DE1788031A1 - Elektrode fuer einen linearen MHD-Generator - Google Patents

Description

Dr. Horst Schüler Patentanwalt

β Frankfurt/Main 1 1788031

Niddaetr. 52

17. Sep. 1968

896-39-5D-721

General Electric Company, 1 River Road, Schenectady,H.Y.,USA

"Elektrode für einen linearen MHD-Generator"

Die Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung von Elektrizität in einem linearen magnetohydrodynamischen Generator (im folgenden MHD-Generator genannt) und im besonderen auf die Ausbildung einer Elektrode für einen solchen MHD-Generator,durch die der Wirkungsgrad eines solchen MHD-Generators gesteigert werden kann.

Durch die Bewegung eines elektrisch leitenden Ilediums in einem querverlaufenden Magnetfeld und im besonderen durch die Wechselwirkung zwischen dem sich bewegenden elektrisch leitenden Medium und dem Magnetfeld wird in dem Medium eine elektrische Potentialdifferenz hervorgerufen. Ein· Vorrichtung, in der

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das sich bewegende elektrisch leitende ffediun durch eine elektrisch leitende Strömung dargestellt ist, wird als IHID-Generator bezeichnet.

Die Gase, die in solchen bekannten KHD-Generatoren verwendet werden, werden im allgemeinen bei verhältnisnuissig hohen Temperaturen thermisch ionisiert und dadurch elektrisch leitend gemacht. Es stellt sich dabei in diesen ionisierten Gasen ein Ionisationsgleichgewicht ein, das den anrewendeten Temperaturen entspricht. Solche IIüD-Generntoron können daher als im Gleichgewicht befindliche Systeme betrachtet werden. Gase, die auf niedrigeren Temperaturen liercn, können durch das Anlegen eines elektrischen Feldes elektrisch leitend gemacht werden j dieses kann entweder von außen oder mit Hilfe der Faraday'sehen elektromagnetischen Induktion erfolgen, um die Elektronentemperatur des Gases zu erhöhen. Die dadurch induzierte Ionisierung ist keine thermische Gleichgewichtsionisierung mehr, und Systeoe, in denen Gase auf diese Weise elektrisch leitend gemacht werden, befinden sich im Ungleichgewicht. Aus zwei Gründen ist es wichtig, MHD-Generatoren zu entwickeln, bei denen die Ionisation keine thermische Gleichgewichtsionisation ist. Einmal ist die Betriebstemperatur dieser Generatoren niedriger als die Betriebstemperatur von fBID-Generatoren, die tsLt thermischer Gleichgewichtsionisation arbeiten, und weiten» können sie möglicherweise als Zusatzgeneratoren rar elektrische Kernenergieanlagen verwendet werden, in denen die Elektrizität

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nach der. Brayton- oder dem Rankine-Zyklus erzeugt wird. MHD-Generatoren, die nicht mit einer thermischen Gleichgewichtsionisation arbeiten, haben sich jedoch aus weiter unten noch zu erörternden Gründen noch nicht als sinnvoll erwiesen.

Bei einem bekannten MHD-Generator üblicher Bauart wird elektrisch leitendes Gas mit hoher Geschwindigkeit durch einen längsverlaufenden oder linearen Kanal hindurchgeführt, der einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Ein solcher MHD-Generator, der im folgenden als linearer ISID-Generator bezeichnet werden soll, erfordert Mittel, mit denen quer zur Achse des linearen Kanals ein Macnetfeld hervorgerufen werden kann. Wenn einmal die Leitfähigkeit des strömenden Gases, dann seine Strömungsgeschwindigkeit und schließlich die Stärke des querverlaufenden Magnetfeldes ausreichend groß sind, bilden sich zwei unterschiedliche meßbare elektrische Potentialdifferenzen aus. Die erste dieser beiden Potentialdifferenzen ist das sogenannte Faraday'sehe Feld. Dieses Faraday'sehe Feld steht sowohl auf dem Magnetfeld als auch auf der Strömungsrichtung des ionisierten Gases senkrecht. Die zweite elektrische Potentialdifferenz wird als Ha?l-Potential bezeichnet. Dieses Hall-Potential verläuft oaer zum Magnetfeld, ist jedoch in axialer Richtung, d.h. in Richtung der Strömung des elektrisch leitenden Gases gerichtet. Leistung kann aus dem MHD-Generator sowohl aus der

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Hall-Potential als auch aus dem Farady¹sehen Feld entzogen werden. Entnimmt man die Leistung dem Faraday'sehen Feld, so v/erden den MHD-Kanal entlang Lastimpedanzen angeordnet. Will man die Leistung dem Hall-Potential entnehmen, werden diese Impedanzen kurzgeschlossen, und die Leistung wird mit Hilfe axialer Impedanzen abgenommen. Eine besondere Kenngröße für den MHD-Generator ist die Größe ß , die als das Verhältnis der Zyklotronfrequenz des Elektrons zur Atom-Elektron-Stoßfrequenz in dem strömenden elektrisch leitenden Gas definiert ist. Diese Größe ist außerdem der Stärke des Hagnetfeldes und der Leitfähigkeit des Gases direkt und der Elektronendichte umgekehrt proportional. Die Leitfähigkeit des Gases und die Elektronendichte, die Plasmaeigenschaften sind, sind der Elektronentemperatur im strömenden Gas proportional.

