Andernfalls kann auch eine Übersehalldüse als Sperre für rücklaufende Wellen dienen.

Daß der MHD-Generator nach der Erfindung sich auch unter Ausnutzung der pulsierenden Verbrennung leicht im tlbersohallbatrieb fahren läßt, iat ein btaonderer Vorteil, Sollen nämlioh MHD-Generatoren mit Brennern, die aur Zündung auf die rücklaufende felle angewiesen sind, im Über«öhallbetrieb laufen, sind asu» Entkoppeln zwischen Schwingrohr und beiohleunigtndtr Laraldüae Zwieohensehälter einzuschalten, die Störungen und Verluste verursachen*

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Im Generatorkanal können segmenti'erte Elektroden angeordnet sein, so daß die jeweils einander gegenüberstehenden Elektroden 23 und 24» 25 und 26, 27 und 28, sowie-29 und 30 Elektrodenpaare bilden, an deren Durchführungen 31 sieh jeweils elektrische Leistung abnehmen Iäi3t/Senkrecht zur Strömungsrichtung des Arbeitsgases und senkrecht. zur Verbindungelinie der Elektrodenpaare ist ein Magnetfeld ■■ angelegt zu denken» Dieses Magnetfeld kann durch über und unter der Zeichenebene angeordnete Erregerwicklungen erzeugt werden, von denen eine mit 32 bezeichnet angegeben ist* · ,

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Die Elektroden 23 bie 30 können in elektrisch Isolierenden Kanalwänden eingebettet" sein 1 Dassu können die KanalwSnde aus keramikartigen Stoffen aufgebaut sola oder aus geMhlten Metallblöeken, deren Fugen mit einem hitzebestänaigenf elektriech ieolierenden Kitt ausgefüllt sind. Die in^ Sohnitt dargestellten Kanalwände 33 «nd 34 sind über und unter der JSeißhenebenö durch abdeckende Kaaalwände abgeschlossen zu

Zwischen Brennkammer 3" und- Geireratorkanal 2; kann auch ein als_;Schwingrohr wirkendes Robratüek' 35 nach' Fig. 2 eingeschaltet" sein. Wenn die länge des Bohres 35 .n-icfat auf die Zonenfrequensi. abgestimmt ist ,--.-also »außerhalb der.'SesOnangi-änge' liegt, tritt- keine Bee onanz auf *-Das-Rohr 35 wirkt dann nur als schwaohöa Sohwingrohr,_; weshalb die Zünd«·· frequenz und somit die. Zonenfrequenz^^ weiterhin durch die Imp-ulsfolge des Zündgerätes "bestimmt werden. Ein eolcnee verstimBites Sehwisgrohr kann Jedoch "im-'"Brennraum 4 nach Abaehluß einer explosionsartigen Verbrennung einen unterdruck ausbilden, der ausreicht» um neiie lusgangs-

'. koinponenten ahKueaägen« Brennkammer 3^:mit- Zuführung 5 und Mndgerät - ■ ■ .. ■ '.-■'. ■""."" / -^: ■-"".".■".,■'■■ '-V. einerseits unäverstimatea Scß^ingrohr 35 bilden dann einen Brenner,

■-der-den Goaeratorkanal. 2" mit Arbeitegae-

Die bekannten Einflüsse der .-Brennraumform- un Schwlngrohres auf die Arbeitscharakterxs^!J.K_tJ.^::; MHD-G-enerato-r nach'de? Erfindung aus/reinr^;;. _■ ne Baufora nach BUg, 2 eine" besonders .-"irr ;■- '"■·· eino Bauforra nach FIg, 3 eine besonders ^nar-r·. der der Gleichraumverbrennungen entwickelt..

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Die Zuführung-5 für Verbrennungskomponenten ΐ:-:;:·:ι ü-i.t" ■■i.oni Brcnnraum 4 durch Kanäle 36 verbunden sein» die xn cles Brennrauni zünden und dort durch Klapp- oder Saugventile 31 abgeschlossen werden ■ ·

Pig. 4 zeigt geöffnete Ventile im Augenblick des Ansaugens nach einer Gleichraumverbrennung. Die Pfeile 38 geben die Strömung der angesaugten Komponenten wieder. In Hg. 4 ist weiter eine heiße Zone eingezeichnet^ 'die in'Pfeilriohtung 39 gerade den Auslaß 8 des Brennraumes 4 verläßt. Die Ventile 37 werden geschlossen, wenn eine neue Verbrennung gezündet wird,* » . .

Da sich beim.MHD-Generator nach der Erfindung die Zündfolge und somit die Zonenfrequenz gut beherrschen läßt,können mehrereBrennkammern, im Parallelbetrieb eingesetzt werden. Deshalb kann man mit sehr wenigen Brennergrößen Generatorkanäle unterschiedlicher Größenordnungen versorgen. Bei geeigneten Generatorkanälen und gaeigneten Zonenfrequenzen, kann man auch pulsierende Gleichströme erzeugen? die in Wechselströme umgesetzt werden können.

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Claims (1)

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