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Anordnung zur Erzeugung elektrischer Leistung Die Erfindung betrifft
eine Anordnung zur Erzeugung elektrischer Leistung unmittelbar durch Strömung von
ionisierten Medien innerhalb des Kraftlinienfeldes von Magneten unter Verwendung
einer Düsenanordnung zur Beeinflussung des Strömungsverlaufes des Arbeitsmittels.
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Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie, bei denen ein gasförmiges
Arbeitsmittel verwendet wird, dessen Teilchen positive Ladungen und freie Elektronen
enthält, das durch ein Magnetfeld geführt wird, sind bekannt. Für eine Energieumwandlung
mit hohem Wirkungsgrad ist eine große Ladungsdichte erforderlich. Bei den bisher
bekannten Anordnungen sind daher besondere Maßnahmen notwendig, um eine Ionisation
des Arbeitsmittels durchzuführen. Bei der Verwendung von Verbrennungsgasen als Arbeitsmittel
können die erzeugten freien Elektronen an einzelnen elementaren Stoffteilchen haften,
wodurch negative Ionen entstehen. Die negativen Ionen nehmen jedoch an der Arbeitsleistung
nicht teil, sondern neutralisieren ebenso viele positive Ionen. Die negativen Ionen
verursachen somit große Energieverluste.
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Es ist auch bekannt, als Arbeitsmittel Gase zu verwenden, die feste
Stoffteilchen von kolloidaler Größenordnung enthalten, die nach Erhitzung auf hohe
Temperatur Elektronen emittieren und selbst positive Ladungen enthalten. Zur Erhitzung
des Gases wird ein von außen beheizter Kessel verwendet.
Zur Erreichung
eines hohen Wirkungsgrades ist, wie bereits ausgeführt, eine große Ladungsdichte
erforderlich. Soll eine wirksame thermische Ionisation erreicht werden, so sind
hierfür Temperaturen von mehreren tausend Grad notwendig. Derartig hohe Temperaturen
wirken sich jedoch auf die zu verwendenden Materialien der Leit- und Führungsrohre
ungünstig aus, so daß zur Erreichung einer hohen Ladungsdichte bei technisch beherrschbaren
Temperaturen die thermische Ionisation nicht ausreichend ist. Darüber hinaus findet
vom Heizkessel an entlang des Gasweges eine Rekombination des Gases unter Mitwirkung
und starker zusätzlicher Erwärmung der Gefäßwandungen statt.
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Bei der Verwendung eines Reaktors als reine Wärmequelle, wie beispielsweise
bei einem Kraftwerk, stellen die im Reaktorkern durch die intensive Strahlung entstehenden
Ionen und radioaktiven Spaltprodukte für den konventionellen Teil eines Kraftwerkes
höchst schädliche Stoffe dar, da deren Aktivität auf die mechanischen Anlagen, welche
von Zeit zu Zeit ausgewechselt oder repariert werden müssen, übertragen wird. Zur
Vermeidung dieser Übertragung werden im Kraftwerksbau unter anderem Wärmetauscher
vorgesehen. Damit kann jedoch die vom Kernreaktor gelieferte Energie zur Ionisierung
des Mediums nicht in nutzbringende Energie umgewandelt und ausgenutzt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aufgezeigten Nachteile
zu vermeiden und eine vorteilhafte Anwendung eines Kernreaktors anzugeben, bei der
die Ladungsträgerbildung durch Kernzerfall und Strahlenwirkung besonders nutz-.
bringend verwertet wird.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß bei einer Anordnung zur
Erzeugung elektrischer Leistung unmittelbar durch Strömung von ionisierten Medien
innerhalb des Kraftlinienfeldes von Magneten unter Verwendung einer Düsenanordnung
zur Beeinflussung des Strömungsverlaufes des Arbeitsmittels, diese Anordnung zwecks
Umwandlung von Atomenergie in die elektrische Energieform unmittelbar an eine Einrichtung
angebaut oder strömungstechnisch angeschlossen ist, die durch gesteuerten Atomzerfall
gewonnene Energie in Form von wärme- und/oder druckgespannten Medien entsendet.
Der Energieinhalt, der durch Atomzerfall ionisierten wärme- und/oder druckgespannten
Medien wird zunächst in einer Düse ganz oder teilweise in strömende Bewegungsenergie
umgewandelt. Das strömende Medium durchströmt mit hoher Geschwindigkeit einen flachen
wandartigen Kanal, der hinter der Düse im Kraftlinienfeld eines magnetisch erregten
Kreises angeordnet ist. Die im Strömungsbandleiter entstehende Quer-EMK wird an
zwei elektrisch leitenden seitlichen Begrenzungsflächen des Strömungsbandleiters
abgegriffen und einem angeschlossenen äußeren Nutzstromkreis als treibende Spannung
zugeführt. Das Kraftlinienfeld wird bei einer Ausführungsform durch eine mit Gleichstrom
gespeiste Wicklung erregt, so daß im Strömungsbandleiter eine EMK von gleichbleibender
Richtung entsteht.
