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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Wärmeenergie mit Hilfe elektrisch leitender Gase, bei welcher Anordnung zwei hinsichtlich ihres thermischen Kreislaufes über Wärmeaustauscher verkoppelte Arbeitskreise vorgesehen sind, von denen einer derjenige eines magnetohydrodynamischen Generators ist. Zur unmittelbaren Erzeugung elektrischer Energie aus Wärme, d. h. ohne drehende Maschinen, sind die in Entwicklung stehenden magnetohydrodynamischen (MHD) und elektrogasdynamischen (EGD) Systeme bekannt. Diese wandeln die thermische bzw. kinetische Energie des Arbeitsmediums bzw. des Arbeitsgases unmittelbar in elektrische Energie um.
Im ersten Falle besteht das in einen Plasmazustand versetzte Arbeitsmedium aus einer Menge elektrisch geladener Teilchen. Strömt das Arbeitsmedium senkrecht zu einem magnetischen Feld, so werden die elektrisch geladenen Teilchen in die sowohl auf die Strömungsrichtung des Arbeitsmediums als auch auf die Richtung des magnetischen Raumes senkrecht stehende Richtung wandern. Die Wanderungsrichtungen der ungleichnamig geladenen Teilchen sind einander entgegengesetzt. Von den an der Wand des Kanals des MHD-Generators befindlichen Elektroden werden die dahin gewanderten Ladungen in einen äusseren Stromkreis geleitet. Die derart gewonnene elektrische Energie ist Gleichstrom-Energie und diese Energie entspricht dem Wärmeenergieabfall des im Kanal strömenden Arbeitsmediums. Vom Gesichtspunkte der Energieumwandlung betrachtet kommen bloss Gase als Arbeitsmedium in Betracht.
Da zur Erzeugung eines Plasmazustandes Temperaturen von mehreren Tausend Kelvin-Graden benötigt werden, injektiert man im allgemeinen in das im MHD-Kanal strömende Arbeitsmedium bei einer verhältnismässig niedrigen Temperatur thermisch ionisierende alkalische Metallsalze in Pulverform. Damit wird nicht die volle Masse des Arbeitsmediums ionisiert, auch verfügt dasselbe nicht in vollem Ausmass über elektrische Energie.
Ionisiert und elektrisch geladen ist bloss das injektierte Metallsalz, welches vom Arbeitsmedium mitgerissen (pneumatisch befördert) wird. Infolge der die thermische Ionisation gewährleistenden hohen Temperatur muss die Temperatur des Arbeitsmediums hauptsächlich beim Eintritt in den MHD-Kanal, jedoch auch beim Austritt aus demselben, d. h. während der vollen Dauer der Expansion eine äusserst hohe sein. Deshalb haben in den die MHD-Umwandlung enthaltenden thermodynamischen Kreisvorgängen die Erwärmung des Arbeitsmediums von der Umgebungstemperatur auf die Anfangstemperatur der Expansion und seine Abkühlung von der Endtemperatur der Expansion auf die Umgebungstemperatur eine grosse Bedeutung.
Von der grossen Änderung der Temperatur des Arbeitsmediums (Gases) innerhalb eines Arbeitskreislaufes gelangt verhältnismässig wenig zur Energieumwandlung, weshalb die spezifisch gewinnbare Arbeit gering bleibt. Der Druck des Arbeitsmediums (Gases) ist eine wichtige Charakteristik des thermodynamischen Kreislaufes. Mit dem Anstieg des Druckes werden bei ansonsten gleichen Verhältnissen das spezifische Volumen des Arbeitsmediums (Gases) und somit die Abmessungen der Anlage geringer. Doch fördert die Steigerung des Druckes die sogenannte Rekombination der thermodynamisch ionisierten Teilchen, d. h. die Rückwandlung der Teilchen ungleichnamiger elektrischer Ladung in elektrisch neutrale Teilchen, was wieder vom Standpunkt der Arbeit der MHD-Kanäle äusserst unvorteilhaft ist.
