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Wärmekraftanlage mit Leistungsreaktoren
Der theoretische Wirkungsgrad der konventionellen-kalorischen Kraftanlagen und der Wirkungsgrad bei der Umwandlung der Wärmeenergie von Kernkraftwerke ist durch die zulässigen Betriebstemperaturen und die angewendeten Arbeitsverfahren bestimmt. Die verringerte Dauerfestigkeit der Werkstoffe bei höheren Temperaturen begrenzt die Betriebstemperatur.
Die Umwandlung von Wärme in Arbeit erfolgt allgemein durch Kreisprozesse. Es sind der Carnotsche Kreisprozess, der Ackeret- Keller-Prozess u. a. bekannt. Bei der Integration über eine geschlossene Kurve eines Kreisprozesses kann die gewonnene Arbeit L wie folgt angegeben werden :
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Q = zugeführte Wärmemenge, Qo = abgeführte Wärmemenge, = thermischer Wirkungsgrad.
Um sich dem theoretischen Wirkungsgrad weitestgehend zu nähern, sind die notwendigen isothermen Vorgänge durch möglichst viele Stufen zu ersetzen. Dem ist aber bald eineGrenze gesetzt, da die Anlage nicht nur teuer und verwickelt wird, sondern infolge steigender Verluste auch der Wirkungsgrad wieder sinkt.
Kernenergieanlagen mit gasgekühlten Reaktoren (Typ Calderhall usw. ) arbeiten mit Betriebstemperaturen von z. B. 360 C. Eine grössere Steigerung der Temperatur ist ohne Vorteil, da dann der Leistungsaufwand für die Umwälzpumpen stark zunimmt.
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herein kein hoher Wirkungsgrad erwartet werden.
Dampfreaktoren stellen eine Vereinigung von Dampfkessel und Reaktor dar. Sie können als homogene oder heterogene Typen gebaut werden. Der Wirkungsgrad ist besser, das Temperaturniveau aber noch zu niedrig und nur beschränkt erhöhbar.
Reaktoren mit flüssigem Metall oder mit Fliessstaub von UO. sind als heterogene oder homogene Typen bereits gebaut oder vorgeschlagen worden. Mit ihnen können höhere Dampftemperaturen erreicht werden, z. B. zirka 4800C beim LMFRE-Reaktor, wodurch ein höherer Wirkungsgrad erzielt wird.
Die besten Wirkungsgrade haben homogene Hochtemperatur-Reaktoren, die angereichertes U brennen. Infolge technologischer Schwierigkeiten haben aber bisher nur heterogene Reaktoren mit festen Brennstoffelementen im Dauerbetrieb zufriedenstellend gearbeitet. Durch die IX - 8-Umwandlung des Urans und den dabei auftretenden Formänderungen liegt die Temperaturgrenze der Brennstoffelemente selbst bei zirka 600 C.
Ein Verfahren, bei dem einem verdichteten und erhitzten Gas auch während der Arbeitsleistung stetig soviel Wärme zugeführt wird, dass. die Expansion isotherm oder zumindest fast-isotherm erfolgt, hätte einen besseren Wirkungsgrad. Mit den bisher bekannten Verfahren und Anlagen ist dies aber nicht möglich.
Gegenstand vorliegender Erfindung ist eine Wärmekraftanlage, insbesondere mit Leistungsreaktoren als Wärmequellen und mit flüssigem Metall als Wärmeträger, die dadurch gekennzeichnet ist, dass beiderseits eines doppeltwirkendenArbeitskolbens je ein Leistungsreaktor vorgesehen ist, und dass nach diesen Reaktoren Wärmeaustauscher zur Erhitzung des Arbeitsgases angeordnet sind, wobei beide Wärmeaustauscher mit einer an sich bekannten, gleichmässig verteilten Füllung mit grosser Oberfläche und kleinem
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volumetrischen Füllfaktor versehen sind, oder in bekannter Weise aus einer Füllmasse mit in Strömung- richtung parallelen Kanälen mit sehr kleinem hydraulischem Durchmesser bestehen und dass diese Wärmeaustauscher abwechselnd je Arbeitstakt des Kolbens über einen weiteren Wärmeaustauscher bzw.
Kühler an die Druck- bzw. Saugseite eines Kompressors angeschlossen werden und dass, zwecks Übertragung der Wärme von denReaktoren in die Wärmeaustauscher und der Arbeitsleistung des Gases an den Kolben, beiderseits des Kolbens je eine Flüssigkeitssäule aus flüssigem Metall vorgeschaltet ist, wobei sich die Reaktoren dauernd im Metallbad befinden und die Wärmeaustauscher abwechselnd mit flüssigem Metall bzw.
von dem dieses Metall verdrängenden Arbeitsgas ausgefüllt sind, so dass ein ständiger Wärmefluss vom Reaktor über das flüssige Metall in den Wärmeaustauscher gegeben ist, und dass ferner die Füllung der Wärmeaustauscher mit verdichtetem, erhitztem Arbeitsgas nur bis zu einem Bruchteil des Austauschervolumens erfolgt, so dass, infolge der stetigen Wärmeübertragung von der grossen Oberfläche im Wärmeaustauscher an das Gas, eine isotherme oder zumindest angenähert isotherme Expansion des Arbeitsgases stattfindet.
Die Fig. 1 der Zeichnung zeigt schematisch eine erfindungsgemässe Wärmekraftanlage und Fig. 2 das dazugehörige F-S-Diagramm. Im Wärmeaustauscher a, der zugleich Expansionsraum ist und ein Bruttovolumen von z. B. 3, 12 m hat, wird ein Teil des Volumens von einem gleichmässig verteilten Me- tallgewebe b ausgefüllt. Für diese flüssigkeitsdurchlässige Füllung wird ein korrosionsfestes Material, z. B. Drahtgewebe aus Nickel oder Nickelwolle, verwendet. Besteht die Füllung b aus gleichmässig verteiltem Nickeldraht mit z. B. 0,5 mm Durchmesser, so nehmen 3500 kg Draht einen Raum von zirka 0, 4 m3
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Werden davon 33% für die gegenseitige Berührung der Drähte und für sonstige verlorengehende Fläche abgezogen, so bleiben noch 2130 m Oberfläche für den Wärmeaustausch übrig.
Sie ist gross genug, um auch grosse Wärmemengen bei kleinem Temperaturgefälle rasch aufzunehmen und abzugeben, wobei zufolge der grossenMetallmasse nur kleine Temperaturschwankungen auftreten. Es kann aber auch eine Füllmasse mit vielen in Strömungsrichtung parallelen Kanälen mit kleinem hydrauli schem Durchmesser (z. B. 0, 2 mm) statt der Drahtfüllung verwendet werden.
An a ist der Reaktor e mit den Brennstoffelementen f, dem Moderator g und den Sicherheit-un Regulierstäben h oder ein Reaktor einer andern geeigneten Type angeschlossen. Die Anlage ist doppelt ausgeführt und der Teil A ist durch den Zylinder i, in dem sich der freitragend gelagerte, doppeltwirkende Kolben k befindet, mit dem Teil Al verbunden. Der Teil A sei zu Beginn des Vorganges gänzlich mit
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vom Kompressor n und strömt durch die Leitung 1 in den Wärmeaustauscher o, wo es vom heissen Abgas aus a auf zirka 4500C erhitzt wird. Durch die Leitungen 3 und 3'strömt es zu den Einlassventilen c und cl. a wird mit 1 mGas gefüllt, wodurch die Flüssigkeit bis zur Stellung I zurückgedrängt wird. Gleichzeitig erhitzt die Drahtfüllung das Gas auf zirka 4800C.
Ist a bis I gefüllt, so schliesst c und das Gas expandiert unter Arbeitsleistung bis l und auf zirka 36, 8 ata. Von der grossen Oberfläche der Drähte (oder der engen Kanäle) wird dem Gas dabei stetig Wärme zugeführt, so dass isotherme Expansionen stattfinden ; das entspannte Gas kann sogar noch etwas heisser als vorher sein. Zugleich mit c hat auch das Auslassventil d in
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die gleiche Menge Flüssigkeit durch den zweiten Reaktor el nach a. Das in al befindliche entspannte Gas wird dadurch in den Wärmeaustauscher o und Rückkühler ok gepresst, von wo es der Kompressor n wieder ansaugt und auf 100 ata verdichtet.
