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Wärmekraftanlage mit magneto-hydrodynamischem (MHD-)Generator und
Abwärmeverwertung Die Erfindung betrifft eine Wärmekraftanlage mit magneto-hydro-dynamischem
Generator und Abwärmeverwertung in einer mit geschlossenem Kreislauf arbeitenden
Gasturbinenanlage, deren Arbeitskreislauf mit dem MHD-Generator in Verbindung steht
und vom selben Strömungsmittel durchflossen ist wie dieser, mit einem Verdichter,
einer Turbine zur Entspannung des verdichteten und erhitzten Arbeitsmittels, einem
dem MHD-Generator vorgeschalteten Erhitzer für Wärmezufuhr an das Strömungsmittel
von außen und einem dem Verdichter vorgeschalteten Vorkühler sowie mit einem Wärmetauscher
für die Wärmeübertragung von dem vom MHD-Generator kommenden Arbeitsmittel an vom
Verdichter kommendes Arbeitsmittel-Bei einer bekannten Wärmekraftanlage dieser Art
ist der MHD-Generator mit diesem Wärmeaustauscher der Turbine der Gasturbinenanlage
vorgeschaltet, und das vom Verdichter kommende Arbeitsmittel wird nach Wärmeaufnahme
in diesem Wärmeaustauscher dem Erhitzer zugeleitet. Bei dieser Anlage herrscht somit
auf der Austrittseite des MHD-Generators ein Arbeitsmitteldruck, der den Eintrittsdruck
der Turbine um mindestens das Druckgefälle im Wärmeaustauscher übersteigt, und in
dem dem MHD-Generator vorgeschalteten Erhitzer ist der Arbeitsmitteldruck noch beträchtlich
höher.
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Da aber die bisher bekannten MHD-Generatoren nur zwischen zwei hochliegenden
Temperaturgrenzen verwirklichbar sind, wobei das gasförmige Strömungsmittel den
MHD-Generator mit einer Temperatur verläßt, die beispielsweise über 2000° C betragen
kann, ergibt sich bei der beschriebenen bekannten Anlage der Nachteil, daß bei den
Bauteilen des MHD-Generators hohe Temperaturbeanspruchung ; mit hoher Druckbeanspruchung
zusammenfällt.
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Die Erfindung soll diesen Nachteil vermeiden. Sie besteht darin, daß
der MHD-Generator mit dem Wärmeaustauscher für die Wärmeübertragung an vom Verdichter
kommendes Arbeitsmittel dem Vorkühler des Verdichters der Gasturbinenanlage vorgeschaltet
ist und mindestens ein Teil des vom Verdichter kommenden, verdichteten Arbeitsmittels
nach Wärmeaufnahme in diesem Wärmeaustauscher der Turbine zugeleitet wird.
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Demgemäß gelangt das aus dem magneto-hydrodynamischen Generator kommende
Strömungsmittel im Gegensatz zu der vorbekannten Anlage vorerst in den Verdichter
und erst nachher in die Turbine des Gasturbinenkreislaufes. Diese Anordnung bringt
den Vorteil, daß der magneto-hydro-dynamische Generator, der mit hohen Temperaturen
arbeitet, an seiner Austrittseite einen kleineren Druck hat als der Druck des Gasturbinenkreislaufes
vor der Turbine. Damit ergibt sich also in den Teilen des magnetohydro-dynamischen
Generators nicht ein Zusammenfallen von hoher Temperaturbeanspruchung und hoher
Druckbeanspruchung.
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Von den F i g.1 bis 5 der Zeichnung zeigt jede ein Ausführungsbeispiel
des Erfindungsgegenstandes in vereinfachter Darstellung.
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Mit 1 ist der MHD-Generator bezeichnet. Diesem wird von einem vorgeschalteten
Erhitzer 2, z. B. einem Atomkernreaktor kommendes, gasförmiges, ionisiertes Arbeitsmittel
zugeleitet. Dieses Arbeitsmittel wird im Erhitzer 2 auf eine hohe, beispielsweise
über 2000° C liegende Temperatur gebracht. Der erzeugte elektrische Gleichstrom
wird an Polen 3, 3' abgenommen und in einem Umformer 4 in Wechselstrom umgesetzt.