Gemäss der Fachliteratur wird in einem beträchtlichen Teil der bisher entworfenen energetischen MHD-Anlagen die Abkühlung der aus dem MHD-Kanal austretenden Gase derart durchgeführt, dass der Kreislauf den Kessel eines mit Wasserdampf als Arbeitsmedium arbeitenden herkömmlichen Kraftwerkes heizt. Dadurch entsteht ein äusserst kompliziertes Energieumwandlungssystem, in welchem bloss ein Bruchteil der umgewandelten Energie aus dem MHD-Generator stammt, während ein beträchtlicher Teil dieser Energie aus dem herkömmlichen Kraftwerk hervorgeht. Die Betriebsbereitschaft dieses Kraftwerkes ist jedoch geringer als die eines herkömmlichen Kraftwerkes gleicher Leistung, da der Betrieb in vollem Ausmass vom Betrieb des technisch noch nicht voll gereiften MHD-Generators abhängt.
Die mit dem kombinierten System erzielte Wirkungsgradverbesserung steht bei weitem nicht im Verhältnis zur Kompliziertheit der Anlage. Es werden eher die energetischen Verhältnisse der Versuchs-MHD-Anlage verbessert. Der an den Elektroden des MHD-Kanals gewonnene Gleichstrom wird mit Hilfe von elektrischen Umwandlern zwecks Anschlusses an Wechselstromnetze in einen Wechselstrom umgewandelt.
Das bekannte elektrogasdynamische (EGD) Energieumwandlungssystem ist im wesentlichen das folgende :
Das Arbeitsmedium ist z. B. infolge einer Coronarentladung in einem teilweise ionisierten Zustand. Im EGD-Kanal befinden sich Elektroden, an welchen eine elektrische Gleichspannung liegt, derart, dass auf die Ionen des Arbeitsmediums eine den Strömungsrichtungen des Arbeitsmediums entgegengesetzte Kraftwirkung ausgeübt wird. Damit wird durch Lieferung der Ladungen vom Arbeitsmedium gegen das Potential des elektrischen Kraftfeldes elektrische Energie gewonnen. Die gewonnene elektrische Energie ist Gleichstromenergie und entspricht dem Abfall des Wärmeenergie-Inhaltes des im Kanal strömenden Arbeitsmediums.
Für Energieumwandlung kommen als Arbeitsmedien bloss Gase und Dämpfe in Betracht. Da die Beweglichkeit der Ionen der ionisierten Gase äusserst gross ist, kann das Arbeitsgas bloss infolge des hohen Geschwindigkeitsunterschiedes die Ladungen dem elektrischen Kraftfeld entgegengesetzt liefern. Um die lonenbeweglichkeit zu vermindern, ist es üblich, dem Arbeitsgas das feine Pulver eines elektrisch isolierenden Stoffes beizumischen. Die Beweglichkeit der sich auf die Pulverkörnchen absetzenden Ladungen ist um Grössenordnungen geringer als diejenige der Ionen und somit kann ein praktisch günstiger
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Umwandlungswirkungsgrad erzielt werden. Im EGD-Kanal muss die Temperatur des Arbeitsmediums mit Sicherheit geringer sein, als die eine thermische Ionisation geringsten Grades bereits ermöglichende Temperatur.
Eine Erhöhung des Druckes des Arbeitsmediums (Gases) wird im allgemeinen die elektrischen Isolationseigenschaften des Gases verbessern, was wieder aus Gesichtspunkten der Arbeit des EGD-Systems als günstig zu bezeichnen ist.
Zwecks Anschlusses an ein Wechselstromnetz wird der an den Elektroden des EGD-Kanals gewonnene Gleichstrom mit Hilfe eines elektrischen Umwandlers in einen Wechselstrom umgewandelt.
Somit ermöglicht die MHD-Energieumwandlung infolge der von ihr beanspruchten hohen Temperatur zwar im Prinzip die Ausbildung eines Kreislaufes günstigen thermodynamischen Wirkungsgrades. Infolge des geringen Unterschiedes zwischen den Anfangs- und Endtemperaturen der Expansion ist bei den herkömmlichen Ausbildungen die Expansionsarbeit, und somit die erzielbare spezifische Arbeit gering.
