Verfahren zum Betrieb eines magnetohydrodynamischen Generators Ein magnetohydrodynamischer Generator (MHD- Generator) .besteht bekanntlich in der Regel paus einem Kanal, durch den heisses elektrisch leitendes Gas von etwa 3000 C (Plasma)
mit hoher Ge schwindigkeit durchgeleitet wird. Der Kanal wird von einem Magnetfeld durchsetzt, so dass senkrecht zum Magnetfeld und senkrecht zur Strömungsrich- tung eine elektrische Feldstärke induziert wird. Zur Abnahme elektrischer Leistung muss man in der lemtfähigen Zone des Gasstrahles Elektroden anord nen;
die maximal mögliche Stromstärke ist der Elek- trodenfläche proportional. Da die Leitfähigkeit im Plasma im wesentlichen auf der Elektronenbewe gung beruht .(die Ionenleitfähigkeit .ist etwa um den Faktor 1000 geringer), anuss :ein thernuscher Emis sionsstrom an der nach aussen positiven Elektrode :den Stromübergang in das Plasma ,gewährleisten.
Von !der Primärenergie her ;sind zwei verschiedene Arten von MHD-Ganeratoren zu unterscheiden. Bei der einen Art wird Idas Plasma durch Verbrennung von<B>öl,</B> Kohlenstaub oder ähnlicher Brennstoffe mit Sauerstoff oder Luft erzeugt. Bei der :anderen Art wird das Gas in einem Wärmeaustau scher aufge- heizt, wobei :
die Wärme beispielsweise .durch einen Atomreaktor erzeugt werden kann.
Eine entscheidende Begrenzung der Lebensdauer solcher Generatoren rührt davon her, @dass die bisher üblichen Elektroden bei Aden hohen Temperaturen des ,Plasmas nicht beständig waren. Es ist zu be rücksichtigen, dass ;das Plasma zum Teil .aus oxy dierender Atmosphäre besteht, so dass die gebräuch lichen Elektroden, .z. B.
Graphit, in relativ kurzer Zeit abbrannten.
Man hat versucht, diese Schwierigkeiten dadurch zu umgehen, dass man eine .intensive Kühlung der Elektroden vorsah. Beispielsweise wird in der Zeit- schrift < Nature vom 3. 2.1962, Seiten 467 bis 468, über den Vorschlag berichtet, wassergekühlte Kupferelektroden mit einer Oberflächentemperatur von etwa 400 C anzuwenden.
Es hat sich nun .gezeigt, dass bei einer derartigen forcierten Kühlung die Leistung eines MHD-Genera- tors gegenüber oder Leistung mit z.
B. nicht .gekühlten Graphitelektroden auf etwa den zehnten Teil zurück- geht. Dieser Leistungsrückgang hat folgende Ur sachen: Das strömende Plasma enthält Elektronen und positive Ionen des Saatmaterials, z.
B. Kalium- oder Kaliumoxyd-Ionen. Die Leitfähigkeit des Plasmas wird wegen der gegenüber den schweren positiven Ionen um Grössenordnungen höheren Beweglichkeit ,der Elektronen gross .sein, wenn der Stromtransport von -der positiven Elektrode zur negativen Elektrode innerhalb des Plasmas von Iden Elektronen Über nommen werden kann.
Dazu .ist es notwendig, @dass ,die positive Elektrode die notwendige Anzahl an Elektronen emittieren kann. Werden die Elektroden nun stark gekühlt, ;so wächst ,auf ihnen ein Konden sat aus K20 und K2C03 enthaltenden Substanzen ,auf.
Da diese Schicht ,ein schlechter Wärmeleiter ist, wird @die Schicht so dick, dass die Oberfläche eine Temperatur annimmt, bei der zwischen Aufkonden- @sieren und Verdampfen Gleichgewicht herrscht. Diese Temperatur liegt höher ,als 1200 C.
Da Kalium und Kaliumoxyd ein niedriges Elektronenaustritts- potential haben, würde diese Temperatur ausreichen, um eine genügend hohe Emissionsdichte zu :
gewähr leisten (mindestens 1 A/cm2). Nun hat diese Schicht jedoch eine schlechte elektrische Leitfähigkeit, und ihr Widerstand nimmt reit .der Dicke und mit ,ab nehmender Temperatur zu.
Die Schicht wirkt daher wie ein schlecht leitender Halbleiter, ,an (der ein grosser Teil der im MHD-Generator erzeugten Span nung zusammenbricht.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Höhe der Oberflächentemperatur für edle Dicke der niedergeschlagenen Schicht und damit für Iden Generatorwirkungsgrad eine. entscheidende Rolle spielt.
