CH421259A

CH421259A - Verfahren zum Betrieb eines magnetohydrodynamischen Generators

Info

Publication number: CH421259A
Application number: CH1017763A
Authority: CH
Inventors: Burhorn Friedrich Dr Dipl-Phys; Hermann Dr Wittel; Werner Dipl Phys Rummel
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1962-10-10
Filing date: 1963-08-16
Publication date: 1966-09-30
Also published as: US3319091A; DE1170521B

Description

Verfahren zum Betrieb eines magnetohydrodynamischen Generators Ein magnetohydrodynamischer Generator (MHD- Generator) .besteht bekanntlich in der Regel paus einem Kanal, durch den heisses elektrisch leitendes Gas von etwa 3000 C (Plasma)

mit hoher Ge schwindigkeit durchgeleitet wird. Der Kanal wird von einem Magnetfeld durchsetzt, so dass senkrecht zum Magnetfeld und senkrecht zur Strömungsrich- tung eine elektrische Feldstärke induziert wird. Zur Abnahme elektrischer Leistung muss man in der lemtfähigen Zone des Gasstrahles Elektroden anord nen;

die maximal mögliche Stromstärke ist der Elek- trodenfläche proportional. Da die Leitfähigkeit im Plasma im wesentlichen auf der Elektronenbewe gung beruht .(die Ionenleitfähigkeit .ist etwa um den Faktor 1000 geringer), anuss :ein thernuscher Emis sionsstrom an der nach aussen positiven Elektrode :den Stromübergang in das Plasma ,gewährleisten.

Von !der Primärenergie her ;sind zwei verschiedene Arten von MHD-Ganeratoren zu unterscheiden. Bei der einen Art wird Idas Plasma durch Verbrennung von<B>öl,</B> Kohlenstaub oder ähnlicher Brennstoffe mit Sauerstoff oder Luft erzeugt. Bei der :anderen Art wird das Gas in einem Wärmeaustau scher aufge- heizt, wobei :

die Wärme beispielsweise .durch einen Atomreaktor erzeugt werden kann.

Eine entscheidende Begrenzung der Lebensdauer solcher Generatoren rührt davon her, @dass die bisher üblichen Elektroden bei Aden hohen Temperaturen des ,Plasmas nicht beständig waren. Es ist zu be rücksichtigen, dass ;das Plasma zum Teil .aus oxy dierender Atmosphäre besteht, so dass die gebräuch lichen Elektroden, .z. B.

Graphit, in relativ kurzer Zeit abbrannten.

Man hat versucht, diese Schwierigkeiten dadurch zu umgehen, dass man eine .intensive Kühlung der Elektroden vorsah. Beispielsweise wird in der Zeit- schrift < Nature vom 3. 2.1962, Seiten 467 bis 468, über den Vorschlag berichtet, wassergekühlte Kupferelektroden mit einer Oberflächentemperatur von etwa 400 C anzuwenden.

Es hat sich nun .gezeigt, dass bei einer derartigen forcierten Kühlung die Leistung eines MHD-Genera- tors gegenüber oder Leistung mit z.

B. nicht .gekühlten Graphitelektroden auf etwa den zehnten Teil zurück- geht. Dieser Leistungsrückgang hat folgende Ur sachen: Das strömende Plasma enthält Elektronen und positive Ionen des Saatmaterials, z.

B. Kalium- oder Kaliumoxyd-Ionen. Die Leitfähigkeit des Plasmas wird wegen der gegenüber den schweren positiven Ionen um Grössenordnungen höheren Beweglichkeit ,der Elektronen gross .sein, wenn der Stromtransport von -der positiven Elektrode zur negativen Elektrode innerhalb des Plasmas von Iden Elektronen Über nommen werden kann.

Dazu .ist es notwendig, @dass ,die positive Elektrode die notwendige Anzahl an Elektronen emittieren kann. Werden die Elektroden nun stark gekühlt, ;so wächst ,auf ihnen ein Konden sat aus K20 und K2C03 enthaltenden Substanzen ,auf.

