Verfahren und Anordnung zum Betrieb von -Generatoren Grosse elektrische Energiemengen werden ge wöhnlich aus Wärme über den Umweg mechanischer Energie erzeugt. Bei der typischen Methode wird überhitzter Dampf verwendet, der unter hohem Druck eine Kraftmaschine, wie eine Dampfturbine, in Be wegung setzt, die den Läufer eines elektrischen Gene rators antreibt. Im wesentlichen beruht der Umwand lungsprozess auf einer Bewegung metallischer Leiter in einem Magnetfeld. Die Leiter brauchen jedoch nicht aus Metall zu bestehen, sondern können Flüssigkeitsleiter sein.
Das ist von Faraday schon früh erkannt worden, der mit Quecksilber experimen tiert hat, das eine Glasröhre zwischen den Polen eines Magneten durchflossen hat. Von Faraday stammt weiterhin der Vorschlag, die Gezeiten und die Meeresströmungen im Magnetfeld der Erde für die Energiegewinnung heranzuziehen. Immerhin erfor dert die Anwendung eines metallischen oder flüssigen Leiters die ziemlich umständliche Methode, Wärme energie zunächst in mechanische und erst dann in elektrische Energie umzuwandeln.
Wird eine Direkt umwandlung von thermischer in elektrische Energie bei grossen Energiemengen erstrebt, so ist es erforder lich, Gase anstelle von metallischen oder flüssigen Leitern zu verwenden, um eine grosse Volumen änderung zu erzielen.
Für verschiedene magnetohydrodynamische Gene ratoren, im folgenden mit MHD-Generator abgekürzt, die als Arbeitsmittel ein bei hohen Temperaturen ionisiertes Gas verwenden, sind frühzeitig Vorschläge zu finden. Karlowitz und seine Mitarbeiter zeigen im USA-Patent Nr. 2 210 918 einen MHD-Generator mit einem axial zum Gasfluss gerichteten Magnetfeld.
Wegen der im einzelnen gewählten Feldanordnung und wegen der niedrigen Leitfähigkeit des Arbeits gases hat der Generator keine nennenswerte Energie entwickelt. Faraday hat bei seinem ursprünglichen Versuch mit Quecksilber eine transversale Feldanord nung verwendet. Rudenberg hat ein solches Feld nach der USA-Patentschrift Nr: <B>1717</B> 413 verwendet. Rudenberg verwendet in seinem Generator zur Er hitzung und Ionisierung des Arbeitsgases .einen elek trischen Lichtbogen.
Neuere Versuche haben die Möglichkeit aufgezeigt, einen Betrieb mit Verbren nungsgasen durchzuführen. Um beim MHD-Gene- rator möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen, sollte er bei Temperaturen betrieben werden, die 2500 K nicht unterschreiten. Einer der Faktoren, die beim Wirkungsgrad des Generatärprozesses zu einer Einbusse führen; ist das niedrige Verhältnis von dem im Generator genutzten Wärmeabfall zur insge- samt dem Arbeitsmedium zugeführten Wärmeenergie.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad beim MHD-Generator wesentlich zu erhöhen. Die Erfindung löst .diese Aufgabe bei ,HM-Generatoren mit einem Arbeitsgas aus Ver brennungsprodukten mit einem Verfahren zum Be trieb solcher .Generatoren, das darin besteht, dass mehrere Generatorstufen in Kaskade angeordnet sind und das Arbeitsgas zwischen den Generatorstufen nacherhitzt wird.
Da der Platzbedarf von MHD-Gene- ratoren gegebener Leistung .direkt von der Leitfähig keit und diese von der Betriebstemperatur des ioni sierten Arbeitsmittels abhängig ist, wird bei einem Betrieb gemäss der Erfindung neben höherem Wir kungsgrad gleichzeitig eine kleinere Baugrösse der Generatoren bei höherer Leistung erzielt. Durch höheren Druck kann weiterhin für einen Generator gegebener Länge und bei hoher Leitfähigkeit der Wirkungsgrad erhöht werden.
