DE4208313A1 - Energieumwandlungsanlage mit magnetohydrodynamischen generator zur umwandlung von waermeenergie in elektrische energie - Google Patents

Description

Der magnetohydrodynamische Effekt ist ein Spezialfall der elektro­ magnetischen Induktion. Bewegt sich ein frei bewegliche Ladungsträger enthaltender Stoffstrom durch ein Magnetfeld, so baut sich senkrecht zu Magnetfeld und Strömungsrichtung ein elektrisches Feld auf. Dieses führt zur Ladungstrennung, so daß eine elektrische Spannung abgenommen werden kann. Die innere kinetische Energie des Stoffstromes wird direkt in elektrische Energie umgewandelt.

Zur Zeit ist die Ausnutzung des magnetohydrodynamischen Effektes nur mit auf Plasmatemperaturen erhitzten Gasströmen möglich. Das sind speziell heiße Verbrennungsgase oder Gaskreisläufe mit ionisierten, aggressiven Saatstoffen. Diese Gasströme stehen unter hohem Druck und bewirken über ihre hohe Strömungsgeschwindigkeit ein starkes elek­ trisches Feld. Anlagen auf dieser Grundlage sind als Versuchsanlagen und als Hochspannungsgeneratoren für die geophysikalische Forschung im Einsatz.

Die direkte Umwandlung von Wärme in Elektroenergie ist nur so lange möglich, wie sich der heiße Gasstrom im ionisierten Temperaturbereich befindet. Die hohen Temperaturen erfordern für Brennkammern, Wärmetauscher und Strömungskanäle besondere Werkstoffe. Für die wirtschaftliche Nutzung ist wegen der hohen Resttemperatur der Gase die Nachschaltung herkömmlicher Dampfkraftanlagen erforderlich.

("Elektrizität im Blickpunkt"; Walter Conrad, Seiten 17-19, Fachbuchverlag Leipzig, 1981, 1. Auflage)

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die hohen Werkstoffanforderungen und anlagenbaulichen Erfordernissen zu umgehen. Wärmequellen mit niedrigen Temperaturen nutzbar zu machen als auch einen möglichst hohen Wirkungsgrad für die Energieumwandlung zu erreichen.

Das genannte Problem wird mittels des im Patentanspruch 1 aufge­ führten Merkmals gelöst. Der bewegte Ladungsträgerstrom wird von einer strömenden Elektrolytlösung gebildet. Diese wird in Abhängigkeit vom erforderlichen Arbeitstemperaturbereich ausgewählt und kann eine wäßrige Salz-, Basen- oder Säurelösung sein. Für tiefere Arbeitstempera­ turen kann auch verflüssigtes Ammoniak mit darin gelöstem Natrium oder Kalium eingesetzt werden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß für die Erzeugung von Elektroenergie im direkten Umwandlungsprozeß eine niedrige Arbeitstemperatur wählbar ist, vorhandene Energieträger, fast vollständig ausnutzbar sind und Wärmequellen mit niedrigen Temperaturen erschließbar werden.

Die Anpassung der Energieumwandlungsanlagen innerhalb einer Leistungs­ klasse an verschiedene Wärmequellen und Energieverbraucher erfolgt durch die Anpassung der Hauptbaugruppen für Wärmeaufnahme und Elektro­ energieabgabe. Der Generatorblock einer Leistungsklasse muß nicht ver­ ändert werden, so lange der Arbeitstemperaturbereich der Elektrolytlösung nicht wesentlich beeinflußt wird.

Die umfangreichen Nutzungsmöglichkeiten sind dadurch gekennzeichnet, daß die physikalische Funktion einer jeden Hauptbaugruppe erhalten bleibt; auch bei unterschiedlicher wirtschaftlicher Auslegung.

Der generelle Aufbau von Energiewandlungsanlagen mit magnetohydro­ dynamischen Generator ist in der Zeichnung dargestellt und wird folgend näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1: Den Grundaufbau von Energieumwandlungsanlagen mit magneto­ hydrodynamischen Generator

Fig. 2: Den Gesamtaufbau des Generatorblockes

Fig. 3: Den Querschnitt des Generatorblockes

Fig. 4: Den Strömungskanal mit Abnahmeelektroden

Fig. 5: Das Sankey-Diagramm zur Energieumwandlung.

