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Magnetohydrodynamischer Energiewandler Die Erfindung betrifft magnetohydrodynamische
Energiewandler (MHD-Wandler) mit einem Kanal zunehmenden Querschnitts zur Durchleitung
eines Plasmas zwischen Elektroden, die in einer elektromagnetisch aktiven Zone des
Kanals transversal zu einem angelegten Magnetfeld angeordnet sind. Mit elektromagnetisch
aktiver Zone wird die eigentliche Arbeitszone des Kanals bezeichnet, in der bei
angelegtem Magnetfeld eine elektrische Feldstärke induziert wird. Solche als Arbeitszonen
wirkende aktive Zonen sind beispielsweise aus der französischen Patentschrift 1308
804 sowie aus den BBC-Mitteilungen von 1962, H. 11, 12, S. 493 ff., zu entnehmen.
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Unter MHD-Wandlem werden Anlagen verstanden, die bekanntlich nach
folgendem Prinzip arbeiten: Legt man senkrecht zu einem mit hoher Geschwindigkeit
strömenden Plasma ein Magnetfeld an, so kann man bekanntlich Elektroden, die senkrecht
zum Magnetfeld und zur Strömungsrichtung angeordnet sind, elektrische Leistung entnehmen.
Bei einer thermischen lonisierung des geimpften Arbeitsgases, wenn also das Plasma
thermisch aufgeheizt bzw. erzeugt wurde - z. B: als Abgas eines Verbrennungsprozesses
-, findet somit eine direkte Umwandlung thermischer in elektrische Energie statt.
Der Energiewandler arbeitet dann als Generator.
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Zwingt man dagegen den Elektroden einen Strom auf, so kann man ein
elektrisch leitendes Medium zwischen den Elektroden hindurchpumpen. Es wird dann
elektrische in mechanische Energie umgewandelt, und der Wandler arbeitet als Motor
mit der Wirkungsweise einer Pumpe.
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Wandler, die nach dem beschriebenen Prinzip als Generatoren arbeiten,
werden auch abgekürzt MHD-Generatoren genannt.
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Um einen MHD-Wandler riäherungsweise rechnerisch zu beherrschen, geht
man von den Grundgleichungen aus: Zustandsgleichung, Kontinuitätsgleichung, Bewegungsgleichung
und Energiegleichung. Eine genauere Dimensionierung ist möglich, wenn durch Ergänzungen
die Nachverbrennung und ihr Einfluß auf die elektrische Leitfähigkeit des Plasmas
erfaßt wird. Nach Wahl von vier freien Forderungen lassen sich damit Kanäle für
MHD-Wandler entwerfen.
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Die Durchrechnung ergibt, daß in einem MHD-Generator durch die Formgebung
des Generatorkanals die bei einem bestimmten Druckgefälle durch die Wärmespeicherung
und die Strömungsgeschwindigkeit im Plasma enthaltene Energie gezielt nutzbar gemacht
werden kann. Man gelangt dabei zur Forderung nach sich erweiternden Kanälen verschiedenartiger
Formen. Kanäle zunehmenden Querschnitts sind beispielsweise aus der deutschen Auslegeschrift
1130 511 sowie aus der französischen Patentschrift 1308 804 bekannt.
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Führt man für die weiteren Betrachtungen ein kartesisches Koordinatensystem
so ein, daß die x-Richtung in Strömungsrichtung und die y- und z-Richtung in der
Ebene des Kanalquerschnitts liegen, so ergibt sich bei annähernd als konstant geforderter
Elektrodenspannung die wichtige Forderung, daß man das Seitenverhältnis Y im Kanalquerschnitt
immer im gleichen Sinne ändern muß, um jeder Volumeinheit des Kanals die maximale
Nutzleistung entnehmen zu können.