Da diese Schicht ,ein schlechter Wärmeleiter ist, wird @die Schicht so dick, dass die Oberfläche eine Temperatur annimmt, bei der zwischen Aufkonden- @sieren und Verdampfen Gleichgewicht herrscht. Diese Temperatur liegt höher ,als 1200 C.

Da Kalium und Kaliumoxyd ein niedriges Elektronenaustritts- potential haben, würde diese Temperatur ausreichen, um eine genügend hohe Emissionsdichte zu :

gewähr leisten (mindestens 1 A/cm2). Nun hat diese Schicht jedoch eine schlechte elektrische Leitfähigkeit, und ihr Widerstand nimmt reit .der Dicke und mit ,ab nehmender Temperatur zu.

Die Schicht wirkt daher wie ein schlecht leitender Halbleiter, ,an (der ein grosser Teil der im MHD-Generator erzeugten Span nung zusammenbricht.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Höhe der Oberflächentemperatur für edle Dicke der niedergeschlagenen Schicht und damit für Iden Generatorwirkungsgrad eine. entscheidende Rolle spielt.

Zur Vermeidung der oben geschilderten Nach teile besteht das Betriebsverfahren nach der Er findung darin, dass die Kühlung der Elektroden ;auf einen Wert eingestellt wird,

der an der Elektroden- oberfläche eine Temperatur dicht unterhalb dies Schmelzpunktes des Elektrodenmaterials und Indien an den Elektroden angrenzenden Randschichten des Plasmas eine solche Temperatur aufrechterhält, die die Bildung einer emissionsfähigen ,

dünnen Schicht aus den Bestandteilen des Plasmas an den Elektro- denoberflächen erlaubt, deren Dicke durch Verdamp fen und neuen Niederschlag im Gleichgewichtszu- stand konstant bleibt.

Gemäss der Erfindung werden also die Elektro- den nicht forciert, sondern dosiert gekühlt. Bei Iden Ausführungsformen der Erfindung werden bei gege benem Kühlmittel, z. B.

Wasser, Kühlmittelmenge und -Temperatur sowie Dicke und :damit Ober- flächentemperatur des Elektrodenmetalls so :

gewählt, dass einerseits keine nennenswerte Korrosion, Ver- zunderung oder Abbrand eintreten und (sichander- seits eine dünne Kondensatschicht ausbildet, die eine genügende Elektronenemission bei einem gegenüber dem Plasmawiderstand :kleinen Schichtwiderstand er gibt.

Die dazu notwendigen Temperaturen (der metal lischen Elektrodenoberfläche betragen mindestens 1100 C.

Als geeignete Materialien haben sich dement- sprechend bis zu hohen Temperaturen zunderfesfie und oxydationsbeständige Edelstähle (Thermrax-Sbah.1) erwiesen, wie sie an sich zum Teil bereits ,

auch für die forcierte Kühlung vorgeschlagen worden sind. Ferner eignen sieh auch Hartmetalle bzw. andere Stoffe mit besonders hohem Schmelzpunkt, z. B. Molyb(dän-Disili,zid.

Bei diesen Temperaturen emittieren die Kalium- kondensate auf den Elektroden bereits so viel Elektronen, dass Stromdichten von 1 A/cm2 bis 10 A/em2, je nach der Oberflächentemperatur, :auf rechterhalten werden können, wobeüi (die Plasma leitfähigkeit allein durch (Elektronentransport he- stimmt wird.

Die sich dabei (ausbildende Kondensat- schicht ist bereits @so (dünn, dass ein nennenswerter Spannungsabfall auch bei (einem Elektrodenabstand von nur 2 cm (entsprechend einer Generatorspian- niung von etwa 20 V) nicht mehr .eintritt.

Anderseits darf die Elektrodenoberfläahentempe- natur nicht so hoch sein, idass sich keine ,emnttierende Schicht mehr ausbilden kann. Diese Grenztemperatur liegt höher als ca. 1350 C.

Für (die Praxis ist (aber eine Überschreitung von 1300 bis 1350 C nicht von Bedeutung, ,da (die Wärmeverluste durch die dosiert :gekühlten Flächen kaum mehr ins Gewicht fallen.

