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Verfahren zum Betrieb einer kombinierten thermischen Kraftanlage mit
magnetogasdynamischem Generator und Kraftanlage zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer kombinierten thermischen
Kraftanlage, in der das Arbeitsgas auf seinem offenen oder geschlossenen Kreislauf
außer mindestens einem magnetogasdynamischen Generator, dem es nach Verdichtung
in einer Arbeitsmaschine und nach Erwärmung auf Betriebstemperatur zugeleitet wird,
noch in einer weiteren Expansionsmaschine expandiert wird, und eine nach diesem
Verfahren arbeitende Kraftanlage.
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Magnetogasdynamische Generatoren können Gas viel höherer Temperatur
verarbeiten als Gasturbinnen, da sie keine bewegten Teile haben. Ihre Verwendung
ermöglicht es daher, Prozesse hohen Wirkungsgrades zu verwirklichen.
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Wegen der Forderung nach genügender elektrischer Leitfähigkeit des
expandierenden Arbeitsgases verlangt der Betrieb eines magnetogasdynamischen Generators
höhere Temperaturen, als dies thermodynamisch notwendig wäre.
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Trotz Beimischung eines gut ionisierenden Saatmaterials erreicht das
Arbeitsgas bei Gleichgewichts-Ionisation erst bei Temperaturen von etwa 2100° K
an aufwärts eine genügende Leitfähigkeit. Im geschlossenen Prozeß mit Edelgas als
Betriebsmittel ist zwar durch Nichtgleichgewichts-Ionisation schon bei tiefen Temperaturen
eine genügende Leitfähigkeit erzielbar; das Druckniveau des Prozesses muß aber ziemlich
tief liegen. Die folgenden Ausführungen beziehen sich vorerst auf einen offenen
Prozeß, doch ist der Erfindungsgedanke gleicherweise auf einen offenen oder geschlossenen
Prozeß anwendbar.
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Eine Kraftanlage mit magnetogasdynamischem Generator ist im wesentlichen
eine Gasturbinen-Dampfturbinen-Anlage besonderer Art. Eine solche liefert den besten
thermodynamischen Wirkungsgrad, wenn das Druckverhältnis der Expansion optimal gewählt
wird. Bei Prozessen mit hoher Spitzentemperatur ist das optimale Druck- und damit
auch das Temperaturverhältnis ziemlich hoch. Da aber wegen der notwendigen elektrischen
Leitfähigkeit die Temperatur am Generatoraustritt noch hoch sein muß, bedeutet das
eine um so höhere Eintrittstemperatur, z. B. 2700° K. Eine solche Temperatur der
Verbrennungsgase wird aber nur erreicht, wenn die Verbrennungsluft auf etwa 1450°
K oder noch höher vorgewärmt wird. Der genaue Wert hängt von den Kühlungsverlusten
und wegen des starken Einflusses der Dissoziation vom absoluten Druck ab, unter
dem die Verbrennung abläuft. Es gibt zwar keramische Regeneratoren für derart hohe
Temperaturen, aber nicht für einen wirtschaftlich tragbaren Preis. Ein Weg, mit
niedrigerer Luftvorwärmung auszukommen, besteht in der Anreicherung der Verbrennungsluft
mit Sauerstoff. Dieses Verfahren ist aber ebenfalls teuer.
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Die vom Standpunkt der Wirtschaftlichkeit erwünschten und voraussichtlich
erreichbaren Vorwärmetemperaturen liegen heute bei etwa 1100 bis 1300° K. Mit Wärmetauschern
aus Metall scheinen unter Vermeidung unzulässig hoher Korrosion auf der Abgasseite
1100° K erzielbar. Bei Wärmetauschern mit Keramikrohren sind Werte um 1300° K in
Sicht. Damit ergibt sich eine Spitzentemperatur von 2550 bis 2650° K. Das erreichbare
Expansionsverhältnis ist aber relativ niedrig, und so liegt der Wirkungsgrad des
Gesamtprozesses nur einige Prozente über demjenigen einer modernen Dampfkraftanlage.
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Eine Verbesserung ergibt sich, wenn. das Druckniveau in der ganzen
Anlage gesenkt wird, da die elektrische Leitfähigkeit ungefähr umgekehrt proportional
zur Wurzel aus dem Druck ansteigt. Bei tiefem Enddruck kann zu tieferen Temperaturen
expandiert werden. Der Druck am Austritt des magnetogasdynamischen Generators soll
also subatmosphärisch sein, und erst am Ende des Prozesses werden die Abgase, die
inzwischen einen Großteil ihres Wärmeinhalts abgegeben haben, wieder auf den Umgebungsdruck
verdichtet.