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Allgemein kann man sagen, daß zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades
zu einem gewählten Geschwindigkeitsabbau des Plasmas ein bestimmter Abbau von Temperatur,
Druck und Dichte erforderlich ist, was gewöhnlich eine mehr als lineare Querschnittsvergrößerung
in Richtung der Kanalachse zur Voraussetzung hat.
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Die starke Querschnittsvergrößerung war bisher in der Praxis ein unüberwindliches
Hindernis für den Einsatz trichterförmiger Kanäle mit der errechneten günstigen
Form. Die Konstruktion würde zu aufwendig, und die Wärmeverluste wären wegen zu
großer Oberflächen untragbar, weshalb man nur relativ kurze Kanäle realisieren konnte.
Die nutzbar umgewandelte Energie ist aber in solchen Kanälen gering.
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Ein vereinfachtes Beispiel bei Vernachlässigung der Verluste veranschaulicht
die Schwierigkeiten. Bei dem Entwurf eines Kanals für einen MHD-Generator werden
zur Vereinfachung auch die Nachverbrennung nicht berücksichtigt und kein Geschwindigkeitsabbau
des
Plasmas angenommen. Es werden über die Kanallänge konstähtör Elektröderiähstand
(y=konstant) und streng konstante Leerlaufspannung gefordert. Soll bei fester Anpassung
der Nutzlast an die zwischen den zugeordneten Elektroden liegenden Teilstrecken
etwa 201/o der in den Kanal einströmendön Energie in elektrische Nutzleistung umgeformt
werden, so ist die Plasmatemperatur bis zum Kanalausgang, bezögen äüf den V-ingäilgswert,
auf etwa 77 % äbzubaieü. Dazu muß die Seitenhöhe der Kanalwand in z-Richtung, bezogen
auf den Eingangswert, ungefähr exponentiell bis etwa auf den 18fachen Wert anwachsen.
Die gesamte Kanallänge xi hängt dabei noch von der. Dichte, der Plasmageschwindigkeit
sowie von der Leitfähigkeit des Plasmas und von der magnetischen Induktion am Kanaleingang
ab.
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Aufgabe der Erfindung ist es nun, den Bau von solchen MHD-Wandlem
mit den errechneten, für die Energieumwandlung günstigen, trichterförmigen Kanälen
zu ermöglichen. Es wird dazu auf die bekannte Reihenanordnung mehrerer Kanäle mit
wachsendem Querschnitt in einer Kaskade zurückgegriffen (USA-Patentschrift 3 099131).
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß der
Kanal -aktive Zonen finit gleichsinniger Änderung des Seitenverhältnisses und Zonen
zum geometrischen Anpassen (Anpassungszonen, Trennzonen) der aktiven Zonen in dem
Maße, daß die Seitenverhältnisse von Kanalausgangsquerschnitt und Kanaleingangsquerschnitt
aufeinanderfolgender aktiver Zonen einander angenähert reziprok sind, aufweist,
Betrachtet man einen Querschnitt, so ist als Seitenverhältnis das Verhältnis der
Seitenlänge in Magnetfeldrichtung zur Seitenlänge quer zur Magnetfeld= richtung
zu verstehen. Ein wachsendes Seitenverhältnis in den Querschnitten liegt also dann
vor, wenn eine Seitenlänge stärker als die Länge der dazu senkrecht liegenden Seiten
wächst. Für das bei Mal)-Generatoren bekannte Merkmal des wachsenden Seitenverhältnisses
wird dabei kein Elementenschütz begehrt.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung werdöii die aufeinanderfolgenden
aktiven Zonen gegeneinander um 90° um die gedachte Kanalachse gedreht: Man kommt
dann ohne Querschnittsverformung in den Trennzonen aus.
