DE1170521B - Verfahren zum Betrieb eines magnetohydro-dynamischen Generators - Google Patents

Description

• Verfahren zum Betrieb eines magnetohydrodynamischen Generators Ein magnetohydrodynamischer Generator (MHD-Generator) besteht bekanntlich in der Regel aus einem Kanal, durch den heißes elektrisch leitendes Gas von etwa 3000' C (Plasma) mit hoher Geschwindigkeit durchgeleitet wird. Der Kanal wird von einem Magnetfeld durchsetzt, so daß senkrecht zum Magnetfeld und senkrecht zur Strömungsrichtung eine elektrische Feldstärke induziert wird. Zur Abnahme elektrischer Leistung muß man in der leitfähigen Zone des Gasstrahles Elektroden anordnen; die maximal mögliche Stromstärke ist der Elektrodenfläche proportional. Da die Leitfähigkeit im Plasma im wesentlichen auf der Elektronenbewegung beruht (die lonenleitfähigkeit ist etwa um den Faktor 1000 geringer), muß ein thermischer Emissionsstrom an der nach außen positiven Elektrode den Strornübergang in das Plasma gewährleisten.
• Von der Primärenergie her sind zwei verschiedene Arten von MHD-Generatoren zu unterscheiden. Bei der einen Art wird das Plasma durch Verbrennung von öl, Kohlenstaub oder ähnlichen Brennstoffen mit Sauerstoff oder Luft erzeugt. Bei der anderen Art wird das Gas in einem Wärineaustauscher aufgeheizt, wobei die Wärine beispielsweise durch einen Atomreaktor erzeugt werden kann.
• Eine entscheidende Begrenzung der Lebensdauer solcher Generatoren rührt davon her, daß die bisher üblichen Elektroden bei den hohen Temperaturen des Plasmas nicht beständig waren. Es ist zu berücksichtigen, daß das Plasma zum Teil aus oxydierender Atmosphäre besteht, so daß die gebräuchlichen Elektroden, z. B. Graphit, in relativ kurzer Zeit abbrannten.
• Man hat versucht, diese Schwierigkeit dadurch zu umgehen, daß man eine intensive Kühlung der EIektroden vorsah. Beispielsweise wird in der Zeitschrift »Nature«, vom 3. 2. 1962, S. 467 bis 468, über den Vorschlag berichtet, wassergekühlte Kupferelektroden mit einer Oberflächentemperatur von etwa 400' C anzuwenden. Bei derart niedrigen Temperaturen wäre grundsätzlich mit einem sehr hohen übergangswiderstand zwischen Elektrode und Plasma zu rechnen, da hierbei die Randzonen des Plasmas nur auf geringer Temperatur liegen können und daher nicht ausreichend leitfähig sind. Es hat sich aber gezeigt, daß bei Verwendung derartiger Kupferelektroden der übergangswiderstand nur etwa das Zehnfache des bei heißen Graphitelektroden vorhandenen beträgt, so daß die Leistung des Generators etwa 1/jo der Leistung eines Generators mit üblichen Elektroden erreicht. Da bei fehlender Emission der Elektrodenoberfläche ein noch um den Faktor 10 schlechteres Resultat zu erwarten war, wurde angenommen, daß sich auf den Elektroden ein emissionsfähiger Belag ausbildet, der sich aus der Innenatmosphäre des Generators niederschlägt. Im Plasma sind neben Kohlenstoff insbesondere verschiedene Verbindungen des verwendeten Saatmaterials, beispielsweise Kalium, enthalten. Hierzu zählen etwa K 2 0 und K2C0 31 Dieser Belag weist außer seiner Emissiorisfähigkeit auch eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf, so daß vermutlich die Oberflächentemperatur des Belags wesentlich höher als die Oberflächentemperatur der Kupferelektroden liegt.
• So günstig diese Ergebnisse erscheinen, so ist doch ein MHD-Generator, dessen Leistung um den Faktor 10 schlechter als eines üblichen Generators ist, im großtechnischen Einsatz nicht brauchbar. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, vom Prinzip der gekühlten Elektroden ausgehend einen Weg zu finden, um die volle projektierte Leistung des MHD-Generators zu erreichen.
• Die Untersuchungen richten sich dabei vor allem auf MHD-Generatoren mit Brennkammern, bei denen also ein Brennstoff in Form von öl oder Kohlenstaub mit Sauerstoff oder Luft als Oxydationsmittel verbrannt wird. Bei einem solchen Generator ist nicht nur das Abbrennen, sondern auch die Korrosion der Elektroden besonders zu beachten.
• Als geeignet für derartige Generatoren hat sich die Verwendung von hochtemperaturfesten Edelstählen als Elektrodenmaterial erwiesen, wie sie an sich bereits vorgeschlagen worden ist.