Es öffnet das Ventil Cl und d, d schliesst und der Vorgang beginnt jetzt in a in gleicher Weise
DerKolben k ist durch die Kolbenstangen m und m., welche die Arbeitsleistung nach aussen übertragen, freitragend gelagert. Da eine übliche Schmierung nicht möglich ist, erfolgt die Kolben-Zylinderwand-Dichtung erfindungsgemäss durch eine an sich bekannte berührungsfreie Labyrinthdichtung L. Damit wird eine Abnützung des Kolbens und der Zylinderwand vermieden und die Reibung herabgesetzt. Der kleine Teil an Flüssigkeit, der von der Seite mit hohem Druck nach derjenigen mit niederem gepresst wird, fliesst bei Druckwechsel wieder zurück.
Die Arbeitsleistung bei isothermer Expansion ist bekanntlich
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Der theoretische technische Arbeitsaufwand für die adiabate Verdichtung des auf z. B. 270C rück- gekühlten Gases von 36,8 auf 100 ata beträgt
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Damit berechnet sich der theoretische Wirkungsgrad der Wärmeverwertung in der beschriebenen Anlage zu
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Wegenderunvermeidbaren Verluste und des notwendigen Wärmegefälles in den Wärmeaustauschern ist der praktisch erzielbare Wirkungsgrad natürlich erheblich kleiner. Ein Vergleich mit derr theoretischen Wirkungsgrad der bekannten Verfahren bei gleichem Temperaturniveau zeigt, dass der Wirkungsgrad der beschriebenen Anlage grosser ist.
Durch das Wegfallen der elektromagnetischen und anderer Pumpen wird eine weitere Verbesserung erzielt und die Anlage einfacher und weniger störanfällig. Sie kann möglicherweise auch als Antrieb für Schiffe, Lokomotiven usw. dienen. Als Reaktor kann auch ein homogener, mit flüssigem Metall oder ein schneller Reaktor mit Na-Kühlung verwendet werden. Auch für normale kalorische Wärmekraftanlagen eignet sich das beschriebene Verfahren, wenn der Reaktor e durch einen Erhitzer (Kessel) ersetzt wird.
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s-Diagramm dererfindungsgemässenAnlage,PATENTANSPRÜCHE :
1. Wärmekraftanlage, insbesondere mit Leistungsreaktoren als Wärmequellen und mit flüssigem Metall als.
Wärmeträger, dadurch gekennzeichnet, dass beiderseits eines doppeltwirkenden Arbeitskolbens (k) je einLeistungsreaktor (e, el) vorgesehen ist, und dass nach diesen Reaktoren Wärmeaustauscher (a, al) zur Erhitzung des Arbeitsgases angeordnet sind, wobei beide Wärmeaustauscher mit einer an sich bekannten, gleichmässig verteilten Füllung (b) mit grosser Oberfläche und kleinem volumetrischem Ffillfaktor versehen sind, oder in bekannter Weise aus einer Füllmasse mit in Strömungsrichtung parallelen Kanälen mit sehr kleinem hydraulischem Durchmesser bestehen, und dass diese Wärmeaustauscher abwechselnd je Arbeitstakt des Kolbens über einen weiteren Wärmeaustauscher (o) bzw. Kühler (ok) an die Druck- bzw.
Saugseite eines Kompressors (n) angeschlossen werden und dass, zwecks Übertragung der Wärme von den Reaktoren in die Wärmeaustauscher und der Arbeitsleistung des Gases an den Kolben, beiderseits des Kolbens je eine Flüssigkeitssäule aus flüssigem Metall vorgeschaltet ist, wobei sich die Reaktoren dauernd im Metallbad befinden und die Wärmeaustauscher abwechselnd mit flüssigem Metall bzw.
von dem dieses Metall verdrängenden Arbeitsgas ausgefüllt sind, so dass ein ständiger Wärmefluss vom Reaktor über das flüssige Metall in den Wärmeaustauscher gegeben ist, und dass ferner die Füllung der Wärmeaustauscher mit verdichtetem, erhitztem Arbeitsgas nur bis zu einem Bruchteil des Austauschervolumens erfolgt, so dass, infolge der stetigen Wärmeübertragung von der grossen Oberfläche Im Wärmeaustauscher an das Gas, eine isotherme oder zumindest angenähert isotherme Expansion des Arbeitsgases stattfindet.