Die weitere Erläuterung der Aufgabenstellung und ihrer Lösung gemäss der Erfindung soll an Hand der Zeichnung beispielsweise durchgeführt werden. Fig. 1 zeigt ein schematisches Diagramm, das die Erklärung der Wirkungsweise und der Theorie bei einem MHD-Generator unterstützen soll.
Fig.2 zeigt schematisch einen MHD-Generator in einer für erfindungsgemässen Betrieb möglichen Konstruktion.
Fig. 3 ist ein Querschnitt nach Fig. 2 längs III III genommen.
Fig. 4 zeigt schematisch eine Generatoranordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfror dung.
Fig. 5 stellt ein Mollier-Diagramm dar, das die Erklärung es Kreisprozesses, wie er beim Verfahren gemäss,der Erfindung auftritt, unterstützt.
Zunächst soll nach Fig. 1 Theorie und Wirkungs weise eines MHD-Generators erklärt werden. In. der Beschreibung werden die Flussgrössen im Einlass zustand beim Generator durch einen Index o @gekenn- zeichnet und im. Auslasszustand durch einen Index 1.
Gesamtzustände werden durch einen Index t @gekenn- zeichnet. Es sei angenommen, dass ein Gas als Arbeitsmedium in einen Kanal gleicher Weite mit der Geschwindigkeit u. und dem Druck p. bei einer Temperatur To eintritt. Das Gas soll zur Erhöhung der Leitfähigkeit in bekannter Weise mit Saatmaterial versetzt sein,
das eine bestimmte Zusammensetzung aus Alkalimetallatomen aufweist. Ein. homogenes Magnetfeld B in der y-Richtung steht senkrecht zur Richtung des Gasflusses (x Richtung). Wandungen G, die aus Isoliermaterial bestehen, sind um einen Ab stand b voneinander entfernt angeordnet. Elektrisch leitende Wandungen e haben den Abstand d.
Sie dienen als Elektroden und sind mit einem äusseren Lastkreis verbunden, der den Widerstand R enthält.
Die Strömungsgeschwindigkeit u verursacht im Zusammenhang mit dem Magnetfeld Bin bezug auf das strömende Gas ein elektrisches Feld E', so da.ss gilt:
EMI0002.0059
j. <I>=</I> a (uXBv + EZ). <I>(5)</I> Die Kraft in x-Richtung beträgt: <I>F, =</I> -jZ By <I>. (6)</I> Das Minuszeichen bedeutet, dass die Kraft in Minus-x-Richtung, also entgegen der Strömungsrich tung weist. In der weiteren Behandlung werden die Indizes der Koordinaten weggelassen.
Es werden fol gende Voraussetzungen getroffen: a) Zustandsgrössen und Strömungsgeschwindigkeit sind über den Querschnitt konstant.
b) Das Arbeitsmedium ist ein reibungsloses, kom- primierbares ideales Gas.
e) Störungen des angelegten Magnetfeldes durch den ,Strom werden vernachlässigt.
d) Fehlströme werden vernachlässigt.
e) Die elektrische Leitfähigkeit ist eine skalare Grösse, deren Betrag durch die mittlere Temperatur und den Druck im Generatorkanal bestimmt ist.
f) Wärmeverluste werden vernachlässigt.
g) Der Generatorkanal hat konstanten Querschnitt. Dann lassen sich als beherrschende Gleichungen für die Strömung im Generatorkanal anschreiben: Wegen der Erhaltung der Masse gilt:
EMI0002.0087
Bei Verknüpfung der Gleichungen (7); (8), (9) und (10) findet man eine Beziehung zwischen dem relativen Druck und der relativen Geschwindigkeit: Verknüpfung der Gleichungen (8) und (5) liefert unter Substitution des Druckes p nach Gleichung (15) eine Beziehung zwischen der Geschwindigkeit u und dem Weg x:
EMI0003.0004
EMI0003.0005
dabei ist:
EMI0003.0006
EMI0003.0007
für ul wagen Strömungseinschnürung. Die Neigung ZLo zu Einschnürung tritt besonders bei Kurzschlussbe- dingungen auf und kann vermieden werden für ö = 0, was die Beziehung liefert:
EMI0003.0015
Beim Entwurf eines MAD-Generators kann M Zlo gewählt werden und L aus der Gleichung (18) errech net werden.