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In den Anpassungszonen können Übergangselektroden angeordnet werden,
denen bis zum Kurzschluß Leistung abgestuft entnommen wird, um die Elektrodenfeldstärke
und die magnetische Induktion der unmittelbar benachbarten aktiven Zonen abklingen
zu lassen und Wirbelströme zu mindern. Im Mittelbereich der inaktiven Kanalzone
kann die magnetische Induktion dann praktisch zu Null gemacht werden: Elektrodenfeldstärke
und magnetische Induktion werden bei einem bekannten Generator (französische Patentschrift
1315 292) dagegen durch entsprechende Kanalerweiterung und Schwächung des
Magnetfeldes zum Kanalende zu abgesenkt.
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Die Erfindung soll zum besseren Verständnis an Hand der ein Ausführungsbeispiel
wiedergebenden Zeichnung näher erläutert werden, F i g. 1 veranschaulicht im Prinzip
einen Kanal des MHD-Wandlers nach der Erfindung. Zwischen zwei aktiven Zonen 1 und
3 ist eine Trennzone 2 eingefügt, die relativ kurz sein kann: Die aktiven Zonen
trägän ail deti zur z=Richtürig parallelen Wänden z. B. den Wänden 14 uiid
15, Arbeitselektroden, wobei die Elektrodenebene durch die Schraffur gekennzeichnet
ist.
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Die Wände 16 lind 17 mit zier y-Richtung parallelen Erzeugenden sind
von den Elektioden elöktrisch isoliert. Sie laufen vom Eingang der Kanalzone bis
zum Ausgang nach einer bestimmten berechneten Pünktiän fit ,-Richtung auseinander,
um jeder Volumeinheit des Kanals die maximale Nutzleistung, z. B. bei konstanter
Elektrodenspannung, zu entnehmen. Da die Änderung des Wandabstandes wie bekannt,
in Richtung der x-Achse anwächst, kommt ein Bereich, in dem für jeden Zuwachs an
Kanallänge die Kanaloberfläche in unwirtschaftlichem Ausmaße anwächst. Vor diesem
Bereich ist die Kanalzone abzubrechen.
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Da es im betrachteten Fall für die Energieumwandlung nur auf die Änderung
des Setenverhältnisses in den Querschnitten der aktiven Zonen ankommt, hat die nächste
aktive Zone theoretisch den gleichen Eingangsquerschnitt wie der Ausgangsquerschnitt
der vorhergehenden aktiven Zone. Die punktiert eingefügte Trennzone 2 gleicht die
Seitenverhältnisse
vorn Ausgangsquäischnitt der Zone 1 ulid Querschnitt am Eingang der Zone 3 der benachbarten
aktiven Zonen 1 und 3 einander an.
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Die prinzipielle Ansicht von Querschnitt 6 der aktiven Zone 1 nach
F i g. 1 gibt F i g. 2 wieder. Die Elektroden 7 sind vor den Wänden 9 angeordnet,
durch die Durchführungen 8 zum Anschluß an einen äußeren Stromkreis vorgesehen sind.
An die elektrisch isolierenden Wände 10 schließen sich Polschuhe N und
S an; über die ein zur Strömungsrichtung transversales Magnetfeld angelegt
wird.
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Die Elektroden der aktiven Zonen sind in x-Richtung auf beiden Seiten
in Elektrodensegmente unterteilt, die paarweise zusammenarbeiten.
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In den inaktiven Trennzonen können einige Segmente sogenannter Übergangselektroden
mit besonderer Lastanpassung angeordnet werden, um die elektrischen Randeffekte
zwischen Eingang und Ausgang benachbarter aktiver Zonen zu. unterdrücken. Solche
Randeffekte bedingen Ausgleichsströme, die die abgebbare Nutzleistung an diesen
Stellen mindern würden.
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Wird den Segmenten solcher Übergangselektroden eine eventuell bis
zum Kurzschlußbetrieb gestufte Leistung zum Abgleich entnommen, so kann man in den
Anpassungszonen die magnetische Induktion und die außen meßbare Feldstärke zwischen
den Elektroden allmählich abfallen lassen und hierdurch Wirbelströme vermindern.