Zur Vermeidung der oben geschilderten Nach teile besteht das Betriebsverfahren nach der Er findung darin, dass die Kühlung der Elektroden ;auf einen Wert eingestellt wird,
der an der Elektroden- oberfläche eine Temperatur dicht unterhalb dies Schmelzpunktes des Elektrodenmaterials und Indien an den Elektroden angrenzenden Randschichten des Plasmas eine solche Temperatur aufrechterhält, die die Bildung einer emissionsfähigen ,
dünnen Schicht aus den Bestandteilen des Plasmas an den Elektro- denoberflächen erlaubt, deren Dicke durch Verdamp fen und neuen Niederschlag im Gleichgewichtszu- stand konstant bleibt.
Gemäss der Erfindung werden also die Elektro- den nicht forciert, sondern dosiert gekühlt. Bei Iden Ausführungsformen der Erfindung werden bei gege benem Kühlmittel, z. B.
Wasser, Kühlmittelmenge und -Temperatur sowie Dicke und :damit Ober- flächentemperatur des Elektrodenmetalls so :
gewählt, dass einerseits keine nennenswerte Korrosion, Ver- zunderung oder Abbrand eintreten und (sichander- seits eine dünne Kondensatschicht ausbildet, die eine genügende Elektronenemission bei einem gegenüber dem Plasmawiderstand :kleinen Schichtwiderstand er gibt.
Die dazu notwendigen Temperaturen (der metal lischen Elektrodenoberfläche betragen mindestens 1100 C.
Als geeignete Materialien haben sich dement- sprechend bis zu hohen Temperaturen zunderfesfie und oxydationsbeständige Edelstähle (Thermrax-Sbah.1) erwiesen, wie sie an sich zum Teil bereits ,
auch für die forcierte Kühlung vorgeschlagen worden sind. Ferner eignen sieh auch Hartmetalle bzw. andere Stoffe mit besonders hohem Schmelzpunkt, z. B. Molyb(dän-Disili,zid.
Bei diesen Temperaturen emittieren die Kalium- kondensate auf den Elektroden bereits so viel Elektronen, dass Stromdichten von 1 A/cm2 bis 10 A/em2, je nach der Oberflächentemperatur, :auf rechterhalten werden können, wobeüi (die Plasma leitfähigkeit allein durch (Elektronentransport he- stimmt wird.
Die sich dabei (ausbildende Kondensat- schicht ist bereits @so (dünn, dass ein nennenswerter Spannungsabfall auch bei (einem Elektrodenabstand von nur 2 cm (entsprechend einer Generatorspian- niung von etwa 20 V) nicht mehr .eintritt.
Anderseits darf die Elektrodenoberfläahentempe- natur nicht so hoch sein, idass sich keine ,emnttierende Schicht mehr ausbilden kann. Diese Grenztemperatur liegt höher als ca. 1350 C.
Für (die Praxis ist (aber eine Überschreitung von 1300 bis 1350 C nicht von Bedeutung, ,da (die Wärmeverluste durch die dosiert :gekühlten Flächen kaum mehr ins Gewicht fallen.
Bei einer solchen dosierten Kühlung kann, man erreichen, dass die pro Volumeneinheit des Reaktions raumes entnehmbare (elektrische Leistungsdichte praktisch ebenso gross ist wie bei Verwendung von nicht gekühlten Elektroden, z.
B. nicht gekühlten Graphitelektroden. Bei einem Kanalquerschnitt von 2 X 2 cm, unter Verhältnissen also, bei denien Idas Verhältnis von Oberfläche zum Volumen sehr un günstig ist, konnten mittlere Leistungsdichten von etwa 10 Watt/cm3 bei einer Plasmatemperatur von 2700 C am Eingang und 2400 C am Ausgang des Kanals,
einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 1000 m/sec und einer Magnetfeldstärke von etwa 14 kOe erzielt werden. Diese Werbe liegen nahezu eine Grössenordnung über :den bisher veröffentlich ten, mit forciert gekühlten Elektroden erreichten Werten (1 bis 1,4 Watt/cm@).
Im folgenden sei ,an Hand der Zeichnungen die Erfindung beispielsweise näher beschrieben.