Jede Anlage besteht nach Fig. 1 aus folgenden Hauptbaugruppen: Hauptwärmetauscher (1), Generatorblock (2), Stromumformer/Wandler (3), Wärmerückführsystem (4) sowie Steuer- und Regelblock (5).

Der Hauptwärmetauscher entnimmt über die unterschiedlichsten Wärme­ träger die Wärmeleistung einer Energiequelle und überträgt sie auf die Elektrolytlösung.

Im Generatorblock wird die erwärmte Elektrolytlösung auf die nötige Strömungsgeschwindigkeit beschleunigt und durch den elektrischen Energieentzug wieder abgekühlt. Die abgegebene elektrische Leistung ist betragsgleich dem Wärmeentzug. Die Bauaelemente des Generatorblockes nach den Fig. 2-4 haben folgende Aufgaben:

- Die Strömungspumpe (a) beschleunigt die Elektrolytlösung. Das ist vorteilhafterweise eine Ionenpumpe. Die Elektrolytlösung wird durch eine elektrische Spannung innerhalb eines Magnetfeldes in Bewegung gesetzt.
- Der Umwandlungsbereich besteht aus einem Strömungskanal (b) mit reihenverschalteten Abnahmeelektroden (Fig. 4), welcher sich im Luftspalt zwischen den Erregermagneten (c) befindet. Abnahmeelektroden und Ver­ bindungskontakte sind in Kunstharz eingegossen und bilden so den Strö­ mungskanal. Die Magnete sind paarweise zu Blöcken geordnet. Sie bestehen aus mehrstufigen Spulen (c1) mit Eisenkern (c2). Alle Bauteile ruhen auf einer eigenen Abstützung (d) und werden von Transformatorenöl umspült. Im Generatorgehäuse (e) sind weiterhin Rippenrohre (f) eingebaut. Durch sie fließt ein Teil der abgekühlten Elektrolytlösung und nimmt die Abwärme der Erregerspulen wieder auf.

Der Generatorblock kann als selbsterregter Nebenschluß-Gleichstrom­ generator betrieben werden.

Der Stromumformer ist je nach der Aufgabe der Anlage ein leistungs­ elektronisch gesteuerter Transformator oder ein anderer elektrischer Verbraucher, der den Gleichstrom in die gewünschte Energieart umwandelt.

Das Wärmerückführsystem nimmt die Verlustwärme der Hauptbaugruppen über eigene Wärmetauscher auf und überträgt sie wieder auf die Elektrolyt­ lösung. Die Umwandlungsverluste werden so in einem geschlossenen Kreislauf ständig zurückgeführt, wie im Sankey-Diagramm nach Fig. 5 zu ersehen ist.

Der Steuer- und Regelblock überwacht die Meßwerte der Ein- und Austrittstemperaturen an Generatorblock und Hauptwärmetauscher. An der Rechnereinheit erfolgt der Vergleich mit der elektrischen Leistung an Generator und Stromumformer. Als Grundregelstrecke wird die Wärmeum­ setzung an der Elektrolytlösung benutzt. Die Meßwerte der elektrischen Energieabgabe werden als schnellwirkende Hilfsstellgrößen auf die Grundregelstrecke aufgeschlagen und wirken so vor der Trägheit des Temperaturkreislaufes auf die Leistung einer Primärenergiequelle ein.

Die Modifizierung der Energieumwandlungsanlagen erfolgt einfach durch die technologische Funktionsbelegung der Hauptbaugruppen.

Bei Gewinnung elektrischer Energie für Außenverbraucher wird der Stromumformer (Transformator) so bemessen, daß er den Generatorgleichstrom in die Stromart mit den gewünschten Parametern umwandelt. Die Konstruktion des Hauptwärmetauschers hängt vom Wärmeträgerangebot der verfügbaren Energiequelle ab.