Bei Verwendung von Hallelektroden in den aktiven Zonen kann man die Segmente der
Übergangselektroden einfach paarweise kurzschließen. Es ist zu berücksichtigen,
daß die tatsächliche elektrische Feldstärke im Plasma zwischen den Elektroden die
Differenz der im Plasma durch das Magnetfeld induzierten Feldstärke und der außen
zwischen den Elektroden meßbaren Feldstärke, der Elektrodenfeldstärke, ist. Deshalb
ist an den Übergangselektroden durch entsprechende Belastung eine solche Klemmenspannung
einzustellen, daß diese proportional zur magnetischen Induktion an der Stelle dieser
Übergangselektroden abfällt.
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Bei Generatorbetrieb kann man bekanntlich bei Durchleiten eines ionisierten
Gases bzw. Plasmas
hoher Geschwindigkeit den Elektroden der aktiven
Zonen des MHD-Wandlers elektrische Leistung entnehmen. Das Plasma kann durch Verbrennen
von Ölen mit Luft erzeugt werden oder durch die Abwärme von Atomreaktoren. In einer
Beschleunigungsdüse kann das Plasma auf hohe Strömungsgeschwindigkeit gebracht werden;
bevor es durch den Kanal des MHD-Wandlers geleitet wird. Im Kanal wird die durch
Geschwindigkeit und gespeicherte Wärme im Plasma enthaltene Energie in elektrische
Energie umgewandelt, die voll den Elektroden abgenommen werden kann.
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Bei Pumpbetrieb des Wandlers kann einem elektrisch leitenden Medium
zusätzlich zur elektrischen Energie außerdem Energie in Form von Wärme zugeführt
werden. Dadurch können Temperatur, Druck und Geschwindigkeit in gasförmigen Medien
zusätzlich beeinflußt werden. Die zugeführte Wärmeenergie kann z. B. von einem Atomreaktor
stammen. Solche im Pumpbetrieb arbeitenden MHD-Waxidler können in bekannter Weise
zum Rückpumpen des Arbeitsmediums bei MHD-Generatoren mit geschlossenem Kreislauf
verwendet werden. Man kann deshalb den MI3D-Wandler nach der Erfindung auch allgemein
als einen Zustandsumformer ansehen.
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Um Querschnittsverformungen in den Trennzonen zu vermeiden, sieht
eine Ausgestaltung der Erfindung vor, daß die aufeinanderfolgenden aktiven Zonen
gegeneinander um 90° um die gedachte Kanalachse gedreht sind. Die Elektroden liegen
dann in verschiedenen Ebenen. Durch das in der Trennzone erreichte günstige Verhältnis
von Oberfläche zu ' Volumen werden somit minimale Wärmeverluste und gutes Strömungsverhalten
erzielt.
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In F i g. 3 ist ein solcher MHD-Wandler mit gedrehten Kanalzonen schematisch
dargestellt. Die Elektrodenebene ist jeweils durch Schraffur gekennzeichnet. Die
aktiven Zonen haben im Mittelbereich jeweils einen quadratischen Querschnitt; zwischen
Ein- und Ausgang ein und derselben aktiven Kanalzone bestehen reziproke Seitenverhältnisse
Die aktive Zone 3 ist gegen die aktive Zone 1 um 90° um die Kanalachse gedreht,
und das Seitenverhältnis am Eingang der Stufe 3 hat den reziproken Wert des Seitenverhältnisses
am Ausgang der Stufe 1,
wobei die Seiten in Magnetfeldrichtung, die im- Ausführungsbeispiel die Elektroden
tragen, mit a bezeichnet sind. Die Trennzone 2 weist bei einer solchen Bemessung
keine geometrische Querschnittsverfoririung auf, gleicht aber, die definitionsgemäßen
Seitenverhältnisse von Ausgangs- und Eingangsquer= schnitt zweier benachbarter aktiver
Stufen einarider an.: Die Übergangselektroden sind wieder in den Elektrodenebenen
der unmittelbar benachbarten ak-
tiven Zonen angeordnet zu denken. Sie sind
also innerhalb einer Trennzone am Ausgang gegen den Eingang um 90° gedreht.