Aus mehreren Gründen erscheint es als günstig, MHD-Generatoren bei möglichst hohen Werten von ß zu betreiben. Hierzu gehört die Tatsache, daß man mit stärkeren Magnetfeldern und höheren elektrischen Leitfähigkeiten höhere Leistungen erzielen kann. Ein anderer Grund besteht darin, daß die Größe ß von selbBt groß wird, wenn man in MHD-Generatoren inerte Gase benutzt. Solche Gase sind aber bevorzugte Arbeitsgase für MHD-Generatoren, da sie als Kühlmittel in Hochtemperaturkernreaktoren verwendet werden können und weil sie verhältnismäßig leicht ionisiert werden können, da ihr elastischer Elektronenstoßquerschnitt nur klein ist. Dieser hohe Wert

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von ß , der erheblich größer als eins ist, ist auch dem klei·

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nen elastischen Elektronenstoßquerschnitt eines inerten Gases zuzuschreiben.

Theoretisch beträgt in einem MHD-Generator das Verhältnis des Hall-Potentials zum Faraday'sehen Potential ß . Dieses Verhältnis ist jedoch in Wirklichkeit immer kleiner als ß . Ein MHD-Generator mit einem inerten Gas, in dem die Ionisation keine thermische Gleichgewichtsionisation ist, und bei dem die Leistung aus dem Faraday-Feld entnommen wird, arbeitet notwendigerweise mit einem hohen Faraday-Potential und mit einem großen ß . Um in solchen Generatoren einen vernünftigen Wirkungsgrad erzielen zu können, ist es daher erforderlich, auch ein hohes Hall-Potential aufrecht zu erhalten.

Ein großer Wert von ß und möglicherweise inerte Arbeitsgase würden in solchen Systemen notwendig sein. Instabilitäten und Ungleichförmigkeiten könnten dann jedoch die Elektronenaufheizung beeinträchtigen und das Hall-Potential kurzschließen. Im besonderen dann, wenn die Energie aus dem Faraday'sehen Feld entnommen wird, ist es erforderlich, die Elektroden in axialer Richtung zu unterteilen, d.h., den ganzen Strömungskanal für das elektrisch leitende Gas eines linearen MHD-Generators entlang elektrisch isolierte Elektrodensegmente anzubringen, um das Kurzschließen des Hall-Potentials zu verhüten.

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Bei MHD-Generatoren mit axial unterteilten Elektroden, die mit hohen Werten für ß_e arbeiten, besteht eine Schwierigkeit darin, daß die Stromdichte an besonderen Stellen der Elektrodensegmente, gewöhnlich an ihren Kanten, sehr hoch wird.

Die Erfindung beinhaltet eine Elektrodenausbildung für einen linearen MHD-Generator, in dem die Ionisation doa Arbeitsgases keine thermische Gleichgewichtsionisation ist. Diese Elektrodenausbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß innen an zwei sich gegenüberstehenden Wänden des Kanals für da3 Arbeitsgas des HHD-Generators bündig abschließend in axialer und in Querrichtung unterteilte Elektrodensegmente angeordnet sind. Es ist günstig, wenn zwei in axialer Richtung nebeneinanderliegende Elektrodensegmente in Querrichtung bzw. in Richtung des magnetischen Feldes gegenseitig versetzt sind.

Im Folgenden soll die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung, die perspektivisch einen Teil eines Sfcrör.ungskanales für einen linearen MHD-Generator mit der erfindungsgenüfen Elektrodenausbildung darstellt, im einzelnen beschrieben werden.