Mg. 1 zeigt schematisch ,zwei Elektroden 1 rund 2, (die miteinander (und mit nicht dargestellten Wänden, die an edier Ober- und Unterseite der Elektroden un geordnet werden, den Kanal 3 einschliessen. Die Elekroden sind mit Kühlkanälen 4 und 5 versehen, durch die beispielsweise Wasser ,
als Kühlmittel ge leitet wird. Bei einer praktisch erprobten Anordnung betrug die Dicke des Elektrodenmaterials z. B. 1 .mm, (die Höhe (zugleich (die Kanalhöhe) 20 mm, die Länge der Elektroden 200 mm. Di(e Dicke des Kühlkanals betrug 7 mm.
Im Bietrieb wurden pro cm2 Elektrodenfläche 250 W durch Kühlung (ab- geführt.
Fig. 2 zeigt ,schematisch die Temperaturvertei- lung längs der Elektroden. Von der Kühlwasser- temperatur von etwa 40 (steigt die Temperatur Ibis zur metallischen Oberfläche (der Elektroden 'auf einen: Wert knapp unterhalb des Schmelzpunktes des Elek- trodenmaterials an.
Beispielsweise hat Thermax 8 A einen Schmelzpunkt von etwa 1400 C. Bei einer Verwendung von Dampf als Kühlmittel ist die Dicke :diesRTI ID="0002.0232"WI="30" HE="4" LX="1327" LY="1954"> Elektrodenmaterials entsprechend zu re- duzienen, wobei (der Wärmeübergang aus dem Plasma bei konstanter Oberflächentemperatur nahezu kon stantbleibt.
In Fg. 2 ist auch angedeutet, dass sich auf der Oberfläche der Elektroden im Betrieb ein Belag 6 niederschlägt, in dem ein grosser Temperaturgra dient herrscht.
Die Oberflächentemperatur der Schicht wird daher noch beträchtlich über der Ober flächentemperatur des Elektrodenmaterials liegen. Dementsprechend ergibtsich .an der Belagoberfäehe eine relativ hohe Plasmatemperatur, @so dass die Leitfähigkeit des Plasmas (gross (bleibt. Die Temp:
ena- tur im Plasma .steigtgegen (die Mitte (M in Fig. 2) :des Kanals auf .etwa 3000 C an.
Die verhältnismässig hohe Oberflächentempieratur (des Stahles führt zur Ausbildung eines nur sehr dünnen Belages, so dass dessen hoher spezifischer Widerstand sich auf die Leistung des Generators nicht schädlich auswirkt.
Im Gleichgewichtszustand wird durch Verdampfen und neuen Niederschlag verschiedener Bestandteile der Innenatmosphäre dies Generators konstante Dicke !des Belages @aufrechter- halten, der bei :der verhältnismässig hohen Tempe- ratur auch ausreichend Elektronen emittiert. Dies ist insbesondere für die als Kathode idienende Elektrode von Bedeutung.
Wie Fig. 3 zeigt, .ist es möglich, in ider Elektrode Kanäle 7 anzuordnen, durch die maibeispielsweise Luft oder Sauerstoff zu deren Vorwärmung schicken kann.
Der Kühlkanal 5 kann gemäss Fig. 4 auch entfallen, wenn man im Elektrodenmaterial Kanäle 8 vorsieht, in die Kühlwasser unter hohem Druck (beispielsweise 200 Atmosphären) eingespritzt wird. Der hierdurch @entstehende Dampf kann ebenfalls zur Energieerzeugung, etwa durch eine Dampftur bine, herangezogen werden.
Es ist dabei vorteilhaft, eine grössere Anzahl von Kanälen kleinen Durch- messers zu wählen, die parallel oder hintereinander geschaltet wenden.
Die Ausnutzung der durch Kühlung abgeführten Wärme ist wirtschaftlich von Bedeutung, da rund 8 % der im MHD-Kanal umzusetzenden Energie durch ,die Kühlung entzogen wenden.
Fig. 5 zeigt ein Schema zur Ausnutzung idieser Verlustwärnnie . Der Generator 9 reimt Brennkam- mer 10 wird durch einen Verbraucherwiderstand 11 belastet, der über kein Messgerät 12 an die beiden Elektroden angeschlossen ist.
Das Oxydationsmittel, beispielsweise Luft, wird mit Hilfeeiner Pumpe 13 durch Kanäle in den Elektrodenkörpern getrieben und darauf der Brennkammer 10 zugeführt. Der Kühlmittelkreislauf ist mit einer Pumpe 14 und einem Wärmaaustauscher 15 versehen. Im Wärme austauscher wird die abgeführte Wärmeenergie zur Verheizung des Brennstoffes, z.