Bei der Analyse eines .gegebenen Gene- rators steht L fest und der Wert
EMI0003.0022
muss gefunden werden. Dieser Wert befriedigt mit bestimmten Wer ten für C1, C2, C" und C4 die Gleichung (18). Das Verhältnis der Generatortemperaturen ist gegeben durch:
EMI0003.0029
Bei gegebener Gaszusammensetzung ist die Leit- fähigkeit eine Funktion der mittleren Temperatur T und des mittleren Druckes p näherungsweise der Form:
EMI0003.0036
Mit den Gleichungen (15), (18), (23) und (24) kann die gasdynamische Lösung des Generatorpro- blems gefunden werden.
Bei langen Kanälen, in denen eine merkliche Änderung des Druckes und der Tem peratur stattfinden kann, ist es zweckmässig; den Kanal rechnerisch in mehrere Abschnitte einzuteilen, um eine Analyse mit den obigen Gleichungen durch führen zu können.
Als nächstes soll das elektrische Verhalten des s MHD-Generators betrachtet werden. Die Leerlauf spannung und die Betriebsspannung sind schon er wähnt worden. Der Generatorstrom kann durch Inte-
EMI0004.0005
EMI0004.0006
Bei Kurzschlussbetrieb ist für die obige Beziehung ein<B>01</B> einzusetzen, das für C2 <I>_ -</I> d ermittelt worden ist.
Im Fall d = 0 ergibt sich:
EMI0004.0012
Die Art der Abhängigkeit des Lastparameters C2 vom Strom I kann erkannt werden, wenn man den Fall untersucht, bei dem das Verhältnis von
EMI0004.0016
in der Nähe von 1 liegt.
In diesem Fall sind die Werte für den Strom I. und für die Energie P., näherungsweise: Ia, <I>=</I> oruoBLb <I>(1</I> + CJ <I>(29)</I> P., = o .2B2 (bLd) <I>(1</I> + C2) (-C2-b). (30) Daraus ist zu ersehen,
dass Pa in Form einer Parabel von dem Parameter C2 oder Strom I., abhängt.
In. Fig. 2 sind die drei Hauptbestandteile einer MHD-Generatoranlage gezeigt. Die Bestandteile sind: Brennkammer 20, Mischkammer 22 und Generator teil 24. Die Metallwände 26 und 28 vom Mischer 22 und Generator 24 sind beide mit einer feuer beständigen Keramikschicht 30 und 32 belegt und können von aussen wassergekühlt sein.
Die Misch- kammer 22 dient dazu, Raum und Zeit zur Durch führung des Verbrennungsprozesses zu liefern. Sie wirkt als Sammelkammer, aus der sich die heissen Gase in den Generatorkanal 100 entladen. Der Elektromagnet 34, der unter und über der Schnitt ebene des Generators einen hufeisenförmigen Kern mit Polschuhen 36 haben kann, liefert ein Magnet feld senkrecht zur Gasströmung durch den Genera torkanal und zur Zeichenebene von Fig. 2.
Der Generatorteil 24 kann eine Vielzahl entlang dem Generatorkanal <B>100</B> angeordneter Elektroden paare haben, wie mit den Paaren 40, 42 und 44 angedeutet ist. Die elektrische Abnahme von den Elektrodenpaaren 40, 42 bzw. 44 wird über die Anschlüsse 46 und 48, 50 und 52 und 54 mit 56 vorgenommen. Die Brennkammer 20 ist mit zwei Zuführungs düsen 58 und 60 versehen, durch die Brennstoffe, wie Propan, Dieselöl oder mit Kalium versetztes Dieselöl, in die Brennkammer eingeführt werden können.
