DE1538701C - Elektrode fur magnetohydrodynamische Einrichtungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrode für magnetohydrodynamische Einrichtungen, bestehend aus einem metallischen Basisteil, dessen eines Ende am Strömungsmittel gelegen ist und ein dem Strömungsmittel ausgesetztes Metall trägt, und aus einem feuerfesten Material, welches das freiliegende Metall bedeckt und seinerseits dem Strömungsmittel ausgesetzt ist. Eine derartige Elektrode ist" bekannt.

Die magnetohydrodynamischen Einrichtungen, abgekürzt MHD-Einrichtungen genannt, umfassen MHD-Generatoren, in denen elektrische Leistung durch die Bewegung eines elektrisch leitenden Strömungsmittels oder eines Plasmas in bezug auf ein Magnetfeld erzeugt wird. Das verwendete Plasma besteht im allgemeinen aus einem elektrisch leitenden Gas, das einer heißen, unter hohem Druck stehenden Quelle entnommen wird. Aus der Quelle strömt das Plasma durch den Generator und induziert bei seiner Bewegung in bezug auf das Magnetfeld im Generator zwischen gegenüberstehenden Elektroden eine elektromotorische Kraft (EMK). Das Gas des Plasmas kann einfach in die Umgebungsluft abgelassen werden oder es kann bei komplizierten Anlagen einer Rückgewinnungseinrichtung mit einer Pumpe zugeführt werden, die das Gas in die Quelle zurückleitet. Die Leitfähigkeit des Gases kann thermisch erzeugt werden und/oder durch Zusetzen einer Substanz, die bei der Betriebstemperatur des Generators eine Ionisierung bewirkt. Als Zusatzsubstanz kann Natrium, Pottasche, Zäsium oder ein Alkalimetalldampf verwendet werden. Ungeachtet des verwendeten Gases oder der Art des Zusatzmittels besteht das resultierende Gas aus einem Gemisch von Elektronen, positiven Ionen und neutralen Atomen und wird der Einfachheit halber als »Plasma« bezeichnet.

Bei einem MHD-Generator der beschriebenen Art wird normalerweise ein ortsfestes Magnetfeld und eine gleichgerichtete Gasströmung verwendet. Ein solcher Generator stellt daher an sich eine Gleichstromquelle dar. Wird die Erzeugung von Wechselstrom gewünscht, so wird üblicherweise eine Art von Hilfsausstattung benutzt, die den Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt.

MHD-Einrichtungen umfassen ferner MHD-Pumpen, bei denen das Gleichstrommotorprinzip angewendet wird, d. h. ein leitendes Strömungsmittel wird als Draht oder Leiter angesehen, der in einem Magnetfeld aufgehängt ist, durch den ein Strom senkrecht zur Länge des Leiters und zum Magnetfeld hindurchgeleitet wird. Unter diesen Bedingungen wird am Leiter eine Kraft erzeugt, die den Leiter senkrecht zum Stromfluß und zum Magnetfeld zu bewegen sucht. Wird diese Kraft an einem flüssigen Leiter wirksam, so wird dieser in derselben Weise vorwärtsgetrieben wie in einer herkömmlichen Pumpe. Solche Pumpen sind in Laboratorien allgemein üblich geworden sowie in Kernreaktoren, bei denen diese Art Pumpen zum Bewegen von flüssigem Natrium und flüssiger Pottasche verwendet wird. Die Elektroden zum Hindurchleiten eines elektrischen Stromes durch den flüssigen Leiter im Magnetfeld sind im sogenannten Rachen der Pumpe angeordnet.

Weiterhin umfassen MHD-Einrichtungen MHD-Beschleuniger, deren Aufbau und Arbeitsweise im wesentlichen denen der MHD-Pumpe gleichen, wobei der Unterschied lediglich darin besteht, daß die MHD-Purripen allgemein zum Pumpen von Flüssigkeiten benutzt werden, während die MHD-Beschleuniger allgemein zum Beschleunigen eines elektrisch leitenden Gases benutzt werden.

