DE1266772B

DE1266772B - Process for utilizing the waste heat from the hot combustion gases of a magnetohydrodynamic generator

Info

Publication number: DE1266772B
Application number: DEF46586A
Authority: DE
Inventors: James Kemble La Fleur
Original assignee: La Fleur Corp
Current assignee: La Fleur Corp
Priority date: 1964-11-10
Filing date: 1965-07-13
Publication date: 1968-04-25

Description

Verfahren zur Nutzbarmachung der Abhitze der heißen Verbrennungsgase eines magnetohydrodynamischen Generators In einem magnetohydrodynamischen Generator im folgenden MHD-Generator genannt - wird bekanntlich Wärme unmittelbar durch das Medium eines durch ein magnetisches Feld mit hoher Geschwindigkeit und hoher Temperatur strömenden, ionisierten Gases in Elektrizität übergeführt. Für den Betrieb des Brenners eines MHD-Generators dient Sauerstoff bzw. an Sauerstoff angereicherte Luft; die Verbrennungsgase verlassen den Generator mit der sehr hohen Temperatur von mehr als 16501 C. Die Magnete eines MHD-Generators müssen auf einer sehr niedrigen Temperatur gehalten werden, die vorzugsweise in der Nähe des Siedepunktes flüssigen Heliums liegt. Ein MHD-Generator erfordert infolgedessen eine beachtliche Menge Sauerstoff und ein Kühlmittel mit einer sehr niedrigen Temperatur.Process for utilizing the waste heat of the hot combustion gases of a magnetohydrodynamic generator In a magnetohydrodynamic generator, hereinafter referred to as the MHD generator - as is known, heat is converted into electricity directly through the medium of an ionized gas flowing through a magnetic field at high speed and high temperature. Oxygen or oxygen-enriched air is used to operate the burner of an MHD generator; the combustion gases leave the generator at a very high temperature of more than 16501 C. The magnets of an MHD generator must be kept at a very low temperature, which is preferably close to the boiling point of liquid helium. As a result, an MHD generator requires a considerable amount of oxygen and a coolant with a very low temperature.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den für den Betrieb eines NMD-Generators erforderlichen Sauerstoff und gegebenenfalls auch das für den Betrieb eines solchen Generators erforderliche Kühlmittel durch Nutzbarmachung der Abhitze der heißen Verbrennungsgase des Generators zu gewinnen.The invention is based on the object for the operation of a NMD generator required oxygen and possibly also that for operation coolant required by such a generator by utilizing the waste heat of the hot combustion gases from the generator.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt nach dem Verfahren der Erfindung in der Weise, daß man ein im ständigen Kreislauf geführtes Gas, das bei atmosphärischem Druck einen niedrigeren Siedepunkt als Sauerstoff hat, verdichtet, einen ersten Teil des verdichteten Gases im Wärmeaustausch mit den heißen Verbrennungsgasen eines MHD-Generators führt, dann arbeitsleistend entspannt und die beim Entspannen gewonnene Energie zum Verdichten verwendet, den anderen, zweiten Teil des verdichteten Gases kühlt, entspannt, zunächst im Wärmeaustausch mit zur Sauerstoffgewinnung dienender Luft und dann mit dem zuströmenden verdichteten Gas führt, und beide Teile des Gases wieder verdichtet.This problem is solved by the method of the invention in such a way that one is in a continuous cycle gas that is at atmospheric Pressure has a lower boiling point than oxygen, compresses a first Part of the compressed gas exchanges heat with the hot combustion gases of a MHD generator leads, then relaxed while performing work and the one gained by relaxing Energy used to compress the other, second part of the compressed gas cools, relaxes, initially in heat exchange with oxygen generation Air and then with the incoming compressed gas leads, and both parts of the gas condensed again.