Falls erforderlich, kann Sauerstoff zur Unter stützung des Verbrennungsprozesses über die Düse 62 dem Verteilungskopf 64 der Brennkammer 20 zugeführt werden. Die für den MHD-Generator be nötigten heissen Arbeitsgase werden unter Zuführung von Saatmaterial zur Erhöhung der Leitfähigkeit, durch in der Brennkammer verbrannten Brennstoff erhalten.
Die Elektroden 40, 42 und 44 können Silikonkarbid, gebundenes Graphit, Wolfram oder Zirkonoxyd enthalten. Letzteres ist unter dem Blick winkel der Oxydationsfestigkeit am geeignetsten.
Für die in Fig. 3 ersichtlichen seitlichen Isolator wände 66 und 68 sind stabilisierte Keramik aus Zirkondioxyd und Magnesiumoxyd zur elektrischen Isolation zwischen den Elektroden am geeignetsten.
Als geeignetes Saatmaterial kann dem Arbeits medium jedes leicht ionisierbare Alkali-Erdmetall, wie Kalium oder Cäsium, über eines der Brenn- kammerdüsen getrennt zugegeben werden. Es ist ein zusehen, dass das ionisierte Gas beim Durchströmen des Kanals eine Spannung zwischen den Elektroden an Kanaldecke und -boden erzeugt.
In Fig. 4 ist eine MHD-Generatoranlage gezeigt, mit drei Generatorstufen I, 1I und III. Jede einzelne Generatorstufe entspricht dem in Fig.2 gezeigten Generator. Falls gewünscht, können in der Anlage auch mehr Generatoren in Kaskade geschaltet wer den.
Die Generatorstufen 1I und III enthalten Brenn stoffzuführungen, Misch- und Brennkammerbereiche. Sauerstoff kann im Überschuss dem Generator I zuge führt werden oder zusätzlich den Generatoren II oder III zugegeben werden. Daher enthält jede der Gene- ratostufen Brennkammer, Mischkammer und Gene ratorkanal. Die Generatorstufen sind in Kaskade an geordnet und durch einen gemeinsamen Kanal für den Durchtritt des Arbeitsmediums verbunden.
Es ist günstig, als Arbeitsmedium die Verbrennungspro- dukte von Öl und Sauerstoff oder Luft zu verwen den.
In Fig. 5 ist die Enthalpie h des Gases als Funk tion der Entropie s für einen Arbeitsprozess der Anlage nach Fig. 4 aufgetragen. Die Zahlen 1 mit 11 aus Fig.5 entsprechen Zuständen des Arbeits mediums nach Fig. 4 bei gleich bezeichneten Stellen.
Luft wird von einem Kompressor 102 bei 1 mit dem Druck p. angesaugt. Im Kompressor 102 wird die Luft unter Zwischenkühlung auf hohen Druck in bekannter Weise verdichtet. Bei einem Druck, der etwa dem sechsfachen Wert von po entspricht, ver lässt die Luft bei 2 den Kompressor und wird dann einem Vorerhitzer oder Wärmetauscher 104 zuge führt. Dort wird die Luft bei konstantem Druck 6 po auf eine Temperatur erhitzt, die in Fig. 5 dem Punkt 3 entspricht.
Der bei hoher Temperatur auf hohem Druck befindliche Luftstrom wird dann der Brenn- kammer 20 der Stufe I des, kaskadierten MHD-Gene- rators im überschuss zugeführt. Die Brennkammer wird aus einem ölvorratsbehälter 106 mit Brennöl versorgt. Durch die Verbrennungswärme wird das Arbeitsgas bis auf eine Temperatur in der Grössen ordnung von 2500 K erhitzt.
Diesem Zustand, der am Ausgang der Mischkammer 22 der ersten Gene ratorstufe (I) erreicht ist, entspricht der Punkt 4 des Zustandsdiagramms. Das heisse ionisierte Gas durchströmt dann den Kanal 100 im Generatorteil 24 der ersten Generatorstufe und erzeugt elektrische Energie, die an den Elektroden des Generatorkanals abgenommen werden können.