Durch diese Maßnahme werden aber alle Wärmetauscher
und Leitungen größer und teurer, so daß der Drucksenkung wirtschaftliche Grenzen
gesetzt sind.
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Es ist bekannt, eine Gasturbine nachzuschalten, wodurch das Druckverhältnis
im Prozeß erhöht wird. Dies hat aber zwei wesentliche Nachteile: Die Turbine muß
in den aschehaltigen, korrosiven Abgasen arbeiten, und der magnetogasdynamische
Generator wird auf hohem statt auf tiefem Druck betrieben, was die elektrische Leitfähigkeit
des Arbeitsgases herunterdrückt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der Nachteile
der bekannten Anlagen das Druckverhältnis im Prozeß zu erhöhen. Das wird dadurch
erreicht, daß das Arbeitsgas auf einen wesentlich höheren Enddruck verdichtet wird,
als am Eintritt des magnetogasdynamischen Generators erforderlich ist, auf Betriebstemperatur
erwärmt wird, dann unter Abgabe von Leistung teilexpandiert, nochmals auf Betriebstemperatur
erwärmt und hierauf dem magnetogasdynamischen Generator zugeleitet wird.
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In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch
dargestellt. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt
F i g. 1 eine Anlage mit offener Prozeßführung, F i g. 2 eine Anlage mit geschlossener
Prozeßführung, F i g. 3 eine Anlage mit Verwendung eines Atomreaktors.
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Nach F i g. 1 verdichtet der Verdichter 1 die Verbrennungsluft auf
einen Enddruck, der wesentlich höher liegt als der am Eintritt des magnetogasdynamischen
Generators erforderliche Druck. Im Wärmetauscher 2 wird die Luft auf Betriebstemperatur
gebracht, die möglichst hoch, jedoch wirtschaftlich erzielbar sein soll und für
die nachgeschaltete Expansionsturbine zulässig sein muß, z. B. 1200° K. Nach einer
Teilexpansion in der Turbine wird die Luft im Wärmetauscher 4 nochmals auf möglichst
hohe Betriebstemperatur erwärmt, beispielsweise auf 1300° K. Hierauf wird sie der
Brennkammer 5 des magnetogasdynamischen Generators 6 zugleitet, dessen Druckverhältnis
aus den bereits geschilderten Gründen verhältnismäßig gering ist. Die Abgase des
magnetogasdynamischen Generators gehen durch die Wärmetauscher 4, 2 und können noch
weitere Wärmetauschflächen 7, 8 eines Dampfkessels beaufschlagen, der die Dampfturbine
9 speist. Falls das Druckniveau der Abgase nach den Wärmetauschern tief liegt, wird
noch ein Kühler 10 und ein Verdichter 11 vorgesehen.
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Die von der Kraftanlage gelieferte elektrische Energie setzt sich
aus den Leistungsanteilen zusammen, die vom elektrischen Generator 12, den die Kraftmaschinen
3, 9 treiben, und vom magnetogasdynamischen Generator nach einer Umformung im Wechselrichter
13 abgegeben werden.
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Der Wirkungsgrad der Anlage steigt mit zunehmender Temperatur des
Prozesses. Damit der Gewinn gegenüber bekannten Anlagen von wirtschaftlichem Interesse
ist, muß die zugefügte Gasturbinengruppe wesentlich besser sein als die Dampfturbogruppe,
da die im Wärmetauscher 2 übertragene Wärme in der Wärmetauschfläche 8 des Dampfkessels'
nicht mehr zur Verfügung steht. F i g. 2 zeigt eine ähnliche Kraftanlge, jedoch
mit geschlossenem Kreislauf des Arbeitsgases, wofür beispielsweise Helium dienen
kann. Nach dem Verdichter 1 folgen im Strömungsweg des Arbeitsgases wieder zwei
Wärmetauscher 2, 4 mit zwischengeschalteter Expansionsturbine 3. Anschließend wird
das Arbeitsgas zum magnetogasdynamischen Generator 6 geführt, der in diesem Fall
keine Brennkammer hat, dann weiter zum Abhitzekessel 14 und durch den Kühler 10
zurück zum Verdichter 1, womit der Kreislauf des Arbeitsgases geschlossen
ist. Der erzeugte Dampf wird in die Dampfturbine 9 geleitet.