Nach der Erfindung ist zur Lösung der gestellten Aufgabe ferner vorgesehen, daß man den ersten Teil des Gases vor der Verdichtung im Wärmeaustausch mit dem bereist wieder verdichteten Gas führt, daß man von dem verdichteten und gekühlten zweiten Teil des Gases (Hauptstrom) einen Teil abzweigt (Nebenstrom), den Nebenstrom weiter kühlt, entspannt, im Wärmeaustausch zunächst mit einem für den MHD-Generator bestimmten Kühlmittel und dann mit dem zuströmenden Nebenstrom führt und dann wieder mit dem Hauptstrom vereinigt, nachdem dieser im Wärmeaustausch mit Luft geführt worden ist, daß man den beim Wärmeaustausch des zweiten Teils des Gases mit der Luft gewonnenen Sauerstoff im Wärmeaustausch mit den Verbrennungsgasen des Generators und dann in den Brenner des Generators führt und daß man auch die Entspannung des zweiten Teils des Gases arbeitsleistend durchführt und die gewonnene Energie für die Verdichtung des Gases verwendet.According to the invention, it is also provided to solve the problem posed, that the first part of the gas before compression in heat exchange with the travels again compressed gas that leads to one of the compressed and cooled second part of the gas (main flow) branches off a part (side flow), the side flow further cools, relaxes, initially exchanging heat with one for the MHD generator certain coolant and then with the incoming bypass flow and then again combined with the main stream after this has been conducted in heat exchange with air has been that the heat exchange of the second part of the gas with the Oxygen obtained from air in heat exchange with the combustion gases of the generator and then leads into the burner of the generator and that one also relaxes the second part of the gas performs work and the energy obtained for the compression of the gas used.

Das Verfahren der Erfindung bietet den großen Vorteil, daß man unter Ausnutzung des sehr hohen Wärmegehaltes der Verbrennungsgase Sauerstoff und ein Kühlmittel, dieses mit einer sehr niedrigen Temperatur, einem MHD-Generator zuführen kann, ohne sich der Gefahr auszusetzen, daß eine Unterbrechung in der Zufuhr von Sauerstoff und Kühlmittel für den Betrieb des MHD-Generators eintritt, indem man die Abhitze eines solchen Generators nutzbar macht, um die Energie zu erzeugen, die erforderlich ist, um den Sauerstoff und ein Kühlmittel mit sehr niedriger Temperatur in mit dem Betrieb des MHD-Generators in unmittelbarem Zusammenhang stehenden Arbeitsgängen zu erzeugen.The method of the invention offers the great advantage that one under Utilization of the very high heat content of the combustion gases oxygen and a Feed the coolant at a very low temperature to an MHD generator can, without exposing yourself to the risk of an interruption in the supply of Oxygen and coolant for the operation of the MHD generator enters by makes the waste heat of such a generator usable to generate the energy, which is required to have the oxygen and a coolant with a very low temperature in operations directly related to the operation of the MHD generator to create.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung, die ein Fließbild einer Anlage zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung darstellt, im einzelnen beschrieben.The invention is illustrated below with reference to the drawing, which is a flow sheet represents a plant for performing the method of the invention, in detail described.

Durch eine Leitung 6 wird Brennstoff, z. B. pulverförmige Kohle, und durch eine Leitung 7 Sauerstoff oder mit Sauerstoff angereicherte Luft in einen Brenner 4 eines MHD-Generators 5 eingeführt. Die heißen Verbrennungsgase werden mit einer Temperatur von etwa 2760 bis 33601 C in bekannter Weise durch bei 3 in den Sauerstoffstrom eingeführte Keime ionisiert; das ionisierte Gas durchquert bei 2 das magnetische Feld der nicht dargestellten Magnete des Generators; elektrischer Strom wird bei 5' abgenommen. Der Betrieb eines MIID-Generators ist z. B. beschrieben in dem Aufsatz von Richard J. Rosa, »Physical Principles of Magnetohydrodynamic Power Generation«, in »Physics of Fluids«, Vol. 4, Nr. 2, S. 182, Februar 1961, und in dem Aufsatz von T. R. B r o g an et al., »Progress in MHD Power Generation«.Through a line 6 fuel, for. B. powdered coal, and introduced through a line 7 oxygen or oxygen-enriched air into a burner 4 of an MHD generator 5 . The hot combustion gases are ionized at a temperature of about 2760 to 33601 C in a known manner by germs introduced into the oxygen stream at 3; the ionized gas traverses at 2 the magnetic field of the magnets, not shown, of the generator; electric current is drawn off at 5 ' . The operation of a MIID generator is z. B. described in the article by Richard J. Rosa, "Physical Principles of Magnetohydrodynamic Power Generation", in "Physics of Fluids", Vol. 4, No. 2, p. 182, February 1961, and in the article by TR B ro g an et al., "Progress in MHD Power Generation".