Bei Durchtritt .durch den Generatorkanal sinken Druck und Temperatur des Arbeitsgases bis zu einem Zustand ab, dem Punkt 5 nach Fig. 5 entspricht. Beim Übertritt des Gases von Stufe I zur Stufe II des kaskadierten MHD-Generators wird der Brenn- kammer der Stufe Il Brennöl aus einem Vorrats behälter 108 zugeführt.
Dadurch wird dem den Kanal 100 durchströmenden Gas Verbrennungswärme zu geführt und das ionisierte Arbeitsgas in einem Zu stand hoher Leitfähigkeit erhalten, indem seine Tem peratur bis auf etwa 2500 K aufsteigt, was Punkt 6 nach Fig.5 entspricht. Das Gas tritt dann durch Mischkammer und Generatorkanal der Stufe<B>11</B> hin durch.
Bei Durchströmen der Generatorkammer der Stufe II sinkt die Temperatur bis zum Kanalausgang, wodurch Punkt 7 erreicht wird.
Beim Eintritt in die Stufe III--wird wieder Brennöl zur Nacherhitzung aus dem Vorratsbehälter 110 zuge führt. Durch die entstehende Verbrennungswärme wird ionisiertes Arbeitsgas in seinem gut leitenden Zustand erhalten.
Das Gas durchströmt dann die Mischkammer der Stufe HI und verlässt sie bei einer Temperatur, der Punkt 8 entspricht und die etwa auf gleicher Höhe liegt, wie die Temperatur zu den Zustandspunkten 4 und 6 aus Fig.5. Elektrische Energie kann dann aus dem Generätorkanal der Stufe III bei Durchtritt des ionisierten Arbeitsgases entnommen werden. Temperatur und Druck des Ar beitsgases sinken bei Kanaldurchtritt bis zu Punkt 9 ab.
Das heisse Arbeitsgas, das, .den Generatorkanal der Stufe III verlässt, wird dann durch einen Wärme tauscher 104 zum Vorerhitzen der durch den Kom pressor 102 verdichteten Luft .geführt. Die erhitzte und verdichtete Luft wird dann der ersten Generator stufe (I) zugeführt.
Durch Wärmeentzug aus dem Arbeitsgas sinkt die Temperatur des Gases bei kon stantem Druck p, bis zu einem Punkt 10 entspre chenden Wert, der etwas unterhalb von Punkt 3 liegt. Das Arbeitsgas, das den zur Vorerhitzung dienen den Wärmetauscher 104 verlässt, durchtritt einen Dampfkessel 112, wo die verbliebene Energie zur Dampferzeugung benutzt wird. Der im Kessel 112 erzeugte Dampf wird dann zum Antrieb der Turbine 114 verwendet.
Die Turbine 114 ist mechanisch mit dem Kompressor 102 verbunden, um die vom Kom pressor zur Verdichtung der Luft nötige Energie, zu liefern. Ausserdem kann noch ein konventioneller Generator 101 mitlaufen. Der die Turbine 114 ver lassende Dampf wird durch einen Kondensator 115 geführt, in dem sich der Dampf als Wasser nieder schlägt.
Das Wasser sammelt sich in dem Sammler 116 und wird von der Pumpe 118 dem Kessel 112 zugeführt, wo es von den heissen Generatorabgasen erneut in Dampf überführt wird. Das den Dampf kessel verlassende Abgas des Generators tritt durch ein Rohr 120 und eine Rückgewinnungsanlage 122 für Saatmaterial und verlässt dann die Anlage durch einen Kamin 124.
Die zu Punkt 11 nach Fig. 5 ge hörende Temperatur kann bei der vorliegenden An lage mit etwa 500 K angenommen werden. Sie wird. am Ausgang des Dampfkessels erreicht.
Um das die Generatoranlage durchströmende Arbeitsgas höher ionisieren zu können, werdendem Arbeitsgas als sogenanntes Saatmaterial ein Alkali- metall, wie Kalium oder Cäsium, zugegeben.