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Die mit geschlossenem Kreislauf arbeitende Gasturbinenanlage weist
eine Turbine 5 und einen Verdichter 6 auf. Die Turbine 5 treibt den Verdichter 6
an. Die überschußleistung wird an einen Wechselstromerzeuger 7 abgegeben. Dem Verdichter
6 ist ein Vorkühler 10 vorgeschaltet. Mit 12 ist ein Wärmeaustauscher für die Wärmeübertragung
von dem vom MHD-Generator 1 kommenden Arbeitsmittel an vom Verdichter 6 kommendes
Arbeitsmittel
bezeichnet. Der MHD-Generator 1 ist mit dem Wärmeaustauscher
12 dem Vorkühler 10 des Verdichters 6 der Gasturbinenanlage vorgeschaltet.
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Gemäß F i g. 1 strömt das vom MHD-Generator 1
herkommende, immer
noch hohe Temperatur aufweisende Arbeitsmittel durch den Wärmeaustauscher 12 und
gelangt dann in den Vorkühler 10 und den Verdichter 6, in welchem es auf einen höheren
Druck gebracht wird. Das verdichtete Arbeitsmittel wird sodann im Wärmeaustauscher
12 durch Wärmeaufnahme von dem vom MHD-Generator 1 kommenden Arbeitsmittel erhitzt
und der Turbine 5 zugeleitet, in welcher es eine Teilentspannung erfährt, bevor
es wieder dem Erhitzer 2 zugeführt wird. Die Turbine 5, der Erhitzer 2 und der MHD-Generator
1 sind in der angeführten Reihenfolge im Arbeitskreislauf der Gasturbinenanlage
hintereinandergeschaltet. Zwischen Turbine 5 und Erhitzer 2 ist ein Wärmeaustauscher
13 geschaltet, in welchem das vom MHD-Generator kommende, entspannte Arbeitsmittel
Wärme an das von der Turbine 5 kommende, dem Erhitzer 2 zuströmende Arbeitsmittel
abgibt, bevor es den Wärmeaustauscher 12 durchströmt.
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Unterschiedlich zu dieser Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes
ist gemäß den F i g. 2, 3 und 4 der MHD-Generator 1 zur Turbine 5 parallel geschaltet.
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Gemäß F i g. 2 zweigt zwischen Verdichter 6 und Turbine 5, nämlich
an der Austrittseite des Wärmeaustauschers 12 für das verdichtete Arbeitsmittel,
eine Leitung 14 ab, welche einen Teil des vom Verdichter 6 geförderten Arbeitsmittels
dem Erhitzer 2 zuführt. Die Austrittseite der Turbine 5 ist mit einer vor dem Vorkühler
10 liegenden Stelle 15 des vom MHD-Generator 1 zum Verdichter 6 führenden Strömungsweges
verbunden.
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F i g. 3 zeigt eine ähnliche Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes.
Dem zwischen MHD-Generator 1 und Vorkühler 10 geschalteten Wärmeaustauscher 12 für
die Wärmeübertragung an das der Turbine 5 zuzuführende verdichtete Arbeitsmittel
ist aber hier auf der Eintrittseite des verdichteten Arbeitsmittels ein weiterer
Wärmeaustauscher 9' vorgeschaltet, in welchem das von der Turbine 5 kommende, entspannte
Arbeitsmittel Wärme an das verdichtete Arbeitsmittel abgibt, bevor es über die Stelle
15 dem Vorkühler 10 zuströmt. Eine Leitung 14'
zweigt hier vor
dem Wärmeaustauscher 9' an einer Stelle 16 ab, um einen Teil des verdichteten Arbeitsmittels
zum Erhitzer 2 zu führen. Der Wärmeaustauscher 9' ist somit beidseitig der Wärmeaustauschwände
von der gleichen Arbeitsmittelmenge durchströmt. Das abgezweigte Arbeitsmittel wird
nacheinander in zwei Wärmeaustauschern 13' und 13" durch Beheizung vermittels des
Abgases des MHD-Generators vorgewärmt, und zwar liegt der Wärmeaustauscher 13" mit
Bezug auf dieses Abgas vor dem Wärmeaustauscher 12 und der Wärmeaustauscher 13'
nach dem Wärmeaustauscher 12. Der Wärmeaustauscher 13" kann auch durch Öffnen eines
Ventils 17 umgangen werden.
