<Desc/Clms Page number 1>
Verfahren und Vorrichtung zur Wärmegewinnung aus Atommeilern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung der Wärme aus mittels Gas gekühlter Atommeiler, wobei der Umlauf der Gase durch einen Kompressor bewirkt wird.
Die Erfindung zielt insbesondere darauf ab, in einfacher Weise eine sichere Abdichtung zwischen den durch die Spaltprodukte verunreinigten Gasen und der Atmosphäre zu schaffen.
Die Erfindung ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass die genau für den Antrieb des Kompressors erforderliche Leistung durch die Entspannung der aus dem Meiler kommenden Gase in einer auf der Welle des Kompressors angebrachten Gasturbine erzeugt wird, wobei diese Welle vollständig innerhalb der das Gas enthaltenden dichten Hülle liegt.
Bei den bekanntenAusführungen von gasgekühlten Atommeilern zur Erzeugung von Energie mit Hilfe von Dampfmaschinen wird der Kompressor für den Umlauf des Gases entweder unmittelbar oder über ein Getriebe von einer Dampfturbine oder mittels eines Wechselstromerzeugers und eines Elektromotors angetrieben. Unter den Bedingungen, bei denen der günstigste thermische Wirkungsgrad der Gesamtanordnung erreicht wird, verbraucht der Kompressor grössenordnungsmässig etwa ein Drittel oder ein Viertel der mechanischen Leistung.
Bei derartigen Anlagen ergeben sich im allgemeinen schwierige Probleme im Zusammenhang mit dem Antrieb des Kompressors hinsichtlich der Abdichtung der das erforderliche Antriebsmoment liefernden, sich drehenden Welle gegenüber dem radioaktiven Gas, des beträchtlichen Wertes der zu übertragenden Leistung und der Notwendigkeit der Regelung der Drehgeschwindigkeit zur Erzielung des günstigsten Wirkungsgrades beim Arbeiten des Kompressors.
Schliesslich beschränken bekanntlich die bei der Herstellung der mit natürlichem Uran arbeitenden.
Meiler benutzten Materialien die Austrittstemperatur der Gase des Meilers auf einen Wert, der zu nied- rig ist (etwa 3800 C), um die Gase bei Berücksichtigung der gegenwärtigen Möglichkeiten der Turbinen und Kompressoren unmittelbar und vollständig in einer Gasturbine mit einem annehmbaren Wirkungsgrad benutzen zu können.
Man hat nun lange bevor dieEntwicklung der Kompressoren und Turbinen so weit vorgeschritten war, um die unmittelbare Anwendung der Gasturbine für den Flugzeugantrieb zu ermöglichen, zur Speisung von Kolbenmotoren mit Vorverdichtung einen Turbokompressor benutzt, der durch einen Vorverdichtungskompressor gebildet wird, der unmittelbar von einer Turbine, welche die Auspuffgase diesen'Motore-Bnt :- spannt, angetrieben wird, wobei die gesamte an der Turbine verfügbare Leistung zum Antrieb des Kompressors dient.
Das den Gegenstand der Erfindung bildende Verfahren zur Wärmegewinnung benutzt den Turbokompressor in Verbindung mit dem bekannten Dampfmaschinenzyklus.
Erfindungsgemäss wird genau die für den Kompressor erforderliche mechanische Leistung diesem von einer Gasturbine geliefert, in der sich die aus dem Meiler kommenden heissen Gase entspannen, wobei die Turbine und der Kompressor auf einer selbständigen gemeinsamen Welle angebracht, sind,
Da der Kompressor unmittelbar von der Gasturbine angetrieben wird, kann die gesamte an den Wellen der Dampfturbinen abgenommene Leistung - mit Ausnahme des kleinen für den Antrieb der Hilfsantriebe erforderlichen Bruchteils-unmittelbar benutzt werden.