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In F i g. 4 ist ein Energiewandler nach der Erfindung mit drei gegeneinandergedrehten
aktiven Kanal= zonen dargestellt. Zwischen den aktiven Kanalzonen 1, 3 und 5 liegen
die im Sinne der nutzbaren Energieumwandlung inaktiven Kanalzonen bzw. Trennzonen
2 und 4 zum Angleichen der Seitenverhältnisse. In der Trennzone 2 sind zwei Übergangselektröden
finit den Segnientpaaren 11 und 12 nur einmal am Eingang angedeutet. Die Segmente
jeder Seite sind gegeneinander elektrisch isoliert.
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Im Falle des Generatorbetriebs wird den Segmentpaaren der Übergangselektroden
bis zum Kurzschluß Leistung abgestuft entnommen, um die Elektrodenfeldstärke und
die magnetische Induktion der unmittelbar benachbarten aktiven Zonen abklingen zu
lassen und Wirbelströme zu mindern. Im Mittelbereich der inaktiven Kanalzone ist
die magnetische Induktion praktisch Null und steigt gegen das Kanalende bei um 90°
gedrehter Richtung der Feldstärke wieder an. Ebenso steigt mit Hilfe von um 90°
gegenüber dem Zoneneingang gedrehten übergangselektroden die Elektrodenfeldstärke
in senkrechter Richtung allmählich bis auf den vollen Wert in der nachfolgenden
aktiven Zone an. Dem angedeuteten Segmentpaar 11 wird durch den Widerstand 13 eine
gestufte Leistung entnommen, und das Segmentpaar
12 der Übergangselektroden
ist kurzgeschlossen. Es versteht sich, daß bei Anordnung mehrerer Segmentpaare als
Übergangselektroden beliebig fein gestufte Leistungsentnahme möglich ist. Ebenso
kann man die im Generatorbetrieb den Übergangselektroden zu entnehmende Leistung
in abgeglichenen Verbrauchern nutzen.
| Tabelle |
| (Bezeichnung nach F i g. 4) |
| Aktive Kanalzone |
| 1 3 5 |
| Länge [m] |
| 6 3,5 2,5 |
| Wirkungsgrad |
| 6,50/0 6,50/0 6,5010 |
| Zone 1 Zone 3 Zone 5 |
| Eingang I Ausgang I Eingang I Ausgang I Eingang Ausgang |
| Elektrodenabstand [m] .......................... 0,29 0,35
0,48 0,6 0,7 1,2 |
| Elektrodenlänge in Magnetfeldrichtung [m] . . . . . . . . 0,24
0,48 0,35 I 0,7 0,6 1,2 |
| Temperatur ['K] ............................... 3000 2940 2790
2700 |
| Plasmageschwindigkeit [m/s] ..................... 1000 840
660 400 |
| Druck [at] ..................................... 9 4,3 2,1.
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Will man einen MHD-Generator mit nachgeschaltetem Dampfkraftwerk
betreiben, so kann man bei Abbau der Plasmatemperatur und Plasmageschwindigkeit
ein Bemessungsbeispiel eines solchen als Generator laufenden MHD-Wandlers nach der
Erfindung mit drei aktiven Zonen nach vorstehender Tabelle angeben.
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Es sind dabei folgende Voraussetzungen getroffen worden: Die Elektrodenspannung
ist für jede aktive Kanalzone konstant. Die magnetische Induktion des angelegten
Feldes ist konstant und beträgt z. B. 15 Kilogauß.
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Unter Berücksichtigung der Enthalpie und der kinetischen Energie eines
Plasmas betrage die Eingangsleistung etwa 500 MW. Über jede aktive Kanalzone sei
schließlich das Verhältnis zwischen Abbau der kinetischen und der thermischen Energie
konstant.