CH404787A - Verfahren zum Betrieb eines magnetogasdynamischen Generators - Google Patents

Description

  Verfahren zum Betrieb eines     magnetogasdynamischen        Generators       Die     Erfindung    bezieht sich auf ein     Verfahren    zum  Betrieb eines     magnetogasdynamischen        Generators,     bei welchem ein zur Erhöhung der     Leitfähigkeit        mit          Saatmaterialien    versetztes,     heisses    Trägergas. in einem  geschlossenen Kreislauf     geführt    wird.  



  Dieses Saatmaterial enthält leicht     ionisierbare     Atome, beispielsweise     Caesium,        Kalium    oder Kal  zium, und bewirkt durch die     Belieferung    der Elektro  nen eine Erhöhung der elektrischen     Leitfähigkeit    des       Gases.     



  Bei einem geschlossenen Kreislauf kann das ge  gebenenfalls teure Saatmaterial, wie     Caesium,    be  liebig oft wiederverwendet werden. Dabei wird das  mit dem Saatmaterial versetzte heisse Trägergas nach  dem Durchströmen des     Generatorkanals    und der       Wärmeaustauscheinrichtungen    erneut in den Kreis,  lauf gebracht, das heisst     erhitzt    und mit der ge  wünschten Geschwindigkeit in den     Generatorkanal     geleitet.  



  Als Trägergas für einen     mägnetogasdynamisch.en     Generator mit     geschlossenem    Kreislauf sind Edelgase  wie Argon, Neon oder Helium vorgeschlagen worden,  weil diese Gase einen     niedrigen        Stossquerschnitt    auf  weisen. Als     Stossquerschnitt    eines Gasstromes wird  eine Grösse bezeichnet, welche der Wahrscheinlich  keit der Stösse von Gasatomen mit einem Elektron  proportional ist. Da diese Stösse von Gasatomen mit  den Elektronen die     Beweglichkeit    der Elektronen in  einem elektrischen Feld herabsetzen, ist ein     grosser          Stossquerschnitt    gleichbedeutend einer kleinen elek  trischen Leitfähigkeit.

   Der Stossquerschnitt der ge  nannten Edelgase beträgt für Argon 0,6 .     10-1s        cm2,     für Neon 1,1 .     10-16        cm2    und für Helium 5,7.       10-1B        cm2.     



  Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass  die Wahl des günstigsten Trägergases nicht allein    nach dem     Stossquerschnitt    vorzunehmen ist, sondern  nach einer Grösse, welche ausser vom     Stossquer-          schnitt    noch vom     Molekulargewicht    und der auf ein       Mol    bezogenen spezifischen Wärme des Gases ab  hängt.  



  Der Aufwand     zum    Bau eines     magnetogasdynami-          schen    Generators ist in erster Linie durch     die    erziel  bare Leistungsdichte bedingt, die     ihrerseits.    durch die  zulässigen     ohmschen    Verluste bestimmt wird. Die  maximale Leistungsdichte wird dann erreicht, wenn  gleich     grosse    Verluste wie die erzeugte Leistung zu  gelassen werden.

   Da hierbei die Verluste aber un  erträglich     gross    sind, müssen kleinere     Leistungsdich-          ten    in Kauf genommen werden, bei welchen die Ver  luste nur etwa 10<B>...</B> 200/ &  der erzeugten Leistung       betragen..    Bei einem vorgeschriebenen Verhältnis der       ohmschen    Verluste zur erzeugten Leistung und bei  einem gegebenen Magnetfeld ist die Leistungsdichte       proportional    der elektrischen Leitfähigkeit und pro  portional dem Quadrat der Strömungsgeschwindig  keit des Gases.  



  Die Leitfähigkeit eines mit Saatmaterial in klei  ner relativer     Konzentration    versetzten     Trägergases    ist  angenähert den folgenden Grössen proportional:  - der     a-ten    Potenz der Temperatur, wobei a eine  vom Saatmaterial und von der     Temperatur    ab  hängige Grösse ist, die nahe dem Wert 10 liegt,  - der Quadratwurzel der Konzentration     des    Saat  materials,  - dem     Kehrwert    der Quadratwurzel des Druckes,  - dem     Kehrwert    des     Stossquerschnittes    des Trä  gergases.  



  Zur Erzielung einer hohen elektrischen Leitfähig  keit darf nun aber die Konzentration des Saatmate  rials nicht beliebig erhöht werden, da in der Regel die  Saatmoleküle     wesentlich        grössere        Stossquerschnitte         aufweisen als die Trägergase, so, dass mit einer Er  höhung der Konzentration des Saatmaterials auch der       durchschnittliche        Stossquerschnitt    zunimmt. Die opti  male Konzentration des Saatmaterials, bei welcher  die     Leitfähigkeit    maximal wird, ist angenähert     pro-          portional    dem     Stossquerschnitt    des Trägergases.

   Wird  demnach diese optimale Konzentration des Saatmate  rials vorgesehen, so ist die Leitfähigkeit nicht mehr       proportional    dem     Kehrwert    des Stossquerschnittes  des Trägergases, sondern proportional dem     Kehrwert     der Quadratwurzel des     Stossquerschnittes..     



  Die Strömungsgeschwindigkeit im Kanal wird  durch Expansion des Gases vom Zustand in der     Heiz-          kammer    in einer Düse erzeugt. Bei der Umwandlung  der     thermischen        Energie    in kinetische     Energie    steigt  die Geschwindigkeit, während die Temperatur und  der Druck sinken. Hierbei nimmt die Leitfähigkeit des  Gase-,     ebenfalls    ab, da der Einfluss der sinkenden  Temperatur überwiegt. Bei einem gegebenen Gas     gibt     es deshalb für maximale Leistungsdichte eine opti  male Geschwindigkeit.

   Diese     optirmale    Geschwin  digkeit     hängt    von der auf ein     Mol    bezogenen     spezi-          fischen    Wärme des Gases ab. Sie liegt unterhalb der  Schallgeschwindigkeit für Trägergase     mit    kleiner     spe-          zifischerMolwärme    und oberhalb     derSchallgeschwin-          digkeit    für Trägergase mit grosser spezifischer     Mol-          wärme.     



  Es wurde nun     gefunden,    dass die Leistungsdichte  eines     magnetogasdynamischen        Generators    mit     zuger-          setztem    Saatmaterial in mindestens angenähert     o@pti-          maler    Konzentration und mit     mindestens,        ange-          nähert    optimaler     Gasgeschwindigkeit    nur von Eigen  schaften des Trägergases     abhängt,

      wenn der maxi  male Wert der     Gastemperatur    beim Eintritt in den       Generatorkanal    und Austritt aus dem Kanal und der  maximale Wert des Druckes vorgeschrieben sind.  Diese Leistungsdichte ist umgekehrt proportional  dem     Molekulargewicht    des Gases, umgekehrt pro  portional der Quadratwurzel des     Stossquerschnittes     des Gases und     steigt    monoton mit dem Verhältnis der  spezifischen Wärme zur Gaskonstanten.  



  Diese Eigenschaften des Trägergases werden  durch eine weiter unten definierte Grösse K     charak-          terisiert,    welche unter den oben     genannten    Bedingun  gen der     Leistungsdichte    des Generators proportional  ist.  



  Das     erfindungsgemässe    Verfahren ist durch die  Verwendung eines     Trägergases    mit einer Grösse K  gekennzeichnet, welche bei der maximal vorgeschrie  benen     Trägergastemperatur        nfindestens    10     %        grösser     ist als die entsprechende Grösse von K für Helium,  wobei  
EMI0002.0057     
    ist.    Hierin bedeuten: m das     Molekulargewicht    des  Gases,  Q den     Stossquerschnitt,     das     Verhältnis.    der spezi  fischen Wärme zur Gas  konstanten, beide in glei  chen Einheiten,  a den Exponenten, mit dem  die Leitfähigkeit des mit  einem.

   Saatmaterial versetz  ten Gases von der Tempe  ratur abhängt.  



  Es ist vorteilhaft, ein Trägergas zu wählen, das  ein niedriges     Molekulargewicht    aufweist, da die Ab  hängigkeit der charakteristischen Grösse K von dem  für ein solches Gas an sich grösseren     Stossquerschnitt     mit dem Kehrwert der Quadratwurzel und nicht mit  dem     Kehrwert    wie das.     Molekulargewicht    geht.  



  Die Grösse K hängt aber auch von     .1,    dem Ver  hältnis der spezifischen Wärme zur Gaskonstanten  ab.     Für        einatomige    Gase ist     A,    konstant und hat den       Wert    2,5. Für     zweiatomige    Gase nimmt bei Zimmer  temperatur ) den Wert 3,5 an und wird mit steigen  der Temperatur grösser.

   Mehratomige Gase haben  eine     grössere    und mit steigender Temperatur anwach  sende spezifische Wärme, einerseits, da die Rota  tions- und     Oszillationsenergie    zur spezifischen Wärme       beiträgt    und andererseits,, da infolge der Dissoziation  in Moleküle kleinerer     Atomzahl    die spezifische  Wärme stark erhöht wird. Für die in Frage kommen  den Gastemperaturen um 2300  K ist die Abhängig  keit der     charakteristischen    Grösse K von     A.    für Werte  bis     #    etwa     gleich    12 gemäss dem ansteigenden Ast  einer Parabel.