• Es wurde jedoch erkannt, daß die Höhe der Oberflächentemperatur für die Dicke des niedergeschlagenen Belages und damit für den Generatorwirkungsgrad eine entscheidende Rolle spielt. Unter Beachtung dieser Bedingungen eignen sich als Elektrodenmaterialien auch Hartmetalle bzw. andere Stoffe mit besonders hohem Schmelzpunkt. Sie bringen jedoch bei dem Verfahren nach der Erfindung keinen Gewinn, da ihre Temperaturfestigkeit nicht ausgenutzt wird. In den wichtigen Temperaturbereichen sind die Edelstähle ausreichend beständig.
• Daß mit den gekühlten Kupferelektroden kein voller Erfolg erzielbar ist, dürfte im wesentlichen fol--ende Gründe haben: Die Leitfähigkeit eines elektrischen Plasmas hängt sehr stark von der Temperatur ab, so daß eine Unterkühlung der Plasmarandzonen ein unverhältnismäßig starkes Ansteigen des Innenwiderstandes zur Folge hat. Trotz der geringen Wärineleitfähigkeit des auf der Kupferelektrode niedergeschlagenen Belags war daher offenbar die Randtemperatur des Plasmas in der Nähe der Elektrodenoberfläche so gering, daß trotz der Elektronenemission aus dem Belag ein hoher übergangswiderstand im Plasma vorlag.
• Ferner ist zu berücksichtigen, daß die aus den Verbrennungsprodukten und dem Saatmaterial entstehenden chemischen Verbindungen eine schlechte elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Wird die Oberflächentemperatur der Metallelektrode zu niedrig gehalten, so entsteht ein relativ dicker Belag, dessen Durchgangswiderstand recht hoch ist. Berücksichtigt man z. B., daß K,0 bei 1300' C und KOH bei l327## C siedet, so kommt man zu dem Schluß, daß bei niedrigeren Oberflächentemperaturen der Metallelektrode der niedergeschlagene Belag, der unter anderem diese beiden Verbindungen enthält, offenbar zu dick ausfällt.
• Andererseits darf die Oberflächentemperatur der Metallelektrode nicht zu hoch gewählt werden, weil der emittierende Belag sonst nicht zustande kommt.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines magnetohydrodynamischen Generators arbeitet mit Brennkammer und in einem von einem elektrisch leitenden Plasma durchströmten Kanal angeordneten gekühlten Edelstahlelektroden und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung der Elektroden auf einen Wert eingestellt wird, der an der Elektrodenoberfläche eine Temperatur dicht unterhalb des Schmelzpunktes des Elektrodenmaterials und in den an den Elektroden angrenzenden Randschichten des Plasmas eine solche Temperatur aufrechterhält, die die Bildung eines emissionsfähigen dünnen Belages aus den Bestandteilen des Plasmas des Generators an den Elektrodenoberflächen erlaubt, dessen Dicke durch Verdampfen und neuen Niederschlag im Gleichge"vichtszustand konstant bleibt.
• Zweckmäßig wird die Kühlleistung für die Elektroden im Bereich der Hitzebeständigkeit des Elektrodenmaterials in Abhängigkeit von der abgegebenen elektrischen Leistung des Generators optimiert. Dies beruht darauf, daß bei einer bestimmten Dicke des Belags unter Berücksichtigung der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit einerseits und der Emissionsfähigkeit andererseits das günstigste Ergebnis erzielt wird.
• Versuche haben ergeben, daß sich mit Elektroden aus hochtemperaturfestem Stahl dieselbe elektrische Leistung wie mit Graphitelektroden erzielen läßt, je- doch für wesentlich längere Zeiträume. Dauerversuche über mehrere Tage haben gezeigt, daß nach dem Einbrennen der Elektroden der weitere Abbrand vernachlässigbar klein ist, so daß mit Lebensdauern in der Größenordnung von Monaten und Jahren gerechnet werden kann.
• Die hochtemperaturfesten Stähle, die für das neue Verfahren als Elektrodenmaterial verwendet werden, haben an sich bereits eine hohe Korrosionsfestigkeit. Um sie noch weiter zu verbessern und die Haftfestigkeit des Belags zu vergrößern, kann es zweckmäßig sein, die Elektroden mit einer dünnen Oberflächenschicht, beispielsweise aus Platin, zu überziehen. Dies kann etwa durch Platinieren vor dem Einsatz im Generator erfolgen. Gegebenenfalls kann die Oberfläche mittels eines Sandstrahlgebläses aufgerauht werden.
• An Hand der Zeichnungen sei die Erfindung näher beschrieben.
• F i g. 1 zeigt schematisch zwei Elektroden 1 und 2, die mit nicht dargestellten Isolierabdeckungen, die an der Ober- und Unterseite der Elektroden angeordnet werden, den Kanal 3 begrenzen. Die Elektroden sind mit Kühlkanälen 4 und 5 versehen, durch die beispielsweise Wasser als Kühlmittel geleitet wird. Bei einer praktisch erprobten Anordnung betrug die Dicke des Elektrodenmaterials 10 mm, die Höhe (zugleich die Kanalhöhe) 20 mm, die Länge der Elektroden 200 mm. Die Dicke des Kühlkanals betrug 7 mm. Im Betrieb wurden pro Quadratzentimeter Elektrodenfläche 250 W durch Kühlung abgeführt.
• F i g. 2 zeigt schematisch die Temperaturverteilung längs der Elektroden. Von der Kühlwassertemperatur von etwa 40' C steigt die Temperatur bis zur metallischen Oberfläche der Elektroden auf einen Wert knapp unterhalb des Schmelzpunktes des Elektrodenmaterials an.
• In F i g. 2 ist angedeutet, daß sich auf der Oberfläche der Elektroden im Betrieb ein Belag 6 niederschlägt, in dern ein großer Temperaturgradient herrscht. Die Oberflächentemperatur der Schicht wird daher noch beträchtlich über der Oberflächentemperatur des Elektrodenmaterials liegen. Dementsprechend ergibt sich an der Belagoberfläche eine relativ hohe Plasmatemperatur, so daß die Leitfähigkeit des Plasmas groß bleibt. Die Temperatur im Plasma steigt gegen die Mitte des Kanals auf etwa 3000' C an.
• Die verhältnismäßig hohe Oberflächentemperatur 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 des Generators eine konstante Dicke des Belags aufrechterhalten, wobei der Belag bei der verhältnismäßig hohen Temperatur auch ausreichend Elektronen emittiert. Dies ist insbesondere für die als Kathode dienende Elektrode von Bedeutung.
• Wie F i g. 3 zeigt, ist es möglich, in der Elektrode Kanäle 7 anzuordnen, durch die man beispielsweise Luft oder Sauerstoff zu deren Vorwärmung schicken kann. Der Kühlkanal 5 kann gemäß F i g. 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 Dampfturbine, herangezogen werden. Es ist dabei vorteilhaft, eine größere Anzahl von Kanälen kleinen Durchmessers zu wählen, die parallel oder hintereinandergeschaltet werden.
• Die Ausnutzung der durch Kühlung abgeführten Wärme ist wirtschaftlich von Bedeutung, da rund 10>1/o der im MHD-Kanal umzusetzenden Energie durch die Kühlung entzogen werden.
• F i g. 5 zeigt ein Schema zur Ausnutzung dieser »Verlustwärme«. Der Generator 9 mit Brennkammer 10 wird durch einen Verbraucherwiderstand 11 belastet, der über ein Meßgerät 12 an die beiden Elektroden angeschlossen ist. Das Oxydationsmittel, beispielsweise Luft, wird mit Hilfe einer Pumpe 13 durch Kanäle in den Elektrodenkörpern getrieben und darauf der Brennkammer 10 zugeführt. Der Kühlmittelkreislauf ist mit einer Pumpe 14 und einem Wärmeaustauscher 15 versehen. Im Wärmeaustauscher wird die abgeführte Wärmeenergie zur Vorheizung des Brennstoffes, z. B. öl, verwendet, der aus einem Vorratsbehälter 16 mittels einer Pumpe 17 in die Brennkammer gedrückt wird.
• Die Kühlleistung wird in Abhängigkeit von der am Meßgerät 12 abzulesenden, erzeugten elektrischen Energie durch Einstellen der Pumpleistung, durch Reduzierventile u. dgl. optimiert.

Claims (2)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zum Betrieb eines magnetohydrodynamischen Generators mit Brennkammer und in einem von einem elektrisch leitenden Plasma durchströmten Kanal angeordneten gekühlten Edelstahlelektroden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung der Elektroden auf einen Wert eingestellt wird, der an der Elektrodenoberfläche eine Temperatur dicht unterhalb des Schmelzpunktes des Elektrodenmaterials und in den an den Elektroden angrenzenden Randschichten des Plasmas eine solche Temperatur aufrechterhält, die die Bildung eines emissionsfähigen dünnen Belags aus den Bestandteilen des Plasmas des Generators an den Elektrodenoberflächen erlaubt, dessen Dicke durch Verdampfen und neuen Niederschlag im Gleichgewichtszustand konstant bleibt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlleistung im Bereich der Hitzebeständigkeit des Elektrodenmaterials in Abhängigkeit von der abgegebenen elektrischen Leistung des Generators optimiert wird. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Kühlung abgeführte Wärme zur Vorheizung von Brennstoff und/oder Oxydationsmittel verwendet wird. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Kühlung abgeführte Wärme zur Dampferzeugung für den Betrieb einer Dampfturbine verwendet wird. 5. Elektrode für das Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus hochhitzebeständigem Stahl mit einem Schmelzpunkt von etwa 1400' C besteht. 6. Elektrode für das Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenoberfläche platiniert ist. 7. Elektrode für das Verfahren nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenoberfläche aufgerauht ist. 8. Elektrode für das Verfahren nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit Kühlkanälen für den Durchtritt des Kühlmittels versehen ist. In Betracht gezogene Druckschriften-Zeitschrift »Natum« vom 3. 2. 1962, S. 467, 468.