Bei der beschriebenen Anlage wird Cäsium in reiner Form. oder als .Salz der Brennkammer der ersten Genera torstufe (I) zugeführt. Das ist mit der Zugabe 122c und der Führunglslinie 126 schematisch. dargestellt. Die .Saatmaterialzugabe <I>122a</I> dient dazu,
das während des Arbeitsprozesses in der Generatoranlage und mit den Kaminabgasen trotz Rückgewinnungsanlage 122 verlorene Saatmaterial zu ergänzen. Die Alkalimetall- atome zur Erhöhung der Leitfähigkeit des Arbeits gases durchtretenden Generatorkanal 100 zusammen mit dem Arbeitsgas.
Die Rückgewinnungsanlage für Saatmaterial 122 kann entweder in einem elektrostatischen Ausfäll- apparat oder mit einem Gaswäscher arbeiten, wie sie zur Abgasreinigung bekannt sind. Wenn ein elektro statisch arbeitender Ausfäller verwandt wird, werden die Cäsium enthaltenden Teilchen vom Arbeitsgas durch elektrostatische Kräfte getrennt, in einem Becken angesammelt und das Cäsium mit Wasser herausgelöst.
Das Cäsium wird als konzentrierte Lösung der Brennkammer der Generatorstufe I zurückgeführt, wo das Wasser verdampft wird. Der Rückgewinnungsanlage 122 wird das Wasser durch Zugabevorrichtung 130 zugeleitet.
Im Falle der Ver wendung einer Gaswaschanlage werden die Cäsium- haltigen Moleküle durch innigen Kontakt mit Sprüh wasser herausgelöst und die entstehende Lösung ebenfalls der Brennkammer der Stufe I rückgeführt, wo das Wasser verdampft wird.
Die Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades der kaskadierten Anlage durch Verwendung der Nach erhitzung ist aus der folgenden Berechnung zu er sehen, wozu bestimmte Temperaturwerte angenom men werden. Es sei angenommen, dass TI = 300 K, T2 = 1000 K und dass T5= T,, <I>=</I> T9 und<I>T4 =</I> T6 <I>=</I> T8 ist.
Ohne Nacherhitzung tritt eine Abkühlung bei einem Druck P5 nach Fig. 5 ein. Wird überschlägig angenommen, dass die Enthalpie proportional der Temperatur sei, ergibt sich als Wirkungsgrad des Kreisprozesses ohne Nacherhitzung folgendes:
EMI0006.0033
Dabei ist % der Wirkungsgrad des Dampfkreis laufes, der die Wärmeenergie zwischen Punkt 10 und 11 nach Fig.5 aus den Abgasen des Generators erhält.
Wenn die oben angegebenen Temperaturen in diese Gleichung eingesetzt werden und der Wirkungs grad n, des Dampfkreislaufes mit 0,3 angenommen wird, ergibt sich für den Fall ohne Nacherhitzung ein Wirkungsgrad von
EMI0006.0042
Bei einer Nach erhitzungsstufe steigt der Wirkungsgrad auf<B>47,8%,</B> bei zwei Nacherhitzungen .auf<B>53,6%</B> und bei drei auf<B>57,5%.</B> Bei vier Nacherhitzern steigt der Wir kungsgrad auf<B>60,
6%.</B> Durch eine Vielzahl nach erhitzter MHD-Generatorstufen wird mit den hier beschriebenen Verfahren zum Betrieb von MHD- Generatoren ein hoch wirksamer Kreisprozess zur direkten Energieumwandlung von Wärme in elek trische Energie erhalten.
Es ist verständlich, dass hier nur ein Beispiel zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens angegeben worden ist und dass vielfältige Änderungen in Konstruktion und Anordnung der Konstruktions teile, sowie in der Auswahl der Materialien ge troffen werden können, ohne vom Wesen der Erfin- dung abzuweichen. So können z. B. auch Genera toren mit tangentialer Führung des Arbeitsgases in einer Kaskade nach der Erfindung betrieben werden.