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Die Erfindung bezieht sich auf einen magnetohydrodynamischen Generator
mit mantelförinigen, konzentrischen Elektroden, mit einem von diesen Elektroden
begrenzten Strömungskanal für ein ionisiertes Arbeitsströmungsmittel sowie mit einer
sich über die Länge des Strömungskanals konzentrisch zu diesem erstreckenden Magnetfelderregereinrichtung.
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Ein derartiger Aufbau eines MHD-Generators ist bekannt. Bei ihm erstreckt
sich das Magnetfeld quer zur Längsrichtung der Strömung. Dabei ergeben sich Schwierigkeiten
bei der Unterbindung von Kriechströmen, da sich verschiedene Teile der Kanalwandung
auf verschiedene Spannungen aufladen. Außerdem ist es bei hoher Leistung schwierig,
die entstehende Wärme abzuleiten. Die britische Patentschrift 928 836 beschreibt
auch einen MHD-Generator mit spiralföriniger Strömung innerhalb einer Ringkammer.
Dabei benötigt man vergleichsweise ausgedehnte Magnetfelder, deren Herstellung Schwierigkeiten
bereitet Außerdem ist die spiralförmige Strömung mit starken Strömungsverlusten
behaftet. Eine weitere Veröffentlichung beschreibt die Anwendung eines axialen Magnetfeldes
innerhalb des Strömungskanals, wodurch eine schraubenförmige Strömung zustande kommt.
Da das axiale Magnetfeld mit einer Spule erzeugt wird, kann die Stärke dieses Magnetfeldes
nur unter besonderen Anstrengungen ausreichend groß gemacht werden.
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Aufgabe der Erfindung ist die Erzielung einer möglichst großen elektromotorischen
Kraft bei einem einfachen und ungestörten Strömungsverlauf.
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Diese Aufgabe wird bei dem vorausgesetzten NIHD-Generator nach der
Erfindung dadurch gelöst, daß ein gestreckter Erregerleiter für das Magnetfeld zentrisch
innerhalb der Innenelektrode angeordnet ist und in dem Strömungskanal ein in Umfangsrichtung
gerichtetes Magnetfeld erzeugt.
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Dieses in Umfangsrichtung gerichtete Magnetfeld erlaubt die Anwendung
einer axialen Strömung, so daß die Strömungsverluste klein gehalten werden. Der
durch den zentralen Erregerleiter fließende Strom ist in seiner Größe kaum eingeschränkt,
so daß ein für praktische Zwecke ausreichend hohes Magnetfeld erzeugt werden kann.
Im einzelnen bietet der magnetohydrodynamische Generator nach der Erfindung folgende
Vorteile: 1. Da ein von einem linearen Erregerleiter herrührendes Magnetfeld
benutzt ist, ist der Generator einfach aufgebaut. Außerdem kann man durch den Erregerleiter,
beispielsweise bei Verwendung eines Supraleiterwerkstoffes, einen großen Erregerstrom
fließen lassen, wodurch eine große Magnetfeldstärke und demzufolge eine große Ausgangsleistung
erzeugt werden kann.
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Da außerdem die Magnetflußdichte (magnetische Induktion) proportional
zum radialen Abstand von dem zentralen Erregerleiter abnimmt, zeigt das Arbeitsströmungsmittel
einen Trennungseffekt in Kationen und Elektronen. Dieser Effekt wirkt zudem dem
Einfluß des Hall-Stromes entgegen.
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2. Da ein aus zwei in Längsrichtung des linearen Erregerleiters angeordneten
Zylindern bestehender Aufbau als Kanal für das Arbeitsströmungsmittel benutzt wird,
der die zweifache Aufgabe eines Generatorkanals und einer Ausgangselektrodenanordnung
erfüllt, werden im wesentlichen keine langen elektrischen Isolatoren benutzt. Man
kann daher Mängel ausscheiden, die auf eine Verschlechterung der elektrischen Isolatoreigenschaft
und der Festigkeit des Isolators bei hohen Temperaturen zurückgehen, die in herkömmlichen
Generatorkanälen häufig auftreten.