In der Zeichnung ist ein Strömungskanal 1 für einen linearen MHD-Generator mit einem rechteckigen Querschnitt dargestellt. An zwei sich gegenüberstehenden Seitenwänden 3 und 4 des

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Strömungskanales 1 sind eine Anzahl von Elektrodensegmenten 2 angeordnet, die sowohl in axialer Richtunr. als auch quer zur Strömungsrichtung an dem Kanal verteilt sind. Die Unterteilunc der Elektroden in Querrichtung ist wichtig, um die Konzentration des Faraday'sehen Feldes zu verhindern und um die Stromdichte an bestimmten Stellen dieser Elektroden nicht zu groß werden zu lassen. Die Elektrodensegmente 2 sind elektrisch voneinander isoliert, so daß kein axialer Strom bzw. kein Hall-Strom zwischen ihnen fliessen kann. Die Elektrodensegmente 2 sind so montiert, daß sie mit den Innenflächen der Kanalwände 3 und ¹I bündig abschließen. Durch diesen bündigen Abschluß mit den Innenwänden werden zwar die Elektrodenverluste etwas größer. Gasdynamische Störungen im strömenden Arbeitsgas werden dadurch jedoch herabgesetzt. Zusammen mit der zweidimensionalen Unterteilung der Elektroden kann dadurch ein hohes Hall-Potential aufrechterhalten werden, wodurch angezeigt ist, daß von der zur Verfügung stehenden elektrischen Energie nur sehr wenig durch Strömung in axialer Richtung innerhalb des miD-Generators verbraucht wird. Dadurch wird der Wirkungsgrad verbessert, mit dem die elektrische Leistung von den sich gegenüberstehenden Elektrodensegmenten an den Kanalwänden 3 und b abgenommen werden kann. Lichtbögen zwischen axial nebeneinanderliegen'.en Elektrodensegmenten, die durch Konvektion in der Ent-Irdung hervorgerufen werden können, und durch die das Hall-Potential intern kurzgeschlossen werden kann, werden dadurch verhütet, daß axial nebeneinanderliegende Elektroden-

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segmente gegenseitig in Richtung des Magnetfeldes versetzt sind. Durch dieses Versetzen axial nebeneinanderliegender Elektrodensegmente kann auch die Axialentfernung zwischen den einzelnen Elektrodensegmenten verringert werden, wodurch der Wirkungsgrad des Generators weiterhin erhöht wird.

Nimmt man den linearen MHD-Kanal, der in der Zeichnung dargestellt ist, in Betrieb, so wird ein inertes Gas oder ein mit Alkalimetall geimpftes inertes Gas mit einer Elektronen-

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dichte von etwa 10 Elektronen pro ecm mit hoher Geschwindigkeit durch den Kanal hindurchgeführt, wie es in der Zeichnung durch den Vektor U dargestellt ist. Die Elektronen können durch thermische Ionisation und/oder duroh eine äussere Ionisation hervorgerufen sein. Von einer Spule (nicht gezeigt) wird ein Magnetfeld hervorgerufen, das in der Zeichnung durch den Vektor B dargestellt ist. Dieses Hagnetfeld ist quer zum Kanal gerichtet und verläuft in dem Gebiet zwischen den Elektroden an den Kanalwänden 3 und H, Aufgrund der Faraday'sehen Induktionswirkung ruft dieses Magnetfeld zwiechen den Wänden 3 und H ein elektrisches Potential hervor und erhöht die Ionisation des inerten Gases im Kanal 1 Ober den thermischen Ionisationsgrad hinaus. Die Wechselwirkung zwischen dem strömenden ionisierten Obs und dem Magnetfeld ruft in dem Gas, das durch den Kanal 1 strömt, das Faraday*sehe Potential und das Hall-Potential hervor. Elektrische Energie wird nun aus dem bq entstandenen Faraday'sehen Potential

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über die Elektrodensegmente entzogen. Zu diesen Zweck ist jedes Elektrodensegment an der Kanalwand 3 durch einen ausserhalb des Kanals 1 verlaufenden elektrischen Kreis mit einem gegenüberliegenden Segment 2 an der Kanalwand k verbunden. Wenn Leistung erzeugt wird, fließt Strom durch diesen Stromkreis zwischen zwei sich gegenüberstehenden Elektrodensegmente. Um den Wirkungsgrad der Leistungserseucung über den gesamten Kanalquerschnitt möglichst groß zu machen, ist in jedem elektrischen Kreis, mit dem zwei gegenüberliegende Elektrodensegmente verbunden sind, ein Rheostat vorgesehen, der so eingestellt wird, daß beim Betrieb des Generators durch alle Elektrodensegmentpaare ein gleichförmiger Strom fließt.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Elektrode wird in der. MHD-Generator ein verhältnismäßig hohes Hall-Potential aufrechterhalten und somit nicht vernichtet. Die innere Stromkonzentration an den Kanten der Elektroden, die normalerweise bei MHD-Generatoren mit einem hohen ß -Wert auftritt, wird durch die Unterteilung der Elektroden in Querrichtung stark vermindert. Die Tatsache, daß axial nebeneinanderliegende Elektroden in Querrichtung gegenseitig versetzt sind, erschwert die Ausbildung von Bogenentladungen die Kanalwände entlang und trägt daher zur Aufrechterhaltung eines hohen Hall-Potentials bei* Schließlich wird noch durch die Querunterteilung der Elektroden und die bündige Montage

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der Elektrodensegmente an den Kanalwänden die Weehselwirkung über den gesamten Querschnitt des Kanals möglichst groß gemacht, und Verluste durch Wirbelstrom©, Turbulenzen und andere gasdynamische Effekte werden sehr klein.