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Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird das Kraftlinienfeld
durch eine mit Wechselstrom gespeiste Wicklung erregt, so daß im Strömungsbandleiter
eine EMK von wechselnder Richtung entsteht. In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung
der Erfindung wird der im Bereich des Kraftliniendurchtritts erzeugte Strom außerhalb
des Kraftliniendurchtritts in umgekehrter Richtung durch den Strömungsbandleiter
zurückgeführt, so daß Kurzschlußstromwindungen entstehen, die durch zwei Bandleiterabschnitte
und zwei metallische Verbindungsstücke zwischen diesen Bandleiterabschnitten gebildet
werden. Die Kurzschlußstromwindungen rufen die Durchflutung eines oder mehrerer
von ihnen umschlungener magnetischer Eisenkreise hervor, die die transformatorische
Umwandlung des inneren Generatorkurzschlußstromes in einen äußeren Nutzstrom bewirken.
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Durch Zusammenschaltung dreier gleicher Anordnungen, wie sie oben
beschrieben sind, ist es möglich, verketteten Drehstrom zu erzeugen, indem die Erregerwicklungen
durch drei je um I2o elektrische Grade versetzte Wechselströme gespeist werden.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung ist in der Fig. I der elektrische
Teil der Anordnung dargestellt. Fig. 2 zeigt die vorteilhafte Weiterbildung des
elektrischen Teils der Anordnung nach der Erfindung. Durch die in Fig. I dargestellte
Rohrleitung I wird das aus einem in der Fig. I nicht dargestellten Kernreaktor strömende
flüssige oder gas- oder dampfförmige Medium, das durch Druck und/oder Wärme gespannt
ist, der Düse 2 zugeführt. In der Düse 2 wird die Druckenergie des Mediums in kinetische
Strömungsenergie umgesetzt. In der Erweiterung 3 wird der kreisförmige Querschnitt
der Strömung in die Form umgewandelt, die für die nun folgende Durchströmung des
Kraftlinienfeldes zweckmäßig ist, vorzugsweise in eine bandartige breite und dabei
flache Flüssigkeits-, Dampf- oder Gasströmung. Dieser in der Erweiterung 3 erreichte
Querschnitt wird in dem darauffolgenden Flachrohr q. beibehalten. Das Flachrohr
ist ein Isolierrohr aus elektrisch nichtleitendem Material, das zugleich hohen Temperaturen
standhält. Zwei an das Flachrohr angesetzte Elektroden 5 und 6, vorzugsweise als
Quecksilberdampflichtbogenelektroden ausgebildet, bewirken die Leitfähigmachung
des strömenden Mediums, vorzugsweise die Ionisierung des Gases oder Dampfes. Bei
einem schon leitfähigen Arbeitsmittel entfällt diese Notwendigkeit. Das Flachrohr
q. ist durch den Luftspalt 7 eines magnetischen Kreises geführt; dieser besteht
aus dem Schenkel 8, den beiden Jochen 9, io und den Polschuhen 1i, r2. Die Erregerwicklung
13 wird von einer Gleichstromquelle her mit Gleichstrom beschickt und erzeugt eine
starke Durchflutung des magnetischen Kreises einschließlich seines Luftspaltes 7,
so daß ein
Kraftlinienfeld 14 von möglichst hoher Induktion B auch
das strömende Medium 15 durchsetzt. Bewegt sich das Medium 15 mit hoher Strömungsgeschwindigkeit
v durch das Kraftlinienfeld 14, so entsteht im Medium quer zur Kraftlinienrichtung
durch Ladungstrennung eine Quer-EMK = E. Werden die rechte und linke Begrenzungswandung
des Flachrohres als metallische Flächen 16, 17 hergestellt oder mit metallischen
Bändern besetzt, so kann diese EMK und der von ihr gebildete Strom 18 an diesen
Begrenzungsflächen durch eine Leitung abgenommen werden. Die Größe der EMK ist proportional
der Luftspaltbreite b, der Luftspaltinduktion B und der Geschwindigkeit v, mit der
das strömende Medium die Kraftlinien schneidet; es wird also E = B ₧ b ₧
v. Da die Strömungsgeschwindigkeit v durch die Düsenwirkung sehr hochgetrieben werden
kann, insbesondere bei Gasen oder Dampf, lassen sich praktisch Spannungen von 4o
bis über Iooo Volt je Bandleiter erzeugen. Durch Hintereinanderschaltung mehrerer
EMK-Strecken des gleichen Bandleiters lassen sich diese Spannungen vervielfachen.