Es sind MHD-Generatoren bekannt, bei denen ' gegenüberstehende Paare von in Abschnitte unterteilten Elektroden verwendet werden, d. h. die Elektroden sind voneinander isoliert, und an die Elektroden eines jeden Paares sind einzelne Belastungen angeschlossen. Bei einem anderen bekannten Generator, bei dem zum Erzeugen des elektrischen Stromes der Halleffekt ausgenutzt wird, wird die Belastung an die Elektroden an entgegengesetzten Enden des Strömungspfades angeschlossen, wobei Paare der Zwischenelektrode!! kurzgeschlossen werden. Bei allen diesen MHD-Generatoren hat sich gezeigt, daß der Strom sich an einer Kante der Elektrode konzentriert und an dieser Stelle natürlich einen »heißen Fleck« erzeugt, der zu einer raschen Zerstörung der Elektrode führt. Die bisher vorgeschlagenen Elektroden wiesen eine begrenzte Strom-

ao führungskapazität auf, z.B. in der Größenordnung von 10 Amp/cm².

Die sich für die Verwendung in einer oxydierenden Umgebung eignenden und aus Metall bestehenden bekannten Elektroden sind selbst, bei verhältnismäßig _x-

a5 kleinen Stromdichten ungeeignet wegen deren Kühl- ** effekt auf die Grenzschicht über den Elektroden. Alle diese Metallelektroden müssen auf Temperaturen gehalten werden, die verhältnismäßig niedrig sind im Vergleich zu den Temperaturen, die zum Erzeugen der elektrischen Leitfähigkeit des Gases erforderlich sind, wobei die Temperaturen der Grenzschicht auf dieser Art von Elektroden verhältnismäßig niedrig ist und daher eine geringe Leitfähigkeit aufweist. Dieser Umstand führt zu konzentrierten Lichtbögen (heißen

Flecken) zwischen dem leitenden Teil des Gases und den Elektroden, wodurch diese rasch zerstört werden.

Die an sich bekannten Zirkonoxydelektroden sind

wegen ihrer begrenzten Stromführungskapazität nicht geeignet, wenn die Stromdichte den Wert von 10 Amp/cm² übersteigt. Dies ist eine Folge des Ohmschen Heizeffektes des in diesen Elektroden fließenden Stromes, wobei Temperaturen erzeugt werden, die die Schmelztemperatur des Zirkonoxyds und/oder der eingebetteten Leiter übersteigen.

Aus dem Obenstehenden geht hervor, daß die für MHD-Einrichtungen entwickelten und bei geringer Stromdichte befriedigend arbeitenden Elektroden versagen, wenn eine große Stromdichte benötigt wird.

Die Erfindung bezweckt daher, einen verbesserten Elektrodenaufbau für MHD-Einrichtungen zu schaffen, der bei hoher Temperatur unter Verwendung großer Stromdichten befriedigend arbeitet.

Die erfindungsgemäßen Elektroden sollen Grenzschichten mit hoher Temperatur zulassen, wobei der Spannungsabfall an den Elektroden und die Wärmeübertragung auf die Elektroden gering gehalten werden soll.

Die verschiedenen Ziele und Vorteile der Erfindung werden bei einer Elektrode der vorausgesetzten bekannten Art dadurch erzielt, daß das freiliegende Metall, dessen Oxyd elektrisch leitend ist, nur einen Teil des einen Endes des Basisteiles bedeckt und der restliche Teil von dem feuerfesten Material bedeckt wird, welches bei der Temperatur des Strömungsmittels praktisch nichtleitend ist und senkrecht zur Strömungsrichtung des Strömungsmittels eine Abmessung aufweist, die ausreicht, um mindestens einen

Teil ihrer dem Strömungsmittel ausgesetzten Oberfläche auf einer Temperatur zu halten, die wesentlich über der des dem Strömungsmittel ausgesetzten Metalls beim Betrieb der magnetohydrodynamischen Einrichtung liegt. Für die Zwecke der Erfindung werden Metalle wie Platin und Iridium, die eine befriedigende elektrische Leitfähigkeit aufweisen, jedoch nicht nennenswert oxydieren, denjenigen Metallen gleichgesetzt, deren Oxyde leitend sind, wie z. B. Silber. Als Beispiele für feuerfeste Metalle werden angeführt Aluminium, BerylHumoxyd und Bornitrid.

Die Erfindung wird' nunmehr beschrieben.

