Generatorkanal für magnetohydrodynamische Generatoren Ein magnetohydrodynamischer Generator, nach folgend MHD-Generator abgekürzt, hat bekanntlich Elektroden, zwischen denen ein elektrisch leitendes Medium strömt.
Wird senkrecht zur Strömungsrich tung uni zu einer durch die Elektroden gedachten >Ebene c:n Magne:feld angelegt, entsteht zwischen den Elekiroden ehic nutzbare elektromotorische Kraft (ElMK). Für eine Direk:umwandlung thermischer in elektrisch;. Energie wird meist ein Plasma von etwa 3000 "C als leitendes Medium verwandt, das z. B. durch Verbrennen von ölen mit Luft urfiter Zusatz von Saatmaterial entsteht.
Durch die thermische Ener- g'.e werden Verbrennungsgase ionisiert und über eine Düse auf hohe Strömungsgeschwindigkeit gebracht. Das Plasma wird dann an den Elektroden entlang geleitet, die gewöhnlich in einem Kanal angeordnet sind, der mit den Bauelnheiten zum Anlegen des Magnetfeldes den Generatorkanal bildet.
Das Plasma kann auch durch Kernenergie erzeugt werden. Dabei lassen sich ionisierende Wirkung der radioaktiven Strahlung und Wärmewirkung ausnützen.
Die Kanalwände zwischen den Elentroden müssen elektrisch isolierend sein. Bei Generatorkanälen, die mit Verbrennungsgasen betrieben werden, sind an das Material wegen der hohen Temperaturen und der oxidierenden Atmosphäre des Plasmas besonders hohe Anforderungen zu stellen. Während es bei den Elektroden mit wassergekühlten Edelstahlelektroden gelungen ist, den Anforderungen gerecht zu werden, .alt es bisher als Problem, für die Kanalwände neue und besser beständige Keramikstoffe zu entwickeln. Keramiken, die längere Zeit der thermischen Be- anspruchung ohne Kühlung standhalten, sind bisher noch nicht zum Einsatz gekommen. Die bisher ent wickelten Keramiken springen und schmelzen bei den Betriebstemperaturen ab.
Bei intensiver Kühlung sol cher Wände treten andererseits Spannungen im Ma terial auf, wodurch ganze Schichten abplatzen können.
Die Erfindung baut auf der Erkenntnis auf, dass bei wärmeisolierendem Material wie Keramik, dieses durjh Wärmestauung örtlich extrem hoch beansprucht wird, so dass mit Kanalwänden aus keramikartigem Material lange Lebensdauer nicht zu erwarten ist.
Demzufolge sieht die Erfindung vor, bei einem Generatorkanal für MHD-Generatoren, bei denen Kanalwand und Elektroden einen heissen Plasma strahl umschliessen, die Kanalwand aus gut wärme leitendem Material mit einem Quotienten
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herzustellen und zu kühlen.
Hierbei ist ?, die Wärmeleitfähigkeit gemessen in
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E der Elastizitätsmodul in
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, a der Ausdehnungskoeffizient in
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Bei einem Generatorkanal nach der Erfindung werden durch gute Wärmeleitfähigkeit örtlich extrem hohe Beanspruchungen verhindert, und bei entspre chender Kühlung kann die Wand im Betrieb nicht abschmelzen. Dabei darf Wandmaterial, das sich we nig ausdehnt, relativ spröde sein. Nicht sprödes Ma terial darf sich andererseits stärker ausdehnen.
Es können z. B. Stahl oder Sintermetalle verwandt werden, sowie keramikartige Stoffe mit einem Quo tienten
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der die genannte Bedingung erfüllt. Der Stahl Ther- max 11a hat z. B. bei einer Wärmeleitfähigkeit von = 0,065
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einem Elastizitätsmodul E = 2. 10s
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und einem Ausdehnungskoeffizienten
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einen Quotienten
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= 1,7 10-3
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= 7,25. 10-2
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da 1 cal = 42,7 kp. cm beträgt.