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Die Größe des Stromes ist außer durch die EMK durch den Längsquerschnitt
des Bandleiters im Luftspalt des Polschuhs bestimmt, der in Verbindung mit dem spezifischen
Leitwert des Mediums den Durchtrittsleitwert für den Strom festlegt. Die der Anordnung
entnehmbare Kurzschlußleistung bestimmt sich aus dem Produkt B ₧ I, wenn
Gleichstrom erzeugt wird.
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Wird die Erregerwicklung 13 von einem Wechselstrom durchflossen, so
wird das Kraftlinienfeld 14 dauernd ummagnetisiert, so daß die Kraftlinien ständig
im Takt der Frequenz ihre Richtung und Intensität ändern. Die EMK-Bildung verläuft
hierbei nach dem üblichen sinus-Gesetz. Im Bandleiter entsteht eine Wechsel-EMK,
die bei Schluß des äußeren Stromkreises einen Wechselstrom zur Folge hat. Durch
Zusammenschaltung dreier unter sich gleicher Anordnungen, wie in Fig. I dargestellt,
bei denen die Erregerströme jedoch um je I2o elektrische Grade versetzt sind, kann
Drehstrom in der üblichen Stern- oder Dreiecksverkettung erzeugt werden.
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Für die technische Anwendung kommt die Verwendung einer Flüssigkeit
hoher Leitfähigkeit, wie etwa Quecksilber oder eines leicht ionisierbaren Gases
oder Dampfes, vorzugsweise Quecksilberdampf oder Wasserdampf, in Betracht, wobei
das Medium im Kreislaufverfahren zu- und abgeführt werden kann. Die Ausnutzung der
Strömungsrestenergie hinter dem Strömungsgenerator kann in normalen Turbogeneratoren
oder durch potentielle Speicherung erfolgen.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung werden zwei Magnetsysteme
verwendet, durch die ein leitfähiger Flüssigkeits- oder ionisierter Dampf-oder Gasstrom
hindurchgetrieben wird. Das erste Magnetsystem wird durch einen von außen zugeführten
Erregerwechselstrom erregt. Dem zweiten Magnetsystem kann dann die vom strömenden
Medium als kinetische Energie zugeführte Arbeit transformatorisch als elektrische
Leistung entnommen werden.
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Eine derartige Anordnung ist in der Fig. 2 am Beispiel eines Strömungsgenerators
für Gas- oder Dampfbetrieb dargestellt. Die Rohrleitung 21 führt das durch Wärme
und/oder Druck gespannte Medium über die Düse 22 und über die Erweiterung 23 in
das Flachrohr 24. An das Flachrohr sind die Elektroden 25 und 26 angesetzt, die
durch Ausbildung einer Gasentladung oder eines Quecksilberdampfwechselstromlichtbogens
das strömende Medium auf der Strecke zwischen den Elektroden 25 und 26 ionisieren.
Für den Fall, daß das Arbeitsmittel bereits genügend hoch ionisiert ist, kann die
Ionisierungsvorrichtung ebenfalls entfallen. Im Strömungsbandleiter entsteht dann
in nunmehr bekannter Weise im Luftspalt 27 des magnetisch erregten Eisenkreises
28 durch Schnitt mit dem Kraftlinienfeld 29 die Quer-EMK. Diese treibt einen Querstrom
(in dem gezeichneten Beispiel als gefiederte Pfeilenden senkrecht zur Papierebene
dargestellt) nach hinten. Dieser Querstrom wird zur Hälfte nach links, zur anderen
Hälfte nach rechts durch metallische Verbindungsstücke außerhalb des Flachrohres
halbkreisartig den inneren Metallbelägen 30 und 31 des Flachrohres zugeführt
und durchquert erneut (diesmal senkrecht aus der Papierebene nach vorn heraustretend,
durch Pfeilspitzen angedeutet) das strömende Medium, um sich durch zwei weitere
halbkreisförmige Verbindungsstücke zur Anfangsstrombahn innerhalb des Luftspaltes
27 zurückzuschließen. Es entstehen also zwei kreisförmige Kurzschlußstrombahnen
mit entgegengesetztem Richtungssinn. Werden nun in der Mittelachse dieser Strombahnen
Eisenkreise 32 und 33 angeordnet, die in ihren Luftspalten 34 35 (=Strömungsbandleitern)
von den Kurzschlußstromwindungen als Primärwicklung umschlungen sind, so erzeugen
letztere in den Eisenkreisen 32 und 33 selbständige Kraftlinienflüsse 36 und 37.
Diese induzieren in den auf die Eisenkerne 32 und 33 aufgeschobenen, in Reihe geschalteten
Sekundärwicklungen 38 und 39 den Nutzwechselstrom, der dem Sammelschienensystem
4o und damit der äußeren Verwendung zugeführt wird. Durch elektrische Verbindung
dreier solcher unter sich gleicher Anordnungen, deren Eisenkreise 28 durch drei
je um i2o elektrische Grade versetzte Wechselströme erregt werden, läßt sich Drehstrom
in der üblichen Stern- oder Dreiecksverkettung erzeugen.