Bei einer solchen dosierten Kühlung kann, man erreichen, dass die pro Volumeneinheit des Reaktions raumes entnehmbare (elektrische Leistungsdichte praktisch ebenso gross ist wie bei Verwendung von nicht gekühlten Elektroden, z.

B. nicht gekühlten Graphitelektroden. Bei einem Kanalquerschnitt von 2 X 2 cm, unter Verhältnissen also, bei denien Idas Verhältnis von Oberfläche zum Volumen sehr un günstig ist, konnten mittlere Leistungsdichten von etwa 10 Watt/cm3 bei einer Plasmatemperatur von 2700 C am Eingang und 2400 C am Ausgang des Kanals,

einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 1000 m/sec und einer Magnetfeldstärke von etwa 14 kOe erzielt werden. Diese Werbe liegen nahezu eine Grössenordnung über :den bisher veröffentlich ten, mit forciert gekühlten Elektroden erreichten Werten (1 bis 1,4 Watt/cm@).

Im folgenden sei ,an Hand der Zeichnungen die Erfindung beispielsweise näher beschrieben.

Mg. 1 zeigt schematisch ,zwei Elektroden 1 rund 2, (die miteinander (und mit nicht dargestellten Wänden, die an edier Ober- und Unterseite der Elektroden un geordnet werden, den Kanal 3 einschliessen. Die Elekroden sind mit Kühlkanälen 4 und 5 versehen, durch die beispielsweise Wasser ,

als Kühlmittel ge leitet wird. Bei einer praktisch erprobten Anordnung betrug die Dicke des Elektrodenmaterials z. B. 1 .mm, (die Höhe (zugleich (die Kanalhöhe) 20 mm, die Länge der Elektroden 200 mm. Di(e Dicke des Kühlkanals betrug 7 mm.

Im Bietrieb wurden pro cm2 Elektrodenfläche 250 W durch Kühlung (ab- geführt.

Fig. 2 zeigt ,schematisch die Temperaturvertei- lung längs der Elektroden. Von der Kühlwasser- temperatur von etwa 40 (steigt die Temperatur Ibis zur metallischen Oberfläche (der Elektroden 'auf einen: Wert knapp unterhalb des Schmelzpunktes des Elek- trodenmaterials an.

Beispielsweise hat Thermax 8 A einen Schmelzpunkt von etwa 1400 C. Bei einer Verwendung von Dampf als Kühlmittel ist die Dicke :diesRTI ID="0002.0232"WI="30" HE="4" LX="1327" LY="1954"> Elektrodenmaterials entsprechend zu re- duzienen, wobei (der Wärmeübergang aus dem Plasma bei konstanter Oberflächentemperatur nahezu kon stantbleibt.

In Fg. 2 ist auch angedeutet, dass sich auf der Oberfläche der Elektroden im Betrieb ein Belag 6 niederschlägt, in dem ein grosser Temperaturgra dient herrscht.

Die Oberflächentemperatur der Schicht wird daher noch beträchtlich über der Ober flächentemperatur des Elektrodenmaterials liegen. Dementsprechend ergibtsich .an der Belagoberfäehe eine relativ hohe Plasmatemperatur, @so dass die Leitfähigkeit des Plasmas (gross (bleibt. Die Temp:

ena- tur im Plasma .steigtgegen (die Mitte (M in Fig. 2) :des Kanals auf .etwa 3000 C an.

Die verhältnismässig hohe Oberflächentempieratur (des Stahles führt zur Ausbildung eines nur sehr dünnen Belages, so dass dessen hoher spezifischer Widerstand sich auf die Leistung des Generators nicht schädlich auswirkt.

Im Gleichgewichtszustand wird durch Verdampfen und neuen Niederschlag verschiedener Bestandteile der Innenatmosphäre dies Generators konstante Dicke !des Belages @aufrechter- halten, der bei :der verhältnismässig hohen Tempe- ratur auch ausreichend Elektronen emittiert. Dies ist insbesondere für die als Kathode idienende Elektrode von Bedeutung.