Um den technischen Portschritt zu zeigen, der sich durch die Erfindung erzielen läßt, wurden an einen linearen MHD-Generator mit einem Kanal von 5x5 qcm Querschnitt Versuche durchgeführt. Dieser Kanal war mit bündig montierten, sowohl in axialer Richtung als auch in Querrichtunr versetzten Elektrodensegmenten versehen. Der Abstand zwischen den Mitten zweier nebeneinanderliegender Elektroden-Sef— mente betrug sowohl in axialer Richtung als auch in Querrichtung etwa 1 cm. Die Elektrodensegmente waren als Scheibchen mit einem Durchmesser von etwa 3«2 mm ausgebildet. Um quer zum Kanal ein Magnetfeld mit einer Feldstärke bis zu 30 000 Gauss zu erzeugen, wurde ein Kondensator durch eine Spule hindurch entladen. Bei diesen Versuchen wurde als Arbeitsgas Neon, Helium, Argon und Xenon mit und ohne Impfung mit Caesium verwendet. Die Gastemperaturen lagen in der. Dereich zwischen 2800° und 8000°K. Die Strömungsgeschwindigkeiten lagen zwischen 800 und 1700 m/sec, was örtlichen Machzahlen zwischen 1 und 1,6 entsprach. Der Hall-Parameter wurde von weniger als 1 bis auf 30 geändert, und die gefundenen Werte für die Hallspannung stimmte mit den theoretischen Werten für einen MHD-Generator mit Gleichgewientsplasma

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überein. Verwendete man dagegen unter den gleichen Bedingungen axial unterteilte Elektroden, die nicht bündig mit den Kanalwänden abschlossen, sondern in den Kanal hineinragten, ergab sich eine Hall3pannunp, die nur etwa halb so groß wie mit bündig abschließenden Elektroden war. Dieses Ergebnis spricht für die Bedeutung der erfindungsgemäßen Elektrodenausbildung.

Bei einem dieser Versuche wurde eine Gasmischuno aus 9°" Neon und 2£ Xenon bei einer Temperatur von 28OO°K durch den Kanal mit einer Strömungsgeschwindigkeit von lCOO r./sec entsprechend einer Machzahl von 1,3 hindurchpeschickt. Die Elektronendichte im Gas wurde beim Eintritt in den Kanal durch ein äußeres Gleichfeld von 10 auf 10 Elektronen pro ccr. erhöht, toter dem Einfluß des Magnetfeldes stieg dann die Elektronendichte im Kanal auf 10 ^ Elektronen pro ecm an. Bei diesem Versuch wurde eine Leistung in der Grössenordnung von einigen 10 Kilowatt erreicht, und dctei betrug der Wirkungsgrad der Energieumwandlung etwa ΊΠ. Dit-ser Wirkungsgrad ist erheblich besser als der Wirkungsgrad -.rgendeines bisher bekannten MHD-Generators, der mit einer ÜLor das thermische Gleichgewicht hinaus erhöhten Ionisation arbeitete.

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Claims (5)

Patentansprü.che: ssssssssssssssssssssssssssssss

1. MHD-Generator mit einer über das thermische Gleichgewicht hinaus gesteigerten Ionisation des Arbeitsmediums, der einen länpsverlaufenden Kanal aufweist, durch den das Arbeitsmedium in axialer Richtung mit hoher Geschwindigkeit hindurchführbar ist, wobei in dem Kanal quer zur Längsachse ein Magnetfeld erzeugbar ist, und bei dem eine Vorrichtung vorgesehen ißt, durch die aus einem elektrischen Feld Strom entnehmbar ist, das senkrecht auf der Längsachse des Kanals und auf den Feldlinien des Magnetfeldes steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eur Entnahme dee elektrischen Stromes ISlektrodensegmente (2) aufweist, die mit zwei sich gegenüberstehenden Kanalwänden (3, k) bündig abschließend montiert und sowohl in axialer Richtung ale auch in Richtung dee Magnetfeldes unterteilt sind*

2, MHD-Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Ewei axial nebenelnanderlieeende Elektrodensegmente in Richtung des Magnetfeldes g*|tnseitlg versetzt sind. . \:

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3. MHD-Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium ein inertes Gas ist, das durch die Anlegung eines magnetisch induzierten elektrischen Feldes elektrisch leitend gemacht worden ist.

¹I. MHD-Generator nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass als inertes Gas Helium, Neon, Argon, Xenon oder eine Mischung dieser Gase verwendet ist.

5. MHD-Generator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das inerte Gas mit einer kleinen Menge eines Alkalimetalldampfes geimpft ist.

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