In den Zeichnungen ist die

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Elektrode nach der Erfindung,

F i g. 2 ein senkrechter Schnitt durch einen Elektrodenaufbau nach der Erfindung,

Fig. 3 ein senkrechter Schnitt durch einen abgeänderten Elektrodenaufbau nach der Erfindung und die

F i g. 4 ein schematisch gezeichneter Querschnitt durch einen typischen MHD-Generator.

Die F i g. 1 zeigt einen als Ganzes mit 10 bezeich-' neten Elektrodenaufbau, der aus einem metallischen Basisglied 11, z. B. aus Kupfer, besteht, das mit einem Kanal 12 zur Aufnahme eines Kühlmittels versehen ist. Da das Basisglied Il bei längeren Betriebszeiten gekühlt werden muß, kann es aus einem einen geringen elektrischen Widerstand aufweisenden Metall, z. B. aus Kupfer hergestellt werden.

Ein Teil 13, der in der Nähe des heißen Strömungsmittels gelegenen Stirnfläche 14 des Basisgliedes ist mit einem Belag aus einem Metall 15, dessen Oxyd elektrisch leitend ist (z. B. Silber), oder aus einem nicht oxydierenden Metall, z. B. Platin oder Iridium, versehen. Ist das dem Gas ausgesetzte Metall IS oxydierbar, so muß das Oxyd elektrisch leitend sein. Anderenfalls wird eine lange Lebensdauer zusammen mit einer großen Stromführungskapazität (größer als die von Zirkonoxydelektrpden u. dgl.) nicht erzielt. Die Dicke des freiliegenden Metalls braucht nur so groß bemessen zu werden, daß die Elektrode eine ausreichend lange Lebensdauer erhält, da alle diese Elektroden in gewissem Ausmaß erodiert werden, und die Fläche des freiliegenden Metalls soll so gewählt werden, daß bei jeder Elektrode die Sollstromdichte erreicht werden kann.

Der restliche Teil 16 der Stirnseite 14 des Basisgliedes trägt einen Belag aus einem feuerfesten Material 17, z. B. Aluminiumoxyd, BerylHumoxyd oder Bornitrid, welche Materialien bei der Temperatur des elektrisch leitenden Strömungsmittels elektrisch und thermisch gut isolieren. Das feuerfeste Material 17 soll keinen nennenswerten elektrischen Strom führen. Dies ist notwendig, da die Hauptfunktion des feuerfesten Materials darin besteht, die Grenzschicht über den Elektroden auf die höchstmögliche Temperatur zu erhitzen oder diese Temperatur aufrechtzuerhalten, nicht aber Strom zu führen. Wird ein feuerfestes Material verwendet, das bei der Temperatur des Gases einen wesentlichen elektrischen Strom führen kann, wie z. B. Zirkoniumoxyd, so ist ein aisbaldiges Versagen oder eine Zersetzung bei den großen Stromdichten zu erwarten als Folge der ohmschen Erhitzung des feuerfesten Materials. Gerade'aus diesem Grunde sind die bekannten Elektroden, die mit einem freiliegenden Belag aus Zirkoniumoxyd versehen sind, der den gesamten Elek-

trodenstrom führt und mit Metalleitern Kontakt hat, für hohe Stromdichten in den Elektroden ungeeignet.

, Bei solchen Elektroden sucht der Strom sich an der Übergangsstelle zwischen dem Zirkonoxyd und den Metalleitern zu konzentrieren und erzeugt infolge der resultierenden ohmschen Erhitzung an diesen Stellen in der Elektrode Temperaturen, die den Schmelzpunkt des Zirkonoxyds und/oder der Metalleiter übersteigen.

Die Dicke des feuerfesten Materials 17 wird dementsprechend vorzugsweise so bemessen, daß an der freiliegenden Fläche 18 des feuerfesten Materials nur die höchstzulässige Temperatur erhalten wird. Liegt die Temperatur des Gases unter dem Schmelzpunkt oder unter derjenigen Temperatur, bei der das feuerfeste Material erweicht, so wird die Dicke des feuerfesten Materials (die zur Richtung der Gasströmung senkrechte Abmessung) so gewählt, daß nur die höchste Oberflächentemperatur erreicht wird. Über-

ao steigt andererseits die Temperatur des Gases die Schmelztemperatur des feuerfesten Materials, so wird dessen Dicke so bemessen, daß an der freiliegenden Fläche des feuerfesten Materials eine Temperatur auftritt, die niedriger ist, jedoch nicht wesent-

s5 lieh niedriger als die Temperatur, bei der das feuerfeste Material schmilzt oder wesentlich erweicht.