Wie Fig. 3 zeigt, .ist es möglich, in ider Elektrode Kanäle 7 anzuordnen, durch die maibeispielsweise Luft oder Sauerstoff zu deren Vorwärmung schicken kann.

Der Kühlkanal 5 kann gemäss Fig. 4 auch entfallen, wenn man im Elektrodenmaterial Kanäle 8 vorsieht, in die Kühlwasser unter hohem Druck (beispielsweise 200 Atmosphären) eingespritzt wird. Der hierdurch @entstehende Dampf kann ebenfalls zur Energieerzeugung, etwa durch eine Dampftur bine, herangezogen werden.

Es ist dabei vorteilhaft, eine grössere Anzahl von Kanälen kleinen Durch- messers zu wählen, die parallel oder hintereinander geschaltet wenden.

Die Ausnutzung der durch Kühlung abgeführten Wärme ist wirtschaftlich von Bedeutung, da rund 8 % der im MHD-Kanal umzusetzenden Energie durch ,die Kühlung entzogen wenden.

Fig. 5 zeigt ein Schema zur Ausnutzung idieser Verlustwärnnie . Der Generator 9 reimt Brennkam- mer 10 wird durch einen Verbraucherwiderstand 11 belastet, der über kein Messgerät 12 an die beiden Elektroden angeschlossen ist.

Das Oxydationsmittel, beispielsweise Luft, wird mit Hilfeeiner Pumpe 13 durch Kanäle in den Elektrodenkörpern getrieben und darauf der Brennkammer 10 zugeführt. Der Kühlmittelkreislauf ist mit einer Pumpe 14 und einem Wärmaaustauscher 15 versehen. Im Wärme austauscher wird die abgeführte Wärmeenergie zur Verheizung des Brennstoffes, z.

B. Öl, verwendet, .der aus einem Vorratsbehälter 16 mittels einer Pumpe 17 in die Brennkammer gedrückt wind.

Die Kühlleistung wird in Abhängigkeit von der am Messgerät 12 abzulesenden, erzeugten elektrischen Energie, durch Einstellen der Pumpleistung, idurch, Reduzierventmle und dergleichen optimiert.

Claims

PATENTANSPRUCH I Verfahren zum Betrieb eines magnetahydrody- namischen Generators mit gekühlten Elektroden, @da- durch gekennzeichnet, dass die Kühlung ider Elek troden auf einen Wert eingestellt wird,

der an der Elektrodenoberfläche eine Temperatur dicht unterhalb des Schmelzpunktes des Elektrodenmate- Hals und in den ran den Elektroden angrenzenden Randschichten des Plasmas eine solche Temperatur aufrechterhält, die die Bildung einer .emissionsfähi gen dünnen Schicht,aus den Bestandteilen des Plas mas ran den Elektrodenoberflächen erlaubt,

deren Dicke durch Verdampfen rund neuen Niederschlag im Gleichgewichtszustand konstant bleibt. UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlleistung im Bereich ,der Hitzebeständigkeit des Elektrodemnaterial@s so eingestellt wird, dass die abgegebene elektrische Lei stung des Generators maximal wird. 2.

Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch Kühlung abgeführte Wärme zur Vorheizung von Brennstoff und/oder Oxydationismittel verwendet wird. 3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass die idurch Kühlung abgeführte Wärme zur Dampferzeugung für den Betrieb einer Dampfturbine verwendet wird.

PATENTANSPRUCH II Magnetohydrodynamischer Generator zur Durch- führung des Verfahrens nach Patentanspruch I, da durch gekennzeichnet, dass die Elektroden ,aus hoch hitzebeständigem Sta 1 mit einem Schmelzpunkt von etwa 1400 C bestehen. UNTERANSPRÜCHE 4.

Generator nach Patentanspruch 1I, dadurch .gekennzeichnet, dass die Elektrodenoberfläehen pla- tiniert sind. 5. Generator nach Patentanspruch 1I, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenoberflächen aufge- rauht sind. 6.

Generator nach Patentanspruch II, idadurch gekennzeichnet, dass die ,Elektroden :mit Kühlkanälen für,den Durchtritt von Kühlmittel versehen sind.