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Bei diesem geschlossenen Prozeß erfolgt die gesamte Wärmezufuhr über
die Wärmetauscher 2, 4. Auch hier kann der Wärmetauscher 2 durch das aus dem magnetogasdynamischen
Generator austretende Arbeitsgas beaufscblagt werden, anstatt die Abwärme in einem
Dampfprozeß nutzbar zu machen. Der Wirkungsgrad steigt dadurch noch etwas an, die
spezifische Leistung der Kraftanlage nimmt aber ab. In solchen Fällen ist es aber
besonders wichtig, eine möglichst große Expansion auszunützen. Zumindest dem Wärmetauscher
4 muß die Wärme von außen zugeführt werden, was von jeder zweckdienlichen Wärmequelle
her, z. B. durch einen Atomreaktor, möglich ist. Das Arbeitsgas durchläuft dann
direkt den Atomreaktor, dessen Kern in je eine Zone höheren und tieferen Betriebsdruckes
unterteilt sein muß, wenn beide Erwärmungen durch den Atomreaktor erfolgen.
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Nach F i g. 1 sind alle Rotationsmaschinen auf einer gemeinsamen Welle
angeordnet, es ist aber selbstverständlich auch möglich, geeignete Untergruppen
zusammenzufassen, Es ist vorteilhaft, die Expansionsmaschine so auszulegen, daß
sie gerade die Leistung für die Verdichtung des Arbeitsgases aufbringt, wie es beispielsweise
in. F i g. 2 dargestellt ist, wo der Verdichter 1 und die Turbine 3 auf einer gemeinsamen
Welle 15 angeordnet sind.
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Statt der Turbomaschinen üblicher Bauart kann für die Verdichtung
und die Expansion des Arbeitsgases auch eine aerodynamische Druckwellenmaschine
eingesetzt werden. Diese kann höhere Temperaturen verarbeiten als eine Gasturbine,
wodurch sich eine Verbesserung des Wirkungsgrades ergibt. Beim geschlossenen Prozeß
mit einem Edelgas als Arbeitsmittel hat die Druckwellenmaschine noch einen weiteren
Vorteil: Sie kann ohne weiteres dasselbe Druckverhältnis wie bei Luft verarbeiten,
während die gebräuchlichen Turbinen und Verdichter eine mehrfach größere Stufenzahl
benötigen.
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In F i g. 3 ist eine Kraftanlage dargestellt, bei der die Aufteilung
des Reaktorkerns in zwei Druckzonen vermieden ist und eine Druckwellenmaschine die
Turboverdichtergruppe teilweise ersetzt.
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Das in geschlossenem Kreisprozeß geführte Arbeitsgas wird im Verdichter
1 und in der aerodynamischen Druckwellenmaschine 16 verdichtet und anschließend
im Atomreaktor 17 auf Betriebstemperatur gebracht, die zweckmäßigerweise so hoch
gewählt wird, wie es für die nachgeschalteten Bauteile technologisch zulässig ist.
Vom verdichteten, heißen Arbeitsgas wird ein Teil in die Druckwellenmaschine geführt,
wo es in bekannter Weise durch Druckaustausch kälteres Arbeitsgas verdichtet. Ein
anderer Teil des Arbeitsgases gelangt in die Expansionsturbine 3, die den Verdichter
1 antreibt, aber auch die Druckwellenmaschine in Drehung halten könnte.
Sollte
die Temperatur des Arbeitsgases für die Turbine zu hoch sein, so kann es vor dem
Eintritt abgekühlt werden.
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Nach der Teilexpansion wird das Arbeitsgas im Wärmetauscher 18 wieder
auf die nötige Betriebstemperatur gebracht, bevor es in den magnetogasdynamischen
Generator 6 eintritt. Die aus den Expansionsmaschinen 3, 16 austretenden Teilmengen
des Arbeitsgases können getrennt durch den Wärmetauscher 18 geführt werden, wie
es in F i g. 3 gezeigt ist, oder an geeigneter Stelle vereinigt werden. Als wärmeabgebendes
Medium dient im Wärmetauscher 18 eine weitere Teilmenge des Arbeitsmittels,
die im Atomreaktor 17 erwärmt und mit Hilfe eines Umwälzgebläses 19 und der Leitung
20 in einem Zusatzkreislauf geführt wird.
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In F i g. 3 ist die Dampfturbine mit dem elektrischen Generator nicht
mehr eingezeichnet; der Dampfteil der Anlage ist nur durch den Abhitzekessel
14 angedeutet.
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Durch die Vorschaltung der Expansionsturbine und nochmalige Erwärmung
des Arbeitsgases vor dem Eintritt in den magnetogasdynamischen Generator wird eine
Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades der Kraftanlage erreicht. Es können dabei die
Arbeitsmaschine zur Verdichtung des Arbeitsgases und die Expansionsmaschine unterteilt
und parallel oder in Serie geschaltet werden, auch können Zwischenkühlung oder Zwischenerwärmung
ebenso wie weitere Wärmetauscher angewendet werden, die grundsätzliche Erfindungsidee
wird davon nicht berührt.
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Für die Ansprüche 3 und 7 wird nur im Zusammenhang mit dem Hauptanspruch
Patentschutz beansprucht.