Hiernach besteht die Funktion des feuerfesten Materials darin, die Grenzschicht über den Elektroden genügend erhitzt zu halten, während das freiliegende Metall den Strom führen soll. Bei sehr langen Betriebszeiten. bewirkt eine ausreichende Kühlung des Basisgliedes die erforderliche Wärmeableitung und die Temperaturen der verschiedenen Teile der Elektrode werden innerhalb der Sicherheitsgrenzen gehalten. Daher kann die Fläche des feuerfesten Materials und deren Oberflächentemperatur ohne Schwierigkeiten so gewählt werden, daß in der Grenzschicht über dem dem Gas ausgesetzten Metall die höchste Temperatur herrscht, wobei an diesen Stellen der kleinste Elektrodenspannungsabfall auftritt und ferner das Auftreten konzentrierter Lichtbogen oder von heißen Flecken verhindert wird, die die Elektroden erodieren und zerstören. Das Vermeiden von Metallen, deren Oxyde elektrisch nichtleitend sind, gestattet weiterhin eine Herabsetzung des Elektrodenspannungsabfalls und die Anordnung des feuerfesten Materials zwischen allen Stellen des dem Gas an benachbarten Elektroden ausgesetzten Metalls verhindert eine Lichtbogenbildung zwischen benachbarten Elektroden oder setzt die Neigung hierzu zumindest wesentlich herab. Die am Basisglied vorgesehenen einseitigen Nuten, d. h. Nuten, die sich bis zur Kante des Basisgliedes erstrecken, ermöglichen einen größten Abstand und damit eine geringste Lichtbogenbildung zwischen benachbarten Teilen des freiligenden Metalls an benachbarten Elektroden.

Die F i g. 2 zeigt eine Anzahl von Elektrodenabschnitten 11 a-lld. Wie zu ersehen ist, bedeckt das feuerfeste Material 17 nicht nur einen Teil des Endes einer jeden Elektrode und befindet sich zwischen benachbarten Teilen des dem Plasma oder dem-Gas ausgesetzten Metalls 15, wie in der Fi g. 1 dargestellt, sondern- befindet sich auch zwischen den Basisgliedern und isoliert diese elektrisch voneinander.

Die F i g. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der derjenige Teil des Endes der Basisglieder 11 a-lld, der von dem dem Gas aus-

gesetzten Metall 15 bedeckt ist, sich zwischen den Außenkanten 20 und 21 befindet. Diese Anordnung ermöglicht eine gleichmäßigere Kühlung des dem Gas ausgesetzten Metalls, während zugleich derselbe Abstand geschaffen wird, wie in der F i g. 2 dargestellt.

Die Fig. 4 zeigt eine herkömmliche MHD-Einrichtung mit einem langgestreckteni&trömungskanal 22, der in die Papierebene hinein verläuft, und mit den Elektroden 11, die im Kanal so angeordnet sind, daß die Oberflächen des feuerfesten Materials und des dem Strömungsmittel ausgesetzten Metalls im wesentlichen parallel zum Magnetfeld verlaufen, an welche Elektroden ein Belastungskreis angeschlossen ist, der der Einfachheit halber als ein einfacher ver- ts änderbarer Widerstand 23 dargestellt ist. Der Kanal befindet sich zwischen den Polstücken 24 und 25 eines geeigneten Magneten. Verläuft die Richtung einer ionisierten Gasströmung in die Zeichenebene hinein und wird ein Magnetfeld mit einer konstanten ao Flußdichte rechtwinklig zur Strömungsrichtung. zur Wirkung gebracht, wie durch die Pfeile B angedeutet, so wird im leitenden Gas rechtwinklig sowohl zum Magnetfeld als auch zur Richtung der Strömung eine EMK erzeugt. Diese EMK wirkt auf die freien Elektronen und auf das ionisierte Gas ein und bewirkt den Fluß eines Elektronenstromes zwischen den Elektroden 11 und durch die Belastung 23 in der durch den Pfeil I angedeuteten Richtung. Wird die Richtung der Gasströmung oder des Magnetfeldes umgekehrt, so fließt der Strom in der umgekehrten Richtung.