Da der Rotor des Turbokompressor vollständig in dem Kühlgas des Meilers liegt und vollkommen
<Desc/Clms Page number 2>
selbständig ist, tritt keine Welle aus der das Gas enthaltenden Hülle aus, so dass ohne Dichtungen eine vollständige Abdichtung zwischen dem durch die Spaltprodukte verunreinigten Gas und der Atmosphäre hergestellt werden kann. Es genügt dann, eine Abdichtung bekannter Bauart zwischen dem in der Turbine strömenden Gas und dem in dem Kompressor strömenden Gas herzustellen. Diese beiden Gase sind nämlich beide verunreinigt.
Die den Gegenstand der Erfindung bildenden Verbesserungen eignen sich besonders für mit Graphit und natürlichem Uran arbeitende Atommeiler ; der erhaltene thermodynamische Wirkungsgrad ist dem Wirkungsgrad der bekannten Ausführungsformen zumindest gleichwertig. Falls die Verwendung von Sondermaterialien die Erwärmung des Kühlgares des Meilers auf zwischen 4000 C und 5000 C liegende Temperaturen gestattet, wird sogar ein höherer Wirkungsgrad erreicht.
Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung an Hand eines Beispieles erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch die zur Ausübung des erfindungsgemässen Verfahrens benutzten Hauptteile.
Fig. 2 zeigt einen Axialschnitt durch den in Fig. 1 schematisch dargestellten Turbokompressor in genauerer Darstellung. Fig. 3 zeigt die schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
In allen diesen Figuren sind nur die für das Verständnis der Erfindung erforderlichenTeiled'arge-stellt.
In dem in der Fig. 1 dargestellten Prinzipschema treten die Gase bei 1 in den Meiler 2 mit einer gewissen Temperatur 6 und mit einem Druck puder erheblich höher als der Atmosphärendruck ist, ein.
Sie erwärmen sich in dem Meiler durch Konvektion längs der Heizelemente bis auf eine Ausgangstempe- ratur 6-0 + AB, wobei sie einen Druckabfall Ap erfahren, der klein gegenüber p ist, so dass ihr Druck ; 2 am lA usgang 3 des Meilers 2 noch sehr viel grösser als der Atmosphärendruck ist.
Diese Gase gelangen hierauf erfindungsgemäss in eine Gasturbine 4, in dersiesichbis auf einen gewissen Druck p'''2 entspannen, worauf sie bei 5 mit einer Temperatur 6'2 austreten. Der Kessel 6 und der Kühler 7 entziehen den Gasen hierauf die von dem Meiler gelieferte Wärme ; die Wärme wird auf das Treibmittel einer Dampfmaschine 8 bzw. auf die Kältequelle (Fluss oder atmosphärisches Kühlmittel) übertragen, wodurch sie bis auf die Temperatur 6'abgekühlt werden und einen neuen Druckabfall Zp erfahren. 1
Ein erfindungsgemäss auf der gleichen Welle 10 wie die Turbine 4 sitzender Kompressor 9 verdichtet dann die so entspannten und abgekühlten Gase von dem Druck p'1 = pop auf den Druck p am Eingang des Meilers.
Der Wert des Druckes P'l wird durch die Gleichgewichtsbedingung des dem Kompressor 9 und der Turbine 4 gemeinsamen Rotors 10 bestimmt, was bedingt, dass der Enthalpieabfall in der Turbine gleich
EMI2.1
der Turbine 4 und dem Verdichter 9 entnommenen Wärme unmittelbar in-die Kältequelle abzuführen, um durch Einwirkung auf den Kühlmittelstrom die Eingangstemperatur 6'1 in den Kompressor zu regeln.
Dies gestattet die Verschiebung des Gleichgewichts des Turbokompressors bis zu dem gewünschten Betriebspunkt. Da diese Temperatur 61 nur wenig grösser als die Temperatur der Kältequelle ist, wird so eine sehr geringwertige Energie abgeführt so dass die Regelung mit geringen Kosten erfolgt.
Der Kessel 6 kann natürlich auch vor der Turbine 4 angeordnet werden ; die Anordnung hinter derselben ist jedoch vorzuziehen, da er dann nur geringeren Drücken ausgesetzt ist.