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3. Wenn man die Richtung des in dem inneren der zwei Zylinder
fließenden Laststromes in Richtung des durch den linearen Erregerleiter fließenden
Erregerstromes festlegt, kann das hierdurch bedingte Gesamtringmagnetfeld auch alsErregermagnetfeld
für dasArbeitsströmungsmittel innerhalb des Generatorkanals benutzt werden, so daß
die Magnetflußdichte (magnetische Induktion) in Flußrichtung ansteigt. Dadurch kann
man eine Abnahme der Dichte der Ausgangsenergie infolge einer durch den Temperaturabfall
des Gases in Strömungsrichtung verursachten Abnahme der Leitfähigkeit des ionisierten
Gases, wie dies bei herkömmlichen magnetohydrodynamischen Generatoren auftritt,
ausschalten. Wesen, Grundgedanke und Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der
folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen, in denen entsprechende
Teile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, erläutert. Es stellt dar F i
g. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Grundgedankens eines
bekannten magnetohydrodynamischen elektrischen Leistungsgenerators, F i
g. 2 a und 2 b jeweils einen Querschnitt bzw. einen Längsschnitt durch
eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, F i g. 3 a und 3 b
jeweils einen Querschnitt bzw. Teillängsschnitt durch eine weitere bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung, F i g. 4 a und 4 b jeweils einen Teillängsschnitt und
einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform der Erfindung und F i
g. 5 einen Teillängsschnitt durch eine Ausführungsform eines Hochtemperatur-Gaserzeugers,
der für eine Verwendung innerhalb eines Generators nach der Erfindung geeignet ist.
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Zum vollen Verständnis des Wesens und der Brauchbarkeit der vorliegenden
Erfindung ist die folgende kurze Betrachtung bekannter magnetohydrodynamischer Leistungsgeneratoren
als dienlich anzusehen.
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In einem magnetohydrodynamischen elektrischen Leistungsgenerator bekannter
Bauart nach F i g. 1
ist zwischen den Polen 1 und la eines Eisenkernmagneten
ein Generatorkana12 aus einem elektrischen Isolatorwerkstoff angeordnet. Indem man
ein ionisiertes Gas3 senkrecht zur Richtungl-la des Magnetfeldes durchleitet, wird
in dem ionisierten Gas eine elektromotorische Kraft erzeugt und über die Ausgangselektroden
4 und 4 a abgenommen.
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In diesem Generator ist die spezifische elektrische Leistungsdichte
dem Quadrat der Intensität des anliegenden Magnetfeldes proportional. Je stärker
also das Magnetfeld ist, eine um so höhere elektrische Leistung kann erzeugt werden.
Während man im allgemeinen den magnetischen Widerstand des magnetischen Kreises
durch Verwendung eines Eisenkemmagneten nach F i g. 1 für Magnetfelder bis
zu
etwa 30 000 Gauß herabsetzen kann, ist zur Erzeugung starker
Magnetfelder über 30000 Gauß ein sehr großer Aufwand erforderlich.
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Man kennt Ausführungsformen zur Erzeugung eines Magnetfeldes unter
Verwendung eines Luftkernmagneten. Diese Ausführungsweise hat jedoch bei Anwendung
in Verbindung mit dem bekannten Generatorkanalaufbau den Nachteil eines hohen magnetischen
Widerstandes und bietet für die praktische Durchführung Schwierigkeiten. Außerdem
sind die zum Aufbau des Generatorkanals 2 benutzten elektrischen Isolatorwerkstoffe
im allgemeinen bei Zimmertemperatur gute Isolatoren, aber bei hoher Temperatur pflegen
sie elektrisch leitend zu sein und die innerhalb des Generatorkanals in dem ionisierten
Gas induzierte elektromotorische Kraft kurzzuschließen. Dadurch wird die Ausgangsleistung
vermindert.