Die Temperaturen der freiliegenden Oberfläche des feuerfesten Materials betragen ungefähr 2000 bis 2500° K, während die Temperatüren des dem Gas ausgesetzten Metalls, je nach dem verwendeten Metall ungefähr 500 bis 1000° K betragen. Die nach der Erfindung aufgehauen Elektroden können für große Stromdichten entweder als Anoden oder als Kathoden benutzt werden, werden jedoch bei geringen Stromdichten vorzugsweise als Anoden benutzt. In der Praxis hat sich gezeigt, daß die nach der Erfindung konstruierten Elektroden bei großen Stromdichten als Kathoden befriedigend arbeiten. Es wird angenommen, daß dies eine Folge einer großen Anzahl von kleinen Kahtodenflecken ist, die sich an der Oberfläche des freiliegenden Metalls bilden und eine ausreichende Elektronenemission aufweisen, ohne das Metall wesentlich zur erodieren.

Claims (10)

Patentansprüche: 50

1. Elektrode für magnetohydrodynamische Einrichtungen, bestehend aus einem metallischen Basisteil, dessen eines Ende am Strömungsmittel gelegen ist und ein dem Strömungsmittel ausgesetztes Metall trägt, und aus einem feuerfesten Material, welches das freiliegende Metall bedeckt und seinerseits dem Strömungsmittel ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das freiliegende Metall (15), dessen Oxyd elektrisch leitend ist, nur einen Teil (13) des einen Endes (14) des Basisteiles (11) bedeckt und der restliche Teil (16) von dem feuerfesten Material (17) be,-deckt wird, welches bei der Temperatur des Strömungsmittels praktisch nichtleitend ist und senkrecht zur Strömungsrichtung des Strömungsmittels eine Abmessung aufweist, die ausreicht, um mindestens einen Teil (18) ihrer dem Strömungsmittel ausgesetzten Oberfläche auf einer Temperatur zu halten, die wesentlich über der des dem Strömungsmittel ausgesetzten Metalls beim Betrieb der magnetohydrodynamischen Einrichtung liegt.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das .Basisglied (11) und das freiliegende Metall (15) durch eine Kühleinrichtung (Kanal 12) auf einer Temperatur unterhalb derjenigen gehalten werden, bei der sie im wesentlichen erweichen.

3.. Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung aus einem ein Kühlmittel aufnehmenden Kanal (12) in der Nähe des einen Endes (14) des Basisteiles (11) besteht.

4. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Grenze des restlichen Teiles (16), der von dem feuerfesten Material bedeckt wird, mit einer ,,-· Hauptgrenze des einen Endes (14) des Basisteiles ** (11) zusammenfällt.

5. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das eine. Ende (14) des Basisteiles (11) eine erste und eine zweite Hauptgrenze aufweist, die in einer zur Strömungsrichtung des Strömungsmittels senkrechten Richtung verlaufen.

6. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Basisteil (11) zylindrisch ist und an seinem einen Ende (14) den inneren Umfang bildet. ■

7. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Basisteil (11) rechteckig prismatisch ausgestaltet ist und daß die freiliegenden Oberflächen des bedeckenden Metalls (15) und des feuerfesten Materials (17) im wesentlichen eben und in derselben Ebene gelegen sind. '

8. Elektrode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende (14) des Basisteiles (11) mit einer Nut versehen ist, die sich mindestens bis zu einer der Außengrenzen erstreckt, wobei das feuerfeste Material (17) in der Nut angeordnet ist.

9. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Anzahl von gegeneinander isolierten ähnlichen Teil-Elektroden besteht, die an mindestens einer Seite eines Kanals (22) angeordnet sind, der einen Strömungsmittelpfad quer zu einem Magnetfeld bildet, wobei das feuerfeste Material (17) zwischen den freiliegenden Metallen (15) an benachbarten Basisteilen (11) angeordnet ist und diese trennt.

10. Elektrode nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das feuerfeste Material (17) das freiliegende Metall (15) an benachbarten Basisteilen (11) um eine Entfernung voneinander trennt, die ausreicht, um einen Lichtbogen dazwischen praktisch zu verhindern.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen