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Verfahren zum Betrieb eines MHD-Generators Elektrische Energie wird
gewöhnlich aus Wärme über den Umweg mechanischer Energie ,gewonnen. Die konventionelle
Art der Erzeugung elektrischer Energie besteht darin, daß ein mechanisch bewegter
Leiter durch ein magnetisches Feld geführt wird. Elektrische Energie kann auch beim
Durchführen von flüssigen Leitern durch ein Magnetfeld erzeugt werden. Um jedoch
eine direkte Energieumwandlung von thermischer in elektrische Energie zu erreichen,
ist es zweckmäßig, Gase zu verwenden, um beträchtliche Volumenänderungen realisieren
zu können, die zur Erzeugung hoher Geschwindigkeiten erforderlich sind. Große elektrische
Energiemengen werden mit gutem Wirkungsgrad durch magnetohydrodynamische Generatoren,
im folgenden MHD-Generatoren genannt, gewonnen. MHD-Generatoren verwenden als leitendes
Arbeitsmittel normalerweise Gase, wie sie durch Verbrennungsprozesse entstehen,
die also thermisch ionisiert sind, und denen Saatmaterialien, wie Alkalimetalle,
hinzugegeben werden, um höhere Leitfähigkeit zu erreichen. Das ionisierte Gas wird
mittels eines Arbeitskanals durch ein transversales Magnetfeld hindurchgeführt.
Die hierdurch induzierte Spannung wird über Elektroden abgenommen, die entlang der
Flußrichtung am Arbeitskanal angeordnet sind.
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Um bei MHD-Anlagen einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, ohne zu große
Baulängen zu erhalten, ist es nötig, das thermisch ionisierte Gas im Zustand hoher
elektrischer Leitfähigkeit zu halten, und zwar auf der gesamten Strecke des Durchtritts
durch den Generator. Dazu soll das Gas auf Temperaturen der Größenordnung von 2500°
C gehalten werden. Die elektrische Leitfähigkeit des als Arbeitsmittel verwandten
Verbrennungsproduktes, dem Alkalimetalle, wie Kalium oder Caesium, als Saatmaterial
zugegeben werden, wächst stark mit der Temperatur. So erhöht z. B. eine Temperatursteigerung
von 200° C die Leitfähigkeit des Arbeitsmittels um ein dreifaches. Die Temperaturfestigkeit
der zur Zeit bekannten temperaturbeständigsten Materialien begrenzt die Arbeitstemperatur
des MHD-Generators auf maximal etwa 2500° C. Diese Temperatur des Arbeitsgases soll
nach Möglichkeit nicht unterschritten werden, da sonst die Leitfähigkeit des Arbeitsmittels
sinkt und somit die entnehrnbare Energie stark abnimmt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, beim Betrieb eines MHD-Generators
einen hohen Wirkungsgrad und gleichzeitig hohe Leistungsdichte zu erzielen. Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines MHD-Generators unter Nacherhitzung
des Arbeitsmittels und besteht darin, daß im Arbeitsmittel während des Durchtritts
durch die elektromagnetisch wirksame Generatorstrecke des Arbeitskanals fortlaufend
Wärmeenergie freigesetzt wird.
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Unter elektromagnetisch wirksamer Generatorstrecke ist dabei der Abschnitt
des Arbeitskanals zu verstehen, in dem elektrische Energie erzeugt wird. Die kontinuierliche
fortlaufende Nacherhitzung des Arbeitsmediums kann dadurch erzielt werden, daß eine
inhomogene Mischung von Brennstoff und Oxydationsmittel in der Generatorbrennkammer
vorgenommen wird. Es ist auch günstig, einen Generatorkanal mit einer Vielzahl längs
des Kanals verteilter Brennstoff- bzw. Oxydationsmittelzuführungen zu verwenden.
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Es ist zwar bekannt, bei einem MHD-Generator mit Quecksilberdampf
als Arbeitsmittel eine überhitzung des Quecksilberdampfes durchzuführen. Dadurch
soll der nach einer Lavaldüse anfallende Naßdampf wieder getrocknet werden. Die
Überhitzung des Arbeitsmittels wird dabei in einzelnen überhitzerstufen durchgeführt.
Es findet also keine kontinuierliche Wärmezufuhr zum Arbeitsmedium statt.
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Es ist weiterhin bei einem Vorläufer der MHD-Generatoren bekanntgeworden,
Elektroden in der elektromagnetisch wirksamen Strecke des Arbeitskanals
zu
beheizen. Dadurch soll Elektronenemission erreicht werden, um den übergangswiderstand
zwischen Elektroden und Plasma zu vermindern. Diese Maßnahme ist zum Aufheizen des
Plasmas in heute üblicher MHD-Generatoren nicht geeignet. Bei heute gebräuchlichen
Betriebstemperaturen ist es gerade so, daß das Plasma als Nebenerscheinung das Elektrodenmaterial
aufheizt.
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Demgegenüber gewährleistet das Betriebsverfahren nach der Erfindung
längs der elektromagnetisch wirksamen Generatorstrecke gleichbleibende Temperatur
des Arbeitsmittels und somit gleichbleibende hohe Leitfähigkeit. Es werden deshalb
bei hohem Wirkungsgrad hohe Leistungsdichten erzielt.
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Die Wirkungsweise des Verfahrens und eine Einrichtung zur Durchführung
des Verfahrens sollen an Hand der Beispiele näher erläutert werden.
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F i g. 1 zeigt ein schematisches Diagramm einer Anlage mit einem MHD-Generator,
der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird; F i g. 2 zeigt eine Querschnittsansicht
eines Teiles aus F i g. 1 längs II-II von F i g. 1.
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In F i g. 1 wird eine MHD-Generatoranlage gezeigt, die Verbrennungsgase
als Arbeitsmittel verwendet. Wie zu ersehen ist, umfaßt der Generator eine Brenpkammer
14, eine Mischkammer 18 und einen Arbeitskwnal 10, durch den das Arbeitsmittel
in Pfeilrichtung hindurchtritt. Die Luftzuführung 12 führt der Brennkammer 14 des
Generators Sauerstoff zu, vorzugsweise in Form von komprimierter und vorerhitzter
Luft. Brennstoff wird der Brennkammer 14 durch eine geeignete Öffnung von der Eingabevorrichtung
des Brennstoffvorratsbehälters 16 zugeführt. Die gasförmigen Verbrennungsprodukte
treten aus der Brennkammer in die Mischkammer 18 mit einer zur thermischen Ionisierung
ausreichenden Temperatur ein und durchströmen dann den Kanal 10. Um das so erhaltene
Arbeitsmittel vollständiger zu ionisieren und höhere Leitfähigkeit zu erhalten,
wird ein Saatmaterial zugegeben, das ein Alkalimetall, wie Kalium, Natrium oder
Caesium enthält. Dieses wird dem Gasstrom über die Leitung 30 in der Brennkammer
14 des Generators zugeführt. Das Saatmaterial wird von einem Vorratsbehälter 20
geliefert. Das so erhaltene ionisierte Arbeitsmittel durchströmt im Kanal 10 des
Generators ein transversales Magnetfeld, und die so in der elektromagnetisch wirksamen
Generatorstrecke erzeugte elektrische Energie wird über die Elektrodenpaare 2, 3,
5 und 7 abgenommen, die entlang der Ober- und Unterseite des Kanals 10 angeordnet
sind.
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Eine Rückgewinnungsanlage 28 kann in bekannter Weise am Ende des Kanals
10 vorgesehen sein, um soviel wie möglich von dem relativ teueren Saatmaterial zurückzugewinnen.
Die Rückgewinnungsanlage 28 kann z. B. aus einer Wassersprühanlage oder aus einer
elektrostatischen Coronaanlage bestehen, welche beide bekannt sind und einen großen
Teil des Saatmaterials zurückgewinnen. Das heiße, die Rückgewinnungsanlage durchströmende
Arbeitsgas kann in bekannter Weise zur Vorerhitzung der Verbrennungsluft verwendet
werden und entweicht dann durch einen Kamin. Von der Rückgewinnungsanlage 28 aus
wird das Saatmaterial über die Leitung 30 der Brennkammer 14 zugeführt, womit der
Kreis geschlossen ist.
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Die Temperatur des Arbeitsmittels sinkt, wenn es beim Durchtritt durch
das Magnetfeld elektrische Energie abgibt. Mit sinkender Temperatur sinkt aber die
Leitfähigkeit des Arbeitsmittels und die entnehmbare Energie, sowie die Leistungsdichte.
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Eine Methode zur kontinuierlichen Nacherhitzung des Gases besteht
darin, daß man einen Brennstoff verwendet, der eine hinreichend niedrige Reaktionszeit
aufweist, so daß eine kontinuierliche Verbrennung und ein fortlaufendes Freiwerden
von Wärmeenergie im Arbeitsmittel während des Kanaldurchlaufs stattfindet. Die Größenordnung
der Nacherhitzung wird durch das Maß der vom Generator extrahierten Energie bestimmt,
die ihrerseits eine Funktion der Geschwindigkeit des Arbeitsmittels, seiner elektrischen
Leitfähigkeit, seiner thermischen Verluste und der Stärke des Magnetfeldes ist.
Die so festgelegte Größenordnung der freizusetzenden Wärmeenergie bestimmt die Zusammensetzung
des Brennstoffes. In einer MHD-Großanlage wird die fortlaufende Nacherhitzung rasch
durch eine Mischanlage für Brennstoffe und Oxydationsmittel gesteuert, in der eine
nicht homogene Mischung von Brennstoff und Oxydationsmittel hergestellt wird. Zusätzliche
Wärme wird frei, wenn das Arbeitsmittel den Kanal durchströmt und sich der Brennstoff
mit dem Sauerstoff vermischt und verbrennt. So kann z. B. jedes brennbare Öl, wie
Dieselöl, zersprüht verwandt werden, bei dem die Tropfengröße, die Homogenität oder
eine von beiden gesteuert werden kann. Im Fall der nicht homogenen Mischung kann
z. B. Erdgas mit einer vorbestimmten Menge von Luft oder Sauerstoff vermischt werden,
so daß diese Mischung fortlaufend Wärmeenergie nach der chemischen Reaktion beim
Durchströmen der elektromagnetisch wirksamen Generatorstrecke freisetzt.
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Zusätzlicher Brennstoff oder zusätzlicher Sauerstoff oder beides kann
mit einer Vielzahl längs der elektromagnetisch wirksamen Generatorstrecke des Arbeitskanals
verteilter Zuführungen zugegeben werden, um die nötige Nacherhitzung des Arbeitsmittels
zu vervollständigen. Die Vorratsbehälter 32, 34, 36 und 38 in F i g. 1 sind fortlaufend
mit Zuführungen entlang des Kanals 10 verbunden. Durch geeignete Zugabeöffnungen
im Kanal werden aus diesen Vorratsbehältern Brennstoff oder Sauerstoff dem Kanal
zugeführt, so daß im Arbeitsmittel fortlaufend Verbrennungsvorgänge stattfinden.
Damit wird eine kontinuierliche Nacherhitzung erzielt. Aus der Berücksichtigung
des zuerst verwandten Brennstoffes ergibt sich die entlang des Kanals einzustellende
Mischung von Brennstoff und Sauerstoff. So muß im Fall einer überanreicherung von
Brennstoff bezogen auf die stöchiometrische Zusammensetzung des Arbeitsgases beim
Kanaleingang, zusätzlich Sauerstoff durch die Zugabevorrichtungen 32, 34, 36 und
38 in gesteuerter Menge zugegeben werden, um eine kontinuierliche Nacherhitzung
des Arbeitsmittels beim Durchtritt durch den Kanal 10 zu erhalten. Wenn dagegen
- bezogen auf die stöchiometrische Zusammensetzung - das Arbeitsgas am Generatoreingang
mit Sauerstoff überangereichert ist, muß Brennstoff entlang des Generatorkanals
zugeführt werden, um kontinuierliche Nacherhitzung durch gesteuerte Brennstoffzufuhr
aus den Vorratsbehältern 32, 34, 36 und 38 zu erzielen.
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Wenn z. B. Erdgas als Eingangsmischung verwendet wird, muß Sauerstoff
zur weiteren Unterhaltung des Verbrennungsprozesses auf dem Weg durch den Kanal
zugegeben werden. Auch wenn Kohle als
Brennstoff verwendet wird,
ist Sauerstoff dem Brennstoff zuzuführen, um den Verbrennungsprozeß vollständig
durchzuführen und um fortlaufend entlang des Generatorkanals frei werdende Energie
zuführen zu können. Bei Sauerstoffüberschuß in der am Eingang des Generatorkanals
eingeführten Mischung, ist zusätzlich Brennstoff in flüssigem, gasförmigen oder
festen Zustand zuzuführen, um eine kontinuierliche Nacherhitzung des Arbeitsmittels
zu erzielen.
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F i g. 2 zeigt einen Querschnitt des Generatorkanals. Ein Paar leitende
Elektroden 2 ist an der Oberseite und am Boden des Kanals 10 angeordnet. Die isolierenden
Wände 4 und 6 aus einem geeigneten harten Material stellen die anderen Begrenzungen
des Kanals 10 dar. Magnetpole N und S, den Wandteilen 4 und
6 benachbart angeordnet, symbolisieren eine Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes
B, das senkrecht zur Flußrichtung des Arbeitsmittels durch den Kanal 10 steht.
Es können weitere Elektrodenpaare entlang des Kanals 10 angeordnet sein,
wie in F i g. 1 mit 3, 5 und 7 angedeutet.
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Es ist verständlich, daß nicht nur durch jede der beschriebenen Maßnahmen
dem gasförmigen Arbeitsmittel kontinuierlich Wärmeenergie beim Durchtritt durch
den Kanal 10 zugeführt wird. Es kommt lediglich darauf an, daß das Arbeitsmittel
auf hoher Temperatur und somit in einem Zustand hoher elektrischer Leitfähigkeit
erhalten wird, was zum Erzielen eines guten Wirkungsgrades der Anlage erforderlich
ist. Andererseits können die erfindungsgemäßen Maßnahmen auch bei MHD-Generatoren
mit axialem Magnetfeld und tangentialem Arbeitsmittelfluß angewandt werden.