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Da zudem ein elektrischer Isolatorwerkstoff eine geringe Wärmeleitfähigkeit
besitzt, ist es im allgemeinen schwierig, die Wandung des genannten Generatorkanals
von außen zu kühlen. Wenn die Wandung in stärkerem Maße gekühlt wird, treten infolge
der großen wirksamen Differenz zwischen Innen- und Außentemperaturen des Generatorkanals
hohe Wärmespannungen auf, welche möglicherweise zu einer Beschädigung der Kanalwandungen
führen. Bei der Suche zur Behebung dieser Mängel wurden verschiedene Vorschläge
gemacht, beispielsweise wurde in der japanischen Patentschrift 22 309/1963
(entspricht
der französischen Patentschrift 1308 804) vorgeschlagen, für den Generatorkanal
einen Isolatorwerkstoff mit einem guten Wärmeleiter zu kombinieren. Dieser Aufbau
ist jedoch sehr verwickelt. Zusätzlich wird zur Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit
des ionisierten Gases in der Weise verfahren, daß Substanzen, wie beispielsweise
Cäsium und Kalium, als Keime zugesetzt werden. Wenn sich aber dieser Keimwerkstoff
auf den Isolatorwandungen niederschlägt, verschlechtert sich die Isolatoreigenschaft
des Generatorkanals, auch wenn man zu einem Verfahren wie dem in der japanischen
Patentschrift 22 30971963 beschriebenen greift.
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Um diese bei bekannten magnetohydrodynamischen elektrischen Generatoren
auftretenden Schwierigkeiten zu überwinden, schlägt die vorliegende Erfindung einen
Aufbau vor, der im Grundsatz durch eine beispielsweise Ausführungsform nach F i
g. 2 erläutert ist. Nach F i g. 2 a sind konzentrisch zueinander liegende,
zylindrische Ausgangselektroden 5 und 6 jeweils aus elektrisch leitendem
Material vorgesehen, wobei die Elektrode 6 einen größeren Durchmesser besitzt.
Der Raum 7 zwischen den konzentrischen inneren und äußeren Elektroden wird
als Durchlaß eines Generatorkanals benutzt, und ein ionisiertes Hochtemperaturgas
wird durch diesen Kanal 7 in Richtung der Zylinderachse 0 geleitet
(also senkrecht zur Zeichenebene, wie bei 3 durch das Zeichen 0 angedeutet).
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Nach F i g. 2 b ist ferner längs der Mittelachse
0-0,
der Zylinderelektroden 5 und 6 ein Leiter 8 vorgesehen.
Wenn in Achsrichtung ein Strom I durch den Leiter 8 fließt, wird innerhalb
des Kanals 7 ein ringförmiges Magnetfeld erzeugt, das senkrecht zur Achsrichtung
verläuft. Dementsprechend wird innerhalb des ionisierten Gases 3 senkrecht
zur Zylinderachse eine elektromotorische Kraft induziert, die an den Elektroden
5 und 6 abgenommen werden kann. Somit liegt bei Anwendung des erfindungsgemäßen
Generators keine elektrische Isolatorwandung innerhalb des zylindrischen Elektrodenabschnitts,
der einer Generatorkanalwandung entspricht. Deshalb tritt auch keine Schwierigkeit
infolge hoher Temperaturen eines Isolatorwerkstoffes auf, der dadurch elektrisch
leitend wird. Auch die von einer Verschlechterung der Werkstoffestigkeit herrührende
Schwierigkeit ist beseitigt. Da außerdem der Erregerfluß, d. h. das an dem
Arbeitsströmungsmittel anliegende Magnetfeld, Kreissymmetrie in Umfangsrichtung
aufweist, können alle Teile des magnetischen Kreises mit gutem Wirkungsgrad arbeiten.
Außerdem kann der Aufbau des Leiters 8 bei Verwendung desselben als Erregerspule
infolge seiner linearen Gestalt sehr einfach sein. Wenn schließlich der Leiter
8 aus einem Supraleiterwerkstoff besteht - eine bei MHD-Generatoren
an sich bekannte Maßnahme -, kann ein sehr hoher elektrischer Strom hindurchgeschickt
werden, so daß das auf das Arbeitsströmungsmittel einwirkende Magnetfeld auch stark
gesteigert werden kann.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsforin der Erfindung nach F i
g. 3 ist ein Generatorkanal vorgeschlagen, der im wesentlichen aus zwei konzentrisch
zueinander angeordneten konischen Rohren 5
und 6 besteht, welche einen
Raum 7 begrenzen und einen Leiter 8 zwischen sich aufnehmen, wobei
das Rohr 6 das äußere konische Rohr ist. Im einzelnen wird dieser Generatorkanal
aus einer reihenweisen Kombination innerer und äußerer, ringförmiger Ausgangselektroden
6, und 51, 6, und 5., 6, und 5" usw. sowie einer Reihe innerer
und äußerer Ringisolatoren 21 und 21 ag 22 und 22 a5 2, und 2"" usw.
gebildet, die jeweils fest in abwechselnder Reihenfolge nach F 1 g. 3 b zwischen
diesen Elektroden angeordnet sind, wodurch die konzentrisch zueinander verlaufenden
inneren und äußeren Rohre 5 und 6 gebildet werden.
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Die Breite der Elektroden 61, 62, 9% ... 51, 52n
53 ...
beträgt jeweils etwa ein Zehntel der radialen
Ab-
messung des Kanals 7 zwischen den konzentriscben konischen Rohren
5 und 6, damit der Einfluß des Hall-Stromes auf das Arbeitsströmungsmittel
ausgeschaltet wird. Wenn man ferner den Ausgangsstrom einer jeden Elektrode in gleicher
Richtung wie die Richtung des Erregerstromes I des Leiters 8
herausführt,
können das Magnetfeld dieser Ausgangsströme und das Magnetfeld des Leiters
8 gemeinsam als Erregermagnetfeld für das durch den Strömungsweg
7 des Generatorkanals strömende Arbeitsströmungsmittel dienen, so daß die
Magnetfeldstärke in Strömungsrichtung des Generatorkanals fortgesetzt zunimmt. Wenn
man also gemäß F i g. 3 b
den Generatorkanal in Form eines konischen Rohres
ausbildet, so daß der mittlere Radius in Strömungsrichtung ansteigt, kann man auf
das in dem Strömungsweg 7 des Generatorkanals strömende Arbeitsströmungsmittel
ein gleichförmiges Magnetfeld einwirken lassen.
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Bekanntlich ist in einem magnetohydrodynamisehen Generator die mittels
eines ionisierten Gases erzielte elektrische Ausgangsleistungsdichte W proprotional
aU2B2, wenn ein ionisiertes Gas mit einer elektrischen Leitfähigkeita mit einer
Strömungsgeschwindigkeitu durch die Generatorkanalleitung strömt, in der eine MagnetfeldinduktionB
in einer Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung herrscht.
Da jedoch
die Temperatur des Gases im allgemeinen in Flußrichtung des Strömungsweges des Arbeitsströmungsmittels
abnimmt, vermindert sich auch die elektrische Leitfähigkeit a. Entsprechend
sinkt auch die Energiedichte in Strömungsrichtung ab.
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Diese Abnahme der Dichte der Ausgangsenergie kann verhindert werden,
wenn man an Stelle eines konischen Generatorkanals den Raum zwischen konzentrischen
inneren und äußeren Zylindern wie nach F i g. 2 als Strömungsweg für das
Arbeitsströmungsmittel benutzt und den Ausgangsstrom einer jeden Elektrode in Richtung
des Erregerstromes des Leiters 8. fließen läßt, so daß die magnetische Flußdichte
(magnetische Induktion) innerhalb des Strömungsweges in Flußrichtung ansteigt. Hierdurch
wird also der Temperaturabnahme des Arbeitsströmungsmittels und der davon herrührenden
Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit entgegengewirkt, so daß die Verminderung
der Energiedichte verhindert wird.
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Um der durch die hohe Temperatur bedingten Verschlechterung der Festigkeit
und der elektrischen Isolatoreigenschaft des den Generatorkanal bildenden widerstandsfähigen
Isolators entgegenzuwirken, kann einer Erhitzung der Isolatoroberfläche auf hohe
Temperatur dadurch leicht vorgebeugt werden, daß nach F i g. 3 der Abstand
zwischen den Elektroden vermindert wird und gleichzeitig die Elektroden gegenüber
den Isolatorabschnitten in den Strömungsweg vorgesetzt werden.
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Da ferner bei einem bekannten magnetohydrodynamischen Generator die
Ausgangsspannung unmittelbar an den beiden Endkanten jedes Isolators anliegt, wird
ein großer Strom fließen, wenn die elektrische Isolatorwirkung nachläßt, und der
Verlust steigt somit an. Da jedoch bei der Anordnung nach der vorliegenden Erfindung
nur eine Spannung entsprechend der Hallschen elektromotorischen Kraft an den beiden
Enden jedes Isolators anliegt, ist der Verlust klein.