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Gemäß F i g. 4 weist die Turbine 5 zwei im Arbeitskreislauf hintereinandergeschaltete
Entspannungsstufen 5', 5" auf. Zwischen diesen Entspannungsstufen ist ein vom Abgas
des MHD-Generators beheizter Zwischenerhitzer 18 angeordnet. Am Austritt dieses
Zwischenerhitzers zweigt eine Leitung 14" ab, welche zum Erhitzer 2 für das dem
MHD-Generator zuzuleitende Arbeitsmittel führt. Zu dieser Leitung 14" gehört auch
ein Wärmeaustauscher 19, in welchem dieses Arbeitsmittel durch das Abgas des MHD-Generators
vorerhitzt wird.
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Die Austrittseite der zweiten Entspannungsstufe 5" steht mit der vor
dem Vorkühler 10 liegenden Stelle 15 in Verbindung.
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Im Wärmeaustauscher 9' gibt das von der zweiten Entspannungsstufe
5" der Turbine 5 kommende Arbeitsmittel vor seiner Zuleitung zum Vorkühler 10 Wärme
an einen Teil des verdichteten Arbeitsmittels ab, der vorzugsweise gleich groß ist,
wie der durch die zweite Entspannungsstufe 5" der Turbine 5 strömende Teil des Arbeitsmittels.
Der Wärmeaustauscher 12, in welchem das der Turbine 5 zuzuführende Arbeitsmittel
vom Abgas des MHD-Generators aufgeheizt wird, besteht aus zwei Teilen
12' und 12". Im ersten Teil 12' wird das unmittelbar vom Verdichter
6 kommende Arbeitsmittel vorgewärmt. Im zweiten Teil 12" wird das so vorgewärmte
Arbeitsmittel zusammen mit dem vom Wärmeaustauscher 9' kommenden verdichteten Arbeitsmittel
weitererhitzt.
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Gemäß F i g. 5 ist schließlich die Anlage nach F i g. 1 dadurch erweitert,
daß zwischen zwei Stellen unterschiedlichen Druckes der Gasturbinenanlage, nämlich
zwischen Austritt und Eintritt des Verdichters 6, im Nebenschluß ein Kühler
24 mit Entspannungsturbine 25 geschaltet ist. Die Entspannungsturbine 25
gibt ihre Leistung an die Welle der Gasturbinenanlage ab. In der Entspannungsturbine
25 kühlt sich das Arbeitsmittel ab. Ein von diesem Gas tiefer Temperatur durchflossener
Kühler 26 dient zur Kühlung der Magnetwicklung des MHD-Generators. Es wird nachher
einem Wärmeaustauscher 27 zugeführt, in welchem es das vom Kühler 24 kommende
Arbeitsmittel weiter abkühlt, bevor dieses in die Entspannungsturbine 25 gelangt.
Bei entsprechender Auslegung dieser Zusatzvorrichtung lassen sich im Kühler 26 so
tiefe Temperaturen erreichen, daß in der Magnetwicklung Supraleitfähigkeit erzeugt
wird; was erlaubt, mit geringen Leiterquerschnitten auszukommen. Die Zusatzvorrichtung
kann natürlich mit gleicher Wirkung auch bei den Ausführungsbeispielen nach den
F i g. 2 bis 4 vorgesehen werden.
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Bei allen beschriebenen Ausführungsbeispielen entspannt das Arbeitsmittel
im MHD-Generator 1 bis nahezu auf den Saugdruck des Verdichters 6 der Gasturbinenanlage,
und der Eintrittsdruck des MHD-Generators 1 ist nicht höher als der Eintrittsdruck
der Turbine 5, beim Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 sogar tiefer als der Enddruck
der Turbine 5. Bei den durch hohe Temperatur beanspruchten Bauteilen des MHD-Generators
1 wird somit eine gleichzeitige Beanspruchung durch hohen Druck vermieden.