B. Öl, verwendet, .der aus einem Vorratsbehälter 16 mittels einer Pumpe 17 in die Brennkammer gedrückt wind.
Die Kühlleistung wird in Abhängigkeit von der am Messgerät 12 abzulesenden, erzeugten elektrischen Energie, durch Einstellen der Pumpleistung, idurch, Reduzierventmle und dergleichen optimiert.
Method for operating a magnetohydrodynamic generator A magnetohydrodynamic generator (MHD generator), as is generally known, consists of a channel through which hot electrically conductive gas of around 3000 C (plasma)
is passed through at high speed. The channel is penetrated by a magnetic field, so that an electrical field strength is induced perpendicular to the magnetic field and perpendicular to the direction of flow. To take off electrical power, electrodes must be arranged in the capable zone of the gas jet;
the maximum possible current strength is proportional to the electrode area. Since the conductivity in the plasma is essentially based on the movement of electrons (the ionic conductivity is about a factor of 1000 lower), anuss: a thernous emission current at the outwardly positive electrode: ensure the current transfer into the plasma.
With regard to the primary energy, two different types of MHD ganerators can be distinguished. In one type, Ida's plasma is generated by burning <B> oil, </B> coal dust or similar fuels with oxygen or air. In the other type, the gas is heated up in a heat exchanger, whereby:
the heat, for example, can be generated by a nuclear reactor.
A decisive limitation of the service life of such generators is due to the fact that the electrodes used up to now were not resistant to high temperatures of the plasma. It must be taken into account that; the plasma partly consists of an oxidizing atmosphere, so that the commonly used electrodes, e.g. B.
Graphite, burned off in a relatively short time.
Attempts have been made to avoid these difficulties by providing intensive cooling of the electrodes. For example, the journal <Nature of 2.1962, pages 467 to 468, reports on the proposal to use water-cooled copper electrodes with a surface temperature of about 400.degree.
It has now been shown that with such forced cooling, the performance of an MHD generator compared to or performance with z.
B. not .cooled graphite electrodes goes back to about the tenth part. This drop in performance has the following causes: The flowing plasma contains electrons and positive ions of the seed, z.
B. potassium or potassium oxide ions. The conductivity of the plasma will be larger, because of the mobility of the electrons, which is orders of magnitude higher than that of the heavy positive ions, if the current transport from the positive electrode to the negative electrode within the plasma can be taken over by Iden electrons.
For this it is necessary that the positive electrode can emit the necessary number of electrons. If the electrodes are now strongly cooled, a condensate of substances containing K20 and K2C03 grows on them.
Since this layer is a poor conductor of heat, the layer becomes so thick that the surface assumes a temperature at which there is equilibrium between condensation and evaporation. This temperature is higher than 1200 C.
Since potassium and potassium oxide have a low electron leakage potential, this temperature would be sufficient to achieve a sufficiently high emission density:
guarantee (at least 1 A / cm2). However, this layer has poor electrical conductivity, and its resistance increases with the thickness and with the decreasing temperature.
The layer therefore acts like a poorly conducting semiconductor,, (which breaks down a large part of the voltage generated in the MHD generator.
The invention is based on the knowledge that the level of the surface temperature for a noble thickness of the deposited layer and thus for the generator efficiency. plays a decisive role.
To avoid the disadvantages outlined above, the operating method according to the invention consists in that the cooling of the electrodes; is set to a value
that at the electrode surface a temperature just below this melting point of the electrode material and India at the edge layers of the plasma adjacent to the electrodes maintains such a temperature that the formation of an emissive,
A thin layer of the components of the plasma is allowed on the electrode surfaces, the thickness of which remains constant in the equilibrium state due to evaporation and new precipitation.
According to the invention, the electrodes are not forced, but cooled in a metered manner. In Iden embodiments of the invention, given coolant such. B.
Water, coolant quantity and temperature as well as thickness and: thus surface temperature of the electrode metal as follows:
chosen so that on the one hand no significant corrosion, scaling or burn-off occur and (on the other hand a thin layer of condensate forms, which gives a sufficient electron emission with a low sheet resistance compared to the plasma resistance.
The temperatures required for this (of the metallic electrode surface are at least 1100 C.
Correspondingly, scale-resistant and oxidation-resistant stainless steels (Thermrax-Sbah.1) have proven to be suitable materials up to high temperatures, as they are in part already,
have also been proposed for forced cooling. Furthermore, see also hard metals or other substances with a particularly high melting point, z. B. Molyb (dän-Disili, zid.