Das mit einer Temperatur von etwa 1650 bis 19201 C den MHD-Generator 5 verlassende Gas wird durch Leitung 8, eine Rohrschlange 16 eines Rekuperators 15, Leitung 9, einen Rekuperator 1 und dann durch Leitung 9 a ins Freie geleitet. Im Rekuperator 15 strömen die heißen Verbrennungsgase im Gegenstrom mit einem durch Leitung 17 in den Rekuperator 15 strömenden Gas, vorzugsweise Helium, um dieses auf eine hohe Temperatur vor dem Eintritt in eine Heißgasturbine 20 zu erhitzen.The gas leaving the MHD generator 5 at a temperature of about 1650 to 19201 C is passed through line 8, a pipe coil 16 of a recuperator 15, line 9, a recuperator 1 and then through line 9 a into the open. In the recuperator 15 , the hot combustion gases flow in countercurrent with a gas, preferably helium, flowing through line 17 into the recuperator 15 , in order to heat it to a high temperature before it enters a hot gas turbine 20.

Die Abhitze der durch den Rekuperator 15 strömenden heißen Gase dient zur Erzeugung von Energie, um ein Kühlmittel mit einer ausreichend niedrigen Temperatur zur Gewinnung von Sauerstoff aus Luft und ein Kühlinittel mit einer sehr niedrigen Temperatur für den MHD-Generator zu gewinnen. Das gasförmige Arbeitsmedium für die Energie- wie auch für die Kältegewinnung soll eine sehr niedrige kritische Temperatur und einen sehr niedrigen Siedepunkt bei atmosphärischem Druck haben. Es wird infolgedessen für vorliegendes Verfahren die Anwendung von Wasserstoff, Helium oder Neon als gasföriniges Arbeitsmedium bevorzugt; im folgenden wird nur Helium berücksichtigt.The waste heat of the hot gases flowing through the recuperator 15 is used to generate energy in order to obtain a coolant with a sufficiently low temperature to obtain oxygen from air and a coolant with a very low temperature for the MHD generator. The gaseous working medium for the generation of energy and cold should have a very low critical temperature and a very low boiling point at atmospheric pressure. As a result, the use of hydrogen, helium or neon as the gaseous working medium is preferred for the present process; in the following only helium is considered.

Wenn das ganze System der Energie- und Kälteerzeugung während eines ausreichend langen Zeitraums im Betrieb ist und vorgegebene Arbeitsbedingungen hinsichtich Temperatur und Druck erreicht sind, tritt Helium mit einem Druck von 12,8 kg/cm2 und einer Temperatur von 2961> K in einen Kompressor 10 ein, und es verläßt den Kompressor mit einem Druck von 18,7 kg/cm2 und einer Temperatur von 343' K. Ein Teil des verdichteten Heliums strömt durch Leitung 12 in einen Rekuperator 14, in dem es auf eine Temperatur von 838' K erhitzt wird, durch Leitung 17 in einen Rekuperator 15, in dem es durch die heißen Verbrennungsgase des Generators auf eine Temperatur von 925' K erhitzt wird, und schließlich durch Leitung 18 in eine Heißgasturbine 20, die über eine Welle 11 den Kompressor 10 antreibt. In der Turbine fällt der Druck des Heliums auf 13,4 kg(cm2 und seine Temperatur auf 8351 K. Das Helium strömt zurück durch Leitung 21, den Rekuperator 14, in dem durch das zuströmende verdichtete Helium eine weitere Ab- kühlung eintritt, durch Leitung 22, einen Vorkühler 24 und eine Leitung 25 in den Kompressor 10, in dem es wieder verdichtet wird. Der durch Wasser oder Luft gekühlte Vorkühler 24 kann zur Kühlung des Heliums auf Raumtemperatur dienen. Damit ist der Kreislauf dieses Teils des Heliums, das der Gewinnung von Energie dient, beendet.If the entire system of energy and cooling is in operation for a sufficiently long period of time and the specified working conditions with regard to temperature and pressure have been reached, helium enters a compressor 10 at a pressure of 12.8 kg / cm2 and a temperature of 2961> K on, and it leaves the compressor with a pressure of 18.7 kg / cm2 and a temperature of 343 'K. A portion of the compressed helium flows through line 12 into a recuperator 14, in which it is heated to a temperature of 838' K is, through line 17 in a recuperator 15, in which it is heated to a temperature of 925 ' K by the hot combustion gases of the generator, and finally through line 18 in a hot gas turbine 20, which drives the compressor 10 via a shaft 11. In the turbine, the pressure of the helium drops to 13.4 kg (cm 2 and its temperature to 8351 K. The helium flows back through line 21, the recuperator 14, in which compressed helium flowing through the further exhaust cooling occurs by conduction 22, a pre-cooler 24 and a line 25 in which it is compressed again in the compressor 10. The pre-cooler 24, cooled by water or air, can be used to cool the helium to room temperature of energy serving ends.

Der aus dem Kompressor 10 durch Leitung 13 kommende Teil des Heliums gelangt zunächst durch einen Nachkühler 28, in dem das Helium auf 2961 K abgekühlt wird und sein Druck geringfügig, etwa um 0,35 kg/cm2, fällt. Das Helium strömt dann durch einen Rekuperator 29, in dem es auf etwa 77,5' K abgekühlt wird. Ein Teil des den Rekuperator 29 verlassenden Heliums (Hauptstrom) strömt durch Leitung 30 in eine Kaltgasturbine 31, die einen Generator 32 antreibt. Die gewonnene elektrische Energie dient z. B. für den Antrieb des Kompressors 10. The part of the helium coming from the compressor 10 through line 13 first passes through an aftercooler 28 in which the helium is cooled to 2961 K and its pressure falls slightly, around 0.35 kg / cm 2. The helium then flows through a recuperator 29, in which it is cooled to about 77.5 ° K. Part of the helium (main flow) leaving the recuperator 29 flows through line 30 into a cold gas turbine 31, which drives a generator 32. The electrical energy obtained is used, for. B. for driving the compressor 10.

Das entspannte Helium tritt mit einer Temperatur von 70' K durch Leitung 33 in ein im oberen Teil einer Fraktionierkolonne 35 angeordnetes Schlangenrohr 34 und strömt wieder zurück durch Leitung 36 in den Rekuperator 29, in dem es das durch die Rohrschlange 29 zuströmende verdichtete Helium kühlt, und dann durch Leitung 37 wieder in den Kompressor 10, womit der Kreislauf auch dieses Teils des mittels des Kompressors verdichteten Heliums beendet ist.The expanded helium passes through line 33 at a temperature of 70 ' K into a coiled tube 34 arranged in the upper part of a fractionating column 35 and flows back through line 36 into recuperator 29, in which it cools the compressed helium flowing in through coil 29, and then through line 37 back into the compressor 10, whereby the cycle of this part of the helium compressed by means of the compressor is also terminated.