Für Aluminiumoxydkeramik A1203, die sich für Wandmaterial als wenig geeignet erwiesen hat, ergibt sich dagegen bei gleichen Dimensionen wie zuvor mit a =<B>0,01;</B> E = 3<B>-106,</B> a = 8,7. 10-E als Quo tient
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= 1,66. 10-2
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Für Kupfer mit der hohen Wärmeleitfähigkeit von = 0,83 ergibt sich mit E=1,2. 10s und a=11 . 10-s ein Quotient von
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= 2,74.
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Das bestätigt, dass Kupfer als Wandmaterial an sich gut zu brauchen ist. In der Praxis wird allerdings die Verwendbarkeit von Kupfer durch seinen niedri- gen Schmelzpunkt bei 1084 C eingeschränkt, der bei Plasmatemperaturen um 2500 C eine starke Kühlung erforderlich macht. Dabei würde dem Kanal so viel Energie entzogen, dass ein Generator mit Kupfer wänden bei heissem Plasma einen schlechten Wir kungsgrad hätte. Bei wärmeleitendem Material, das wie meist der Fall, zugleich elektrisch leitend ist, wird gemäss wei terer Ausbildung der Erfindung die Kanalwand durch Fugen aus elektrisch isolierenden feuerfesten Kitt schichten in gegeneinander elektrisch isolierte Berei che unterteilt.
Da von einem Isoliermaterial zwischen den Elektroden bei angelegtem Magnetfeld nur relativ niedrige Spannungsfestigkeit gefordert werden muss, ist es möglich, mit dünnen Kittschichten auszukom men. Die Kanalwand kann als Polschuh ausgebildet sein und aus Material hoher Permeabilität bestehen.
Der Generatorkanal nach der Erfindung hat eine erheblich längere Lebensdauer gezeigt als die bisher mit wärmeisolierenden Wänden erreichte. Die vor teilhafte Aufteilung der Kanalwand in durch Kitt schichten voneinander elektrisch isolierte Bereiche kommt einem Generatoraufbau durch Baukastenele mente entgegen, was die Fertigung vereinfacht. Die Kühlung der Kanalwände kann nach zwei Gesichtspunkten eingestellt werden: Um dem Plasma möglichst wenig Energie in Form von Wärme zu entziehen, ist die Oberflächentemperatur der Wand durch Kühlung so einzustellen, dass sie dicht unter halb des Schmelzpunktes des Wandmaterials bzw.
dicht unterhalb der Temperatur bleibt, bei der Ver- zunderung oder Korrosion auftritt. Die Kanalwand ist also nicht forciert, sondern so dosiert zu kühlen, dass die Kanaloberfläche so heiss wie möglich ist. Diese Art zu kühlen kann bei kleineren Generatoren an gebracht sein. Dem zweiten Blickwinkel entsprechend ist die Oberflächentemperatur der Wand durch Küh lung unterhalb der Temperatur zu halten, bei der das Plasma bzw. Gas gerade noch gut leitend ist. Dadurch werden Kurzschlussströme im wandnahen Plasma vermieden. Solche Kurzschlussströme entstehen wegen unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeiten des Plasmas im Kanalinneren gegenüber den an den Wän den abgebremsten äusseren Plasmaschichten, wodurch Potentialunterschiede zustande kommen.
Die Betriebs temperatur der Wandoberfläche ist im zweiten Be triebsfall niedriger als im ersten. Bei grossen Gene ratoren kann diese Art vorteilhaft sein, denn bei gros sem Kanalquerschnitt behält das Plasma im wesent lichen auch bei kühleren Randbereichen seine Ener gie.
Die Kühlung kann über wärmeabstrahlende Flächen und über Kühlmittel in Kühlkanälen im Wandinneren erfolgen. Die Kühlwirkung hängt von der Wahl der Wandstärke d zwischen Kanaloberfläche und Kühl mittel sowie von der Wärmeleitfähigkeit X des Wand materials und von Durchsatzmenge und Temperatur TK des Kühlmittels ab. Ist To die Temperatur der Kanaloberfläche und Q die Energieflussdichte zwi schen Plasma und Kühlmittel, so gilt bekanntlich
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Durch entsprechende Abstimmung dieser Werte lässt sich der Generator nach der Erfindung an alle Betriebsbedingungen anpassen.
Sieht man in der Kanalwand nicht nur Fugen aus Kittschichten in der Richtung der Elektrodenober- fläche verlaufend vor, um die Elektrodenpotentiale voneinander zu isolieren, sondern auch quer zur Rich tung der Elektrodenoberfläche, so lassen sich durch das Hallfeld bedingte Ausgleichsströme unterdrücken.