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Da außerdem dort ein Gradient der magnetischen Flußdichte (magnetische
Induktion) entsteht, wo die .Magnetflußdichte umgekehrt proportional zum Radius
abnimmt, trennt sich das Arbeitsströmungsmittel in Kationen und Elektronen. Da zudem
die Richtung dieses Effektes derjenigen des Hall-Effektes entgegengesetzt gerichtet
ist, wirkt er dem Hall-Strom entgegen.
| Ein Ausführungsbeispiel eines Generators nach |
| der Erfindung weist folgende Einzelgrößen auf: |
| Radius des inneren Zylinders 5 cm |
| Radius des äußeren Zylinders 10 cm |
| Länge .................... 50 cm |
| Jonisiertes Gas ............. Verbrennungsgas mit |
| C, |
| etwa1%K-OH-Zusatz |
| als Keimsubstanz |
| Temperatur ................ 2 5001 K |
| Strömungsgeschwindigkeit . . 1000 m/see |
| Durchflußmenge, ........... 2,4 kg/sec |
| ,Elektrische Leitfähigkeit des |
| ionisiertes Gases ......... 30 inhofin |
| Erregerstrom in demErreger- |
| leiter ................... 5 - 105 A |
| (Bemerkung: Wenn ein Supraleiterwerkstoff als |
| Erregerleiter benutzt wird, kann ein mindestens |
| sechsmal größerer Strom fließen.) |
| Magnetflußdichte . |
| (magnetischelnduktion) .. 15000Gauß |
| Ausgangsspannung ....... «. 70 V |
| Ausgangsleistung .......... 100 kW |
In einem Generatorkanal nach einer Ausführungsform der Erfindung gemäß F i
g. 4 a verursacht die Strömung eines aus einer Hochtemperatur-Gaserzeugungskaminer
9 der Topfverbrennungskammerbauart, die eine Ionengaserzeugungsquelle bildet,
einströmenden ionisierten Gases
3 eine elektromotorische Kraft innerhalb
des ionisierten Gases, wenn dasselbe durch ein mittels einer linearen Erregerspule
8 erzeugtes Ringmagnetfeld strömt, und die elektrische Gesamtleistung kann
an den Ausgangselektroden
5 und
6 abgenommen werden. Außerdem ist
für den durch den linearen Leiter
8
fließenden Erregerstrom I ein Rückflußweg
10 vorgesehen, der sich vom Gegenende des linearen Leiters
8 außerhalb
und parallel zu der Außenwandung des Generatorkanals erstreckt, so daß einem Verlust
des Magnetfeldes auf der Außenseite vorgebeugt wird. F i
g. 4
b zeigt
eine Stimansicht in Achsrichtung des Generatorkanals der zuvor beschriebenen Anordnung.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung nach F i
g. 5 ist eine Hochtemperatur-Gaserzeugungskammer 11 an Stelle der
äußeren topfartigen Verbrennungskammer 9 (F i g. 4 a) innerhalb des
Gasgeneratorkanals der beschriebenen Anordnung gebildet. Die Kammer 11 wird
durch die Wände zweier konzentrischer Zylinder begrenzt, welche jeweils durch einen
nach F i g. 5 eingeschalteten Isolatorwandabschnitt 12 mit den konzentrischen,
zylindrischen Elektroden 5 und 6 verbunden sind.
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Der Generatorkanal, der bei den beschriebenen Ausführungsformen der
Erfindung auch als Ausgangselektrodenanordnung arbeitet, kann selbstverständlich
unter Verwendung elektrischer Isolatorwandungen aufgebaut und mit Ausgangselektroden
in herkömmlicher Weise versehen sein. An Stelle eines Generatorkanals mit einem
Erregerleiter und konzentrischen Zylindern kann man zur Abnahme einer elektrischen
Ausgangsspannung aus einem ionisierten Gas auch eine Anordnung benutzen, bei der
ein Arbeitsströmungsmittel innerhalb eines zylindrischen oder konischen Generatorkanals
in Richtung eines Erregerleiters strömt.