   Bei der Wahl des Trägergases ist dem  nach neben dem     Molekulargewicht    der Einfluss der  spezifischen Wärme auf die     Leistungsdichte    wesent  lich grösser     als.    der Stossquerschnitt. Gemäss der Er  findung wird ein gegenüber den vorgeschlagenen  Gasen vorteilhafteres Trägergas dadurch gefunden,  dass die     charakteristische    Grösse K des Trägergases       mindestens    10 Klo grösser als     die    entsprechende  Grösse K für Helium ist.  



  Geeignet ist beispielsweise ein leichtes und dis  soziierendes Gas-, bei welchem sich mit dem Einsatz  der     Dissoziation    das     Verhältnis    der spezifischen  Wärme zur Gaskonstanten sehr stark     erhöht    und bei  welchem gleichzeitig auch das     Molekulargewicht    in  kleiner wird, wodurch der Wert der charakteristi  schen Grösse K erhöht wird.  



  Ein geeignetes, leichtes, mehratomiges Gas ist bei  spielsweise Wasserstoff. Mit diesem Trägergas wird  die Leistungsdichte eines     magnetogasdynamischen     Generators, bei welchem das mit     Saatmaterialien    ver  setzte und in einem geschlossenen Kreislauf geführte       Trägergas    eine Temperatur von 2250  K     aufweist,     einer Grösse K proportional, die     den    Wert 4,51 .     10-2     hat,     wenn,    für Q die     Einheit        10-16    cm?     eingesetzt     wird, während für Argon und Helium die entspre  chenden Grössen nur 0,59.     10-1    bzw.

       1,93.10-=     betragen. Die als Trägergas vorgeschlagenen Edel  gase sind deshalb gegenüber dem Wasserstoff über-           raschenderweise    ungünstige Trägergase, obwohl ihr       Stossquerschnitt    nur     0,6.10-16        cm2        bzw.    5,7.       10-11        cm\=    beträgt gegenüber 15 .     10-16        cm22    bei Was  serstoff. Der Grund hierfür ist, dass das     Verhältnis     der spezifischen Wärme zur Gaskonstanten bei Was  serstoff der genannten Temperatur 4,2 beträgt gegen  über 2,5 bei Argon und Helium und dass das.

   Mole  kulargewicht des     Wasserstoffs.    nur 2 beträgt gegen  über 40 bei Argon und 4 bei Helium.  



  Eine günstige Leistungsdichte lässt sich bereits  erreichen, wenn als. Trägergas ein Gasgemisch ver  wendet wird, das. Wasserstoff enthält, beispielsweise  ein Gasgemisch aus Helium und Wasserstoff. In der  charakteristischen Grösse K sind die verschiedenen  Grössen in     (Molekulargewicht),   <I>Q</I> (Stossquerschnitt)  und     .?    (Verhältnis der     spezifischen    Wärme zur Gas  konstanten) einzeln zu     mitteln    und in die Beziehung  für<I>K</I> einzusetzen.

   Es ist als     Eximi   <I>,</I>     r.riQi    und<I>Z</I>     xiAi          i    i i  zu bilden und für<I>m, Q</I> und     A,    einzusetzen,     wobei        xi     die     Molanteile    der einzelnen Gassorten im     Gemisch     sind.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Verfahren zum Betrieb eines, magnetogasdynami- schen Generators., bei welchem ein zur Erhöhung der Leitfähigkeit mit Saatmaterialien versetztes heisses Trägergas in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Trägergases mit einer Grösse K, welche bei der maxi mal vorgeschriebenen Trägergastemperatur minder stens 10 % grösser ist als die entsprechende Grösse K für Helium, wobei EMI0003.0036 ist.

   Hierin bedeuten: m das Molekulargewicht des Gases, Q den Stossquerschnitt, A, das. Verhältnis, der spezi fischen Wärme zur Gas konstanten, beide in, glei chen Einheiten, a den Exponenten, mit dem die Leitfähigkeit des mit einem Saatmaterial versetz- ten Gases von der Tempe ratur abhängt.

   <B>UNTERANSPRÜCHE</B> 1. Verfahren zum Betrieb eines magnetogasdyna- mischen Generators gemäss'Patentanspruch, gekenn zeichnet durch die Verwendung von Wasserstoff als Trägergas. 2. Verfahren zum Betrieb eines. magnetogasdyna- mischen Generators. gemäss Patentanspruch, gekenn zeichnet durch die Verwendung eines. Wasserstoff enthaltenden Gasgemisches als Trägergas.