At these temperatures, the potassium condensates on the electrodes already emit so many electrons that current densities of 1 A / cm2 to 10 A / cm2, depending on the surface temperature, can be maintained, whereby the plasma conductivity is solely due to (electron transport he - is true.
The condensate layer that forms is already so (thin that a significant voltage drop no longer occurs even with an electrode spacing of only 2 cm (corresponding to a generator voltage of around 20 V).
On the other hand, the electrode surface temperature must not be so high that an emntting layer can no longer form. This limit temperature is higher than approx. 1350 C.
For (in practice, (however, exceeding 1300 to 1350 C is of no importance, since (the heat losses through the dosed: cooled surfaces are hardly significant.
With such a metered cooling, one can achieve that the per unit volume of the reaction space removable (electrical power density is practically as large as when using non-cooled electrodes, eg.
B. non-cooled graphite electrodes. With a channel cross-section of 2 X 2 cm, i.e. under conditions where the ratio of surface area to volume is very unfavorable, average power densities of about 10 watts / cm3 with a plasma temperature of 2700 C at the entrance and 2400 C at the exit of the channel were achieved ,
a flow velocity of about 1000 m / sec and a magnetic field strength of about 14 kOe can be achieved. These advertisements are almost an order of magnitude higher than the values published to date and achieved with force-cooled electrodes (1 to 1.4 watts / cm @).
The invention is described in more detail below, for example, with reference to the drawings.
Mg. 1 shows schematically, two electrodes 1 around 2, (which enclose the channel 3 with each other (and with walls not shown, which are arranged on the top and bottom of the electrodes. The electrodes are provided with cooling channels 4 and 5, through which, for example, water,
is directed as coolant ge. In a tried and tested arrangement, the thickness of the electrode material was e.g. B. 1 .mm, (the height (at the same time (the channel height) 20 mm, the length of the electrodes 200 mm. The thickness of the cooling channel was 7 mm.
During operation, 250 W per cm2 of electrode area was dissipated by cooling (.
2 shows schematically the temperature distribution along the electrodes. From the cooling water temperature of about 40 (the temperature rises to the metallic surface (of the electrodes) to a value just below the melting point of the electrode material.
For example, Thermax 8 A has a melting point of around 1400 C. When using steam as a coolant, the thickness is: diesRTI ID = "0002.0232" WI = "30" HE = "4" LX = "1327" LY = "1954"> To reduce the electrode material accordingly, with (the heat transfer from the plasma remains almost constant at constant surface temperature.
In FIG. 2 it is also indicated that a deposit 6 is deposited on the surface of the electrodes during operation, in which a large temperature gradient prevails.
The surface temperature of the layer will therefore still be considerably higher than the surface temperature of the electrode material. Accordingly, there is a relatively high plasma temperature on the surface of the coating, @ so that the conductivity of the plasma (remains high (. The temp:
The nature in the plasma rises against (the middle (M in Fig. 2): of the channel to about 3000 C.
The relatively high surface temperature (of the steel leads to the formation of an only very thin coating, so that its high specific resistance does not have a detrimental effect on the performance of the generator.
In the equilibrium state, evaporation and new precipitation of various constituents of the internal atmosphere keep the generator constant thickness! Of the coating @, which also emits sufficient electrons at the relatively high temperature. This is particularly important for the electrode serving as the cathode.
As FIG. 3 shows, it is possible to arrange channels 7 in the electrode, through which, for example, air or oxygen can be sent to preheat them.
According to FIG. 4, the cooling channel 5 can also be omitted if channels 8 are provided in the electrode material, into which cooling water is injected under high pressure (for example 200 atmospheres). The resulting steam can also be used to generate energy, for example using a steam turbine.
It is advantageous to choose a larger number of small-diameter channels that turn in parallel or one behind the other.
The use of the heat dissipated by cooling is economically important, since around 8% of the energy to be converted in the MHD channel is withdrawn from the cooling.
Fig. 5 shows a scheme for utilizing this heat loss. The generator 9 rhymes combustion chamber 10 is loaded by a consumer resistor 11 which is not connected to the two electrodes via a measuring device 12.
The oxidizing agent, for example air, is driven with the aid of a pump 13 through channels in the electrode bodies and then fed to the combustion chamber 10. The coolant circuit is provided with a pump 14 and a heat exchanger 15. In the heat exchanger, the dissipated thermal energy is used to heat the fuel, e.g.
B. oil is used. The wind is pressed from a reservoir 16 by means of a pump 17 into the combustion chamber.
The cooling capacity is optimized as a function of the generated electrical energy to be read on the measuring device 12, by setting the pump capacity, by reducing valves and the like.