Fig. 2 zeigt den Turbokompressor, der aus der Turbine 4 und dem erfindungsgemäss auf der gleichen Welle 10 angebrachten Kompressor 9 besteht, in einem Axialschnitt. Die Dichtung 11 üblicher Bauart ist dann für dieHerstellung derAbdichtung zwischen dem Gas der Turbine 4 und dem des Kompressors 9 ausreichend.
Von den Einrichtungen zur Wärmegewinnung unter Benutzung des Turbokompressors, d. h. einer den Kompressor und die ihn antreibende Turbine umfassenden, dichten Anordnung, betrifft die Erfindung im besonderen Vorrichtungen, die dem Schema der Fig. 3 entsprechen.
Gemäss dieser Fig. 3 strömen die bei 3 aus dem Meiler 2 austretenden Gase vor ihrem'Eintritt in die Turbine 4 durch den Überhitzer 12. Die von den Gasen abgegebene Wärme dient zur Überhitzung des aus dem Kessel 6 kommenden Dampfes bis auf eine Temperatur, die grösser als die bei Überhitzung des Dampfes hinter der Turbine 4 erzielbare Temperatur ist.
Die Überhitzung erfolgt jedoch nicht vollständig in 12, sondern kann auch durch die aus der Turbine 4 austretenden und in den Kessel 6 eintretenden Gase erfolgen.
<Desc/Clms Page number 3>
Ferner kann es-obwohl es meist zweckmässig ist, eine möglichst niedrige Temperatur am Eingang des Kompressors 9 aufrechtzuerhalten, um die Verdichtungsarbeit zu verringern-vorteilhaft sein, die Eingangstemperatur beim Meiler 2 auf einen höheren Wert als die Austrittstemperatur des Kompressors 9 zu bringen.
Hiezu strömen gemäss dem Schema der Fig. 3 die aus dem Kessel 6 kommenden Gase, bevor sie in den Regelkühler 7 eintreten, durch einen Austauscher 13, so dass sie ihre Wärme an die aus dem Kompressor 9 kommenden Gase abgeben, die dadurch vor dem Eintritt in den Meiler 2 wieder erwärmt werden.
EMI3.1
Temperaturen an den verschiedenen Stellen des Kreislaufes dieses Gases sind in der nachstehenden Tabelle zusammengestellt :
EMI3.2
<tb>
<tb> Temperatur <SEP> Druck <SEP> kgj <SEP> cm"2 <SEP>
<tb> (Eingang <SEP> 1600 <SEP> C <SEP> 25,5
<tb> Meiler <SEP> 2 <SEP> (Hüllentemperatur <SEP> 4000 <SEP> C
<tb> (Ausgang <SEP> 360 <SEP> C <SEP> 23,5
<tb> Überhitzer <SEP> 12 <SEP> (Eingang <SEP> 3600 <SEP> C <SEP>
<tb> (Ausgang <SEP> 3300 <SEP> C <SEP>
<tb> Turbine4 <SEP> (Eingang <SEP> 3300 <SEP> C <SEP> 23, <SEP> 5 <SEP>
<tb> (Ausgang <SEP> 3000 <SEP> C <SEP> 20, <SEP> 4 <SEP>
<tb> Kessel <SEP> 6 <SEP> (Eingang <SEP> 300 <SEP> C
<tb> Kessel <SEP> 6 <SEP> (Ausgang <SEP> 180 <SEP> C
<tb> Austauscher <SEP> 13 <SEP> (Eingang <SEP> 180 <SEP> C
<tb> (Ausgang <SEP> 80 <SEP> C
<tb> Kühler <SEP> 7 <SEP> (Eingang <SEP> 80 <SEP> C
<tb> (Ausgang <SEP> 30 <SEP> C
<tb> (Eingang <SEP> 30 <SEP> C <SEP> 20, <SEP> 4 <SEP>
<tb> Kompressor <SEP> 9
<tb> (Ausgang <SEP> 60 <SEP> C <SEP> 25,
5
<tb> (Eingangs <SEP> 60 <SEP> C
<tb> Austauscher <SEP> 13 <SEP> (Ausgang <SEP> 1600 <SEP> c <SEP>
<tb> (Ausgang <SEP> 160 <SEP> C
<tb>
EMI3.3