Der Generatorkanal nach der Erfindung ermög licht, das angelegte Magnetfeld näher an das Plasma zu führen, wenn die Kanalwand als Polschuh ausge bildet ist und das wärmeleitende Material die Eigen schaft hoher Permeabilität hat. Das wirkt sich auf die Generatorleistung günstig aus. Bei kleinen Kanälen kann der so erzielbare Leistungsgewinn prozentual er heblich sein. Es ist zu beachten, dass die Kühlung so eingestellt wird, dass die Temperatur des magnetisch leitenden Pfades unterhalb des Curie-Punktes bleibt.
Durch entsprechende Anordnung von Kühlkanälen und durch Wandschichten mit unterschiedlicher Wär meleitfähigkeit kann man zumindest erreichen, dass nur eine dünne Wandschicht an der Oberfläche Tem peraturen über dem Curie-Punkt aufweist. Für diese Schicht können auch unmagnetische Stoffe verwandt werden. Es lassen sich Edelstähle, wie Chrom-Nickel- Stahl, verwenden, die z. B. durch Auftragsschweissen aufgebracht werden können.
Werden auch sonstige durch die Konstruktion noch bedingte Fugen verkittet, verhindert man, dass leitfähiges Gas (Plasma) eindrin gen kann und vermeidet somit Ableitungsverluste, die besonders durch Spalten längs des Magnetfeldes zu erwarten wären.
Ausführungsformen des Generatorkanals nach der Erfindung sollen an Hand der Zeichnung weiter er läutert werden: Fig. 1 zeigt zunächst das Wirkungsprinzip eines MHD-Generators.
In Fig. 2 ist ein Generatorkanal in Blockbauweise, schräg von oben gesehen, schematisch dargestellt. Fig. 3 stellt einen Querschnitt durch einen Gene ratorkanal nach der Erfindung dar, bei dem die Ka nalwand als Polschuh ausgebildet ist.
In Fig. 1 ist schematisch die Brennkammer 10 und der Kanal 9 eines MHD-Generators im Schnitt gezeigt. Senkrecht in die Zeichenebene hinein verläuft ein äus- seres angelegtes Magnetfeld B. Durch das aus der Brennkammer 10 mit hoher Geschwindigkeit v aus tretende Plasma entsteht im Zusammenwirken mit dem Magnetfeld B eine induzierte elektrische Feld stärke E;. Dadurch entsteht zwischen den Elektroden 5 eine Feldstärke E, und eine nutzbare EMK. Der Ge- neratorkanal 9 mit den Elektroden 5 ist über und unter der Zeichenebene durch elektrisch isolierende Wände abgeschlossen zu denken.
Er ist von der Brennkammer 10 durch Isoliermaterial 11 getrennt.
In Fig. 2 bilden zwei Reihen aus gleichartigen Elektrodenblöcken 5 mit Kühlkanälen 6 und Wand blöcken 1 über und unter den Elektrodenblöcken den Kanal 9, den Strömungsraum des Generatorkanals. Die Wandblöcke bestehen hier z. B. aus länglichen Blöcken mit rechteckigen Kühlkanälen und aus schmalen Blöcken mit runden Kühlkanälen. Zwischen Wand 1 und Elektroden 6 sind Kittschichten 7 aus Blakite -Kitt, der bis 1700 C betriebsbeständig ist. Es können auch Keramikplatten oder aufgesprühte Keramikschichten verwendet werden. Man muss dar auf achten, dass durch das Kühlmittel die voneinan der elektrisch isolierten Wandbereiche nicht kurz geschlossen werden.
Dazu kann bei durchgehenden Kanälen nichtleitendes Kühlmittel verwandt werden, wie destilliertes Wasser oder Silikondämpfe. Die Blöcke können auch voneinander getrennte Kühl mittelkreise haben, die von einer Stelle aus bei elek trischer Isolation gemeinsam rückgekühlt werden, so dass sich parallel geschaltete, jedoch elektrisch von einander isolierte Kühlmittelzuführungen ergeben.