- Die Gewinnung von Sauerstoff aus Luft erfolgt in der Kolonne 35 in bekannter Weise. Atmosphärische Luft wird durch einen vom Motor 40 angetriebenen Kompressor 42 auf einen Druck von etwa 3,16 kg/cm2 verdichtet; sie strömt dann weiter durch einen Reiniger 43 und einen Rekuperator 44, in dem die Luft durch aus der Kolonne 35 durch Leitung 53 abgezogenen Sauerstoff und durch Leitung 51 abgezogenes stickstoffhaltiges Gas auf etwa 97' K abgekühlt wird. Die den Rekuperator 44 verlassende, etwa auf den Kondensationspunkt abgekühlte Luft strömt durch Rohrschlange 45, in der sie verflüssigt wird, und dann mit einer Temperatur von etwa 91' K durch Leitung 46 und ein Expansionsventil 47; sie tritt bei 48 in die mit Gockenboden 49 versehene Kolonne 35 ein, in der sich die Luft auf praktisch atmosphärischem Druck entspannt. Das durch die Rohrschlange 34 im Kopf der Kolonne 35 strömende Helium bewirkt eine Verflüssigung eines Teils des Stickstoffes der Luft und ergibt so den zum Betrieb der Kolonne erforderlichen Rücklauf. Ein Stickstoff-Argon-Gemisch strömt durch Leitung 51, den Rekuperator 44 im Gegenstrom zur eintretenden Luft und durch Leitung 52 weiter für eine beliebige Verwendung. - The extraction of oxygen from air takes place in the column 35 in a known manner. Atmospheric air is compressed by a compressor 42 driven by engine 40 to a pressure of about 3.16 kg / cm 2; it then flows on through a purifier 43 and a recuperator 44, in which the air is cooled to about 97 K by oxygen withdrawn from column 35 through line 53 and nitrogen-containing gas withdrawn through line 51. The air leaving the recuperator 44, cooled to approximately the point of condensation, flows through pipe coil 45, in which it is liquefied, and then at a temperature of approximately 91 ° K through line 46 and an expansion valve 47; it enters the column 35 provided with a Gockenboden 49 at 48, in which the air expands to practically atmospheric pressure. The helium flowing through the coil 34 in the top of the column 35 liquefies part of the nitrogen in the air and thus provides the reflux required for operating the column. A nitrogen-argon mixture flows through line 51, recuperator 44 in countercurrent to the incoming air and continues through line 52 for any use.

Der durch die Leitung 53 aus der Kolonne 35 abgezogene Sauerstoff strömt durch den Rekuperator 44 und Leitung 53 a in den Rekuperator 1, in dem der Sauerstoff durch die aus der Leitung 9 kommen- den Verbrennungsgase auf etwa 816 bis 1649' C erhitzt wird, und schließlich durch die Leitung 7 in den Brenner 4 des MHD-Generators 5. The withdrawn through line 53 from the column 35 the oxygen flows through the recuperator 44 and line 53 a in the recuperator 1, in which the oxygen is heated by the out of the line 9 coming the combustion gases at about 816-1649 'C, and finally through the line 7 into the burner 4 of the MHD generator 5.

Der restliche Teil des gekühlten, aus dem Rekuperator 29 austretenden Heliums (Nebenstrom) strömt durch Leitung 30 a in einen zweiten Rekuperator 31 a, in dem es auf etwa 4,5' K abgekühlt wird, und dann durch Leitung 32 a in eine mit einem Generator 34 a verbundene Turbine 33 a; die gewonnene Energie kann ebenfalls zum Betrieb des Kompressors 10 eingesetzt werden. Das weiter entspannte Helium tritt mit einer Temperatur von etwa 4' K durch Leitung 35a in eine Rohrschlange 36a eines Rekuperators 37a ein, um ein für den Betrieb des Generators dienendes, durch Leitungen 38 a und 39 a geführtes Kältemittel, wie Helium, zu kühlen. Das aus der Leitung 35a kommende Helium kann mit den Magnetspulen des MHD-Generators auch in unmittelbarem Wärmeaustausch gebracht werden. Aus der Rohrschlange 36a strömt das Helium zurück durch Leitung 40 a in den Rekaperator 31 a, in dem es zur Kühlung des zuströmenden Heliums vor dessen Eintritt in die Kaltgasturbine 33 a dient. Aus dem Rekuperator 31 a gelangt das Helium durch Leitung 41 a in die Leitung 36, in der es mit dem aus der Fraktionierkolonne 35 kommenden Helium zusammentrifft. Der vereinigte Haupt- und Nebenstrom des Heliums strömt durch den Rekuperator 29 und die Leitung 37 mit Raumtemperatur und dem Einlaßdruck von 12,8 kg/cm2 des Kompressors 10 in diesen zurück, womit auch der Kreislauf zur Gewinnung von Kälte und Sauerstoff beendet ist.The remaining part of the cooled, exiting from the recuperator 29 helium (secondary flow) flows through line 30 a into a second recuperator 31 a, in which it is cooled to about 4.5 'K, and then through line 32 a into one with a Generator 34 a connected turbine 33 a; the energy obtained can also be used to operate the compressor 10 . The more relaxed Helium occurs at a temperature of about 4 'K through line 35a into a coil 36a of a recuperator 37a to a serving for the operation of the generator through lines 38 a and to cool a run refrigerant such as helium. 39 The helium coming from the line 35a can also be brought into direct heat exchange with the magnetic coils of the MHD generator. Of the coil 36a, the helium flows back through a line 40 in the Rekaperator 31 a in which it serves to cool the incoming helium before it enters the cold gas turbine 33 a. From the recuperator 31 a , the helium passes through line 41 a into line 36, in which it meets the helium coming from the fractionating column 35. The combined main and secondary flow of helium flows back into the compressor 10 through the recuperator 29 and the line 37 at room temperature and the inlet pressure of 12.8 kg / cm2, whereby the cycle for the recovery of cold and oxygen is also ended.

Zum Anlassen des Kompressors 10 dient der durch den Motor 40 angetriebene Anlaßgenerator 38, bis das System einen Zustand erreicht, in welchem es sich selbst erhält. The starter generator 38 driven by the engine 40 is used to start the compressor 10 until the system reaches a state in which it is self-sustaining.

Wenn gewünscht, kann ein Teil des Heliums bei 32 a abgeleitet und durch einen dritten Rekuperator und eine dritte Kälteturbine geleitet werden, um ein Kühlmittel zu erzeugen, dessen Temperatur niedriger als die des durch die Leitung 35 a strömenden Heliums ist.If desired, some of the helium can be diverted at 32 a and passed through a third recuperator and a third cooling turbine in order to generate a coolant whose temperature is lower than that of the helium flowing through line 35 a.

Die der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien sind nicht auf den Betrieb eines MHD-Generators beschränkt; die Erfindung ermöglicht ganz allgemein die Nutzbarmachung der Abhitze eines chemischen Verfahrens, für das Sauerstoff und gegebenenfalls auch ein Kühlmedium erforderlich ist.The principles underlying the invention are not based on the Operation of an MHD generator limited; the invention allows quite generally the utilization of the waste heat of a chemical process, for the oxygen and a cooling medium may also be required.

Claims

Claims: 1. A method for utilizing the waste heat from the hot combustion gases of a magnetohydrodynamic generator, the burner of which is operated with oxygen or oxygen-enriched air, characterized in that a gas is continuously circulated and has a lower boiling point than oxygen at atmospheric pressure , compresses, conducts a first part of the compressed gas in heat exchange with the hot combustion gases of the MHD generator, then relaxes while performing work and uses the energy gained during relaxation for compression, the other, second part of the compressed gas cools, relaxes, initially with heat exchange for oxygen production serving air and then leads with the incoming compressed gas, and both parts of the gas are compressed again. 2. The method according to claim 1, characterized in that the circulated first part of the gas, after it has been compressed and before it is conducted in heat exchange with the combustion gases, is preheated by the gas that has already been expanded. 3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that one of the compressed and cooled second part of the gas (main flow) branches off a part (secondary flow), the secondary flow is further cooled, relaxed, in the heat exchange initially with one for the MHD generator certain coolant and then with the inflowing secondary flow and then reunited with the main flow after this has been guided in heat exchange with air. 4. Process according to claims 1 to 3, characterized in that the oxygen obtained during the heat exchange of the second part of the gas with the air is carried out in heat exchange with the combustion gases of the MHD generator and then into the burner of the MHD generator. 5. Process according to claims 1 to 4, characterized in that the expansion of the second part of the gas is also carried out in a work-performing manner and the energy obtained is used for the compression of the gas. Contemplated publications: USA. Patent No. 3,241,327;. Journal "Physics of Fluids", Vol. 4, No.

2, February 1961, p. 182.