Beim Ersatz von Wärme- und Kältepumpen nimmt der Hauptwärmetauscher die Wärmeenergie der zu kühlenden Seite auf und überträgt sie auf die tieftemperierte Elektrolytlösung. Diese ist hier eine hochkonzentrierte Salzlösung mit niedrigen Gefrierpunkt. Im Generatorblock wird die aufgenommene Wärme in elektrische Energie umgewandelt. Die dabei zurück­ gekühlte Salzlösung fließt zur Kühlerseite zurück. Der Generatorgleich­ strom wird über einen Heizwiderstand in Wärme mit höherer Temperatur umgewandelt und auf andere Stoffströme übertragen.

Der Einsatz als Dampfkondensator erfordert hauptsächlich die prozeß­ gerechte Gestaltung des Hauptwärmetauschers. Die Auswahl der Elektrolyt­ lösung hängt ab von den Temperaturbereichen der niederzuschlagenden Dämpfe. Kaltdämpfe erfordern hochkonzentrierte Salzlösungen bzw. sogar verflüssigtes Ammoniak mit Natrium- oder Kaliumbeimengung als Elektrolyt­ lösung. Den erzeugten Generatorgleichstrom kann man beliebigen technischen Prozessen zuführen.

Die Energierückgewinnung erfordert die Anpassung des Hauptwärmetauschers an den entsprechenden Abwärmestrom, sei es Hitzeabstrahlung, Abluft, erwärmtes Kühlwasser oder Brüdemdampf. Der Generatorgleichstrom kann zur Schaffung weitgehend geschlossener Energiekreisläufe genutzt werden.

Für die Erzeugung tiefer Temperaturen gilt das Prinzip des Kälte­ pumpeneinsatzes. Als Kühlmedium und Elektrolytlösung wird verflüssigtes Ammoniak mit Natrium- oder Kaliumbeimengung benutzt. So kann man direkt in Temperaturbereiche bis ca. -40°C vordringen. Mit der am Generator abzunehmenden Elektroenergie könnten die Kompressoren für Mehrstufen- Gasentspannungsanlagen zur Erzeugung tiefster Temperaturen mitange­ trieben werden. Die Abwärme der Verdichterstufen wird wieder auf die kalte Elektrolytlösung zurückgeführt. So könnte man die Kosten zur Gasverflüssigung und Kühlung technischer Systeme, wie supraleitende Spulen und Beschleuniger, senken.

Die Entsalzung von Meereswasser erfolgt durch Destillation. Der Haupt­ wärmetauscher schlägt den Wasserdampf nieder, kühlt das Kondensat und überträgt diese Wärme auf die kalte Elektrolytlösung. Diese fließt erwärmt zum Generatorblock, wo die Wärmeleistung in einen elektrischen Gleichstrom umgewandelt wird. Dieser betreibt die elektrisch beheizten Verdampfer. Die hochkonzentrierte Restsole aus der Eindampfung wird im Nebenwärmetauscher durch den Generatorkreislauf gekühlt. Dabei lassen sich gleichzeitig die Salze aus der Sole ausfällen.

Im Anschluß wird die überschlägige Bemessung von magnetohydro­ dynamischen Generatoren dargelegt.

Die Generatorblöcke sind mit einer 4%igen Salzlösung im Temperatur­ bereich von 0-100°C einsetzbar. Die Temperaturdifferenz an der Elektrolytlösung wird möglichst klein gewählt, um über den Volumenstrom eine höhere Quellspannung zu erreichen. Eine niedrige Temperatur am Generatorblock gestattet die Anwendung kleinerer Wärmetauscher.

Für tiefere Temperaturen von "Wärmequellen" wird einfach die Elektrolytlösung mit dem niedrigeren Gefrierpunkt eingesetzt.

Claims (5)

1. Energieumwandlungsanlage mit magnetohydrodynamischen Generator zur Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungsträgerstrom zur Erzeugung der Ladungs­ trennung im magnetohydrodynamischen Umwandlungsprozeß von einer strömenden Elektrolytlösung gebildet wird.

2. Energieumwandlungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungsträgerstrom von einer wäßrigen Salzlösung gebildet wird.

3. Energieumwandlungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungsträgerstrom von einer wäßrigen Basenlösung gebildet wird.

4. Energieumwandlungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungsträgerstrom von einer wäßrigen Säurelösung gebildet wird.

5. Energieumwandlungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungsträgerstrom von verflüssigten Ammoniak mit darin gelösten Natrium oder Kalium gebildet wird.