Das Wandmaterial kann man nach den gewünsch ten Betriebsverhältnissen auswählen. In Frage kom men z. B. folgende im Handel erhältliche Stähle, bei denen in Klammern die Betriebstemperatur aufge führt ist, bei der sie noch als beständig und korro sionsfest angesehen werden können: Thermaxstahl (l200 C), Megapyr (1350 C). Es können auch Sintermetalle wie Molybdändisilizid, Mosilit genannt (1650 C) oder Stoffe wie elektrisch leitendes Siliziumkarbid verwandt werden.
Bei be stimmten Karbiden, Boriden, Nitriden und Suiziden spricht man auch von Hartmetallen.
Die Blockbauweise hat neben dem Vorzug, ra tionell fertigen zu können, den Vorteil, dass der Einfluss der Hallspannung auf einfache Weise unter drückt wird. Kurzschlussströme über die Wände wer den somit vermieden. Durch die Kittschichten quer zur Richtung der Elektrodenoberfläche, also hier senk recht zur Kanalachse, werden bei getrennter Strom abnahme von den Elektrodenblöcken auch Ausgleichs ströme innerhalb einer Elektrodenreihe aufgrund des Halleffektes vermieden.
Die Elektroden sind durch Kittschichten von der Wand isoliert. Durch Kittschichten in Richtung der Elektrodenoberfläche, die hier die schmalen Wand blöcke einschliessen, werden mit Sicherheit Wand ströme vermieden. Diese Kittschichten treten bei der dargestellten Ausführungsform vor allem dann in Funktion, wenn eine der Kittschichten über den Elek troden elektrisch überbrückt wird.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Generatorkanal ist in Pfeilrichtung ein Magnetfeld angelegt zu denken. Bei dem in Fig. 3 im Querschnitt dargestellten Ge- neratorkanal nach der Erfindung wird durch die als Polschuh ausgebildete Kanalwand 1 und die Elek troden 5 der Kanal 9 gebildet, durch den im Betrieb das etwa 3000 C heisse Plasma strömt. Die Kanal- wand 1 zeigt unten und oben im Querschnitt eine Trapezform und passt sich in der Neigung der Seiten flächen dem Verlauf des Magnetfeldes an. Die Kanal wand besteht aus den Schichten 2a, 2b und 4.
Vor dem Polkörper 2a aus Transformatorenblech liegt eine Deckplatte 2b aus Eisen hoher Permeabilität, die einen Kühlkanal 3 enthält. Durch den Kühlkanal kann ein Kühlmittel wie Wasser durchgeleitet werden. Auf der dem Kanal 9 zugekehrten Seite ist auf der als Pol schuh ausgebildeten Wand eine Edelstahlschicht 4, z. B. aus Chrom-Nickel-Stahl Thermax 11a mit einem Quotienten
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= 7,25. 10-=
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aufgebracht. Das lässt sich mit Auftragsschweissen durchführen. Die Wand 1 kann aber auch aus einem einheitli chen Materialblock, z.
B. aus magnetischem wärme beständigem Stahl Thermax 12 F A<B>L>,</B> dessen Wert für den Quotienten
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in der gleichen Grössen- ordnung liegt, bestehen. Die Materialstärke zwischen nililkanal 3 und Kanal 9 kann etwa 1 cm stark ge wählt sein. Dann stellt sich auf der Kanaloberfläche der Polschuhe 1 bei Wasserkühlung etwa eine Tempe ratur von 1000 C ein. Zwischen den Polschuhen 1 uad den Elektroden 5 aus Edelstahl, die ebenfalls durch einen Kühlkanal 6 gekühlt werden können, liegt jeweils eine Schicht 7 aus feuerfestem Kitt, z. B. wie der Blakite -Kitt, die nach Trocknung elektrisch iso liert und z.
B. 2 nim dick ist. An den Elektroden 5 sind durch die Kittschichten 7 elektrisch isoliert seit lich Montagelaschen 8 vorgesehen, die mit der Ka nalwand verschweisst sind. Durch isolierte Schrauben können die Elektroden 5 mit den Montagelaschen verbunden und in ihrer Lage festgehalten werden. Bei dieser Anordnung lassen sich im Versuchskanal mü helos mit einem Elektromagneten Feldstärken von 18000 Gauss erzielen.