Die hohe Temperaturänderung beansprucht einen auf hohen Temperaturen arbeitenden Wärmetauscher hoher spezifischer Leistung.
Zur Gewährleistung des Erreichens eines Plasmazustandes muss der in die erhitzte Luft einzuführende Heizstoff auch auf eine ähnliche Temperatur vorgewärmt werden.
Somit erweist sich als Weiterentwicklung des thermodynamischen Kreislaufes eine Lösung als zweckdienlich, in welcher auch im niederen Temperaturbereich Expansion und Arbeitsleistung vor sich gehen, doch durch Anwendung einer hohen Temperatur auch die Erzielung eines guten thermodynamischen Wirkungsgrades möglich wird. Was den Aufbau betrifft, so können die MHD- und EGD-Umwandlungen als gleich betrachtet werden, so dass ein durch die Kombination beider aufgebautes System, was die Struktur der Energieumwandlung betrifft, als ein einheitliches aufgefasst werden kann.
Als eine Lösung der sich aus obiger Schlussfolgerung ergebenden Aufgabe verwirklicht die Erfindung eine Kombination der beiden Energieumwandlungssysteme. Zwei Ausführungsformen des kombinierten Kreislaufes sind in den Zeichnungen näher erläutert.
In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Arbeitsmedium des MHD-Generators Luft, dasjenige des EGD-Systems Gas, z. B. C02. Das Luftsystem ist ein "offenes", das Gassystem ein geschlossenes. In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Arbeitsmedium der MHD- und EGD-Generatoren durchwegs Luft ; das gemeinsame Luftsystem ist ein offenes. Die Fig. la und 2a zeigen die Zustandsänderungen der Arbeitsmedien in Form von Kreislaufdiagrammen.
Im kombinierten Kreislauf laut Fig. l verdichtet der durch den Elektromotor --12-- angetriebene Kompressor --11-- die mit Verwendung der elektrischen Energie --19/1-- aus dem Freien angesaugte Luft.
Die Druckluft wird im Wärmetauscher-10-aufgewärmt und in die Brennkammer --9-- weitergeleitet, wo sie durch Verbrennung von Kohle--5/2--weiter aufgewärmt und sodann im Wärmetauscher--7-- nochmals weiter erhitzt wird. Sodann gelangt die Druckluft in die Brennkammer --1--, wo durch Verbrennung von Kohle --5/1-- und durch je nach Bedarf erfolgte Einblasung von Sauerstoff --6-- eine zur Erreichung eines Plasmazustandes benötigte Temperatur erzeugt wird. Die Druckluft bzw. praktisch ein Rauchgas hoher Temperatur, gelangt nach Zugabe eines Alkalimetallsalzes in einem Dosierer --4-- in den MHD-Generator--2--, wo die Energieumwandlung zustandekommt.
Das Gas gelangt nach Erzeugung einer dem Abfall des Wärmeinhaltes gleichwertigen elektrischen Energie --19/3-- aus dem MHD-Generator-2-in die Wärmetauscher --7 und 8-- und abgekühlt über den Alkalimetallsalzabtrenner--3-- (z. B.
Zyklonsystem) ins Freie. Das mit dem Abtrenner-3-abgetrennte Metallsalzpulver wird in den Dosierer - -4-- zurückgeführt.
Die durch den Elektromotor--18--angetriebene Pumpe--17--saugt mit Hilfe der elektrischen
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Gas aufgewärmt wird. Nach einer Pulverzugabe im Dosierer --14-- gelangt das Gas in den EGD-Generator --13--, wo die Energieumwandlung zustandekommt. Die mit dem Abfall des Wärmeinhaltes des Gases gleichwertige elektrische Energie --19/4-- wird von den Klemmen des EGD-Generators abgeleitet. Im EGD-Generator expandiert das Gas bis zum sich auf Einwirkung des Kühlwassers im Kondensator--16-bildenden Druck. Auf diesem Druck wird der Dampf im Wärmetauscher--10--abgekühlt, sodann über den
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bezeichneten Punkten des Temperatur-Entropie-Diagramms laut Fig. la.
In Fig. la entsprechen die neben den einzelnen Abschnitten der Zustandsänderung des Arbeitsmediums eingetragenen eingefassten Zahlen den Zahlenbezeichnungen der die Zustandsänderung hervorrufenden in Fig. l dargestellten Anlagen.
Im Sinne der Ausführungen in der Einleitung kann auch durch Verwendung eines entsprechenden Salzes die Endtemperatur der Expansion des Arbeitsmediums im MHD-Generator auf einen der Anfangstemperatur der Expansion des Arbeitsmediums des EGD-Generators nahen Wert vermindert werden.
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In der beispielsweisen Ausführung nach Fig. 2 verdichtet der durch den Elektromotor--12-angetriebene Kompressor --11-- die aus dem Freien angesaugte Luft auf einen hohen Druck, u. zw. mit Hilfe der elektrischen Energie--19/1--. Die Hochdruckluft wird im Wärmetauscher --10-- erhitzt. Durch die Pulverzugabe--14--gelangt feines Pulver in die Heissluft. Nach der Pulverzugabe gelangt die Luft in den EGD-Generator-13--, wo die Energieumwandlung vor sich geht. Die Luft wird im EGD-Generator-13-auf Niederdruck expandiert, während die dem Wärmeinhaltabfall der Luft proportionale elektrische Energie
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-19/4-- von denEnergieumwandlung vor sich geht.
Die der Abnahme des Wärmegehaltes des Rauchgases gleichwertige elektrische Energie --19/3-- wird von den Klemmen des MHD-Generators-2-abgeleitet.
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dem Abtrenner--3--wird das abgetrennte Alkalimetallsalz in die Dosierungsanlage--4--zurückgeleitet.
An den mit römischen Zahlen bezeichneten Stellen des Schaltschema in Fig. 2 entspricht der Zustand des Arbeitsmediums (Temperatur, Druck, usw. ) den mit denselben römischen Zahlen bezeichneten Punkten des Temperatur-Entropie-Diagramms in Fig. 2a. Die neben den einzelnen Abschnitten der Zustandsänderung des Arbeitsmediums in Fig. 2a eingetragenen, eingefassten Zahlen entsprechen den in Fig. 2 eingetragenen Zahlbezeichnungen der die Zustandsänderung verursachenden Anlagen.
Die aus der erfmdungsgemässen Kombination der MHD- und EGD-Generatoren bzw. Energieumwandlungssysteme hervorgehenden Vorteile sind die folgenden :
1. Der Wirkungsgrad des Kreisprozesses ist günstig, weil die für den Wirkungsgrad massgebenden Höchsttemperaturen des Kreislaufes infolge Verwirklichung des Plasmazustandes hoch sind.
2. Durch Verwendung eines entsprechenden Salzes können die Anfangstemperatur der Expansion des EGD-Generators und die Endtemperatur der Expansion des MHD-Generators einander angenähert werden und somit die Expansion in einem hohen Ausmass ausgenutzt werden, wodurch die aus einem Kreislauf gewinnbare Arbeit bedeutend gesteigert wird, u. zw. im Vergleich zu den bisherigen Lösungen mit einfacheren Mitteln.
Im Sinne der Ausführungen im Punkt 2 ist eine weitere mögliche Variante das Fallenlassen des Wärmetauschers-7-in der Ausführung nach Fig. l bzw. des Wärmetauschers-8-in dr Ausführung nach Fig. 2. Der Fortfall dieser Wärmetauscher erleichtert bedeutend die praktische Verwirklichung der Anlage, da diese auf sehr hohen Temperaturen betriebenen Oberflächen-Wärmetauscher, auch wenn die Kosten des besonders kostspieligen MHD-Generators mit in Rechnung gezogen werden, sehr hohe Kosten verursachen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Anordnung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Wärmeenergie mit Hilfe elektrisch leitender Gase, bei welcher Anordnung zwei hinsichtlich ihres thermischen Kreislaufes über Wärmetauscher verkoppelte Arbeitskreise vorgesehen sind, von denen einer derjenige eines magnetohydrodynamischen Generators ist,
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