DE1426917A1

DE1426917A1 - Krafterzeugungsanlage ohne bewegliche Teile

Info

Publication number: DE1426917A1
Application number: DE19631426917
Authority: DE
Inventors: Larson John William
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1962-12-31
Filing date: 1963-12-31
Publication date: 1969-03-06
Also published as: US3401277A; SE314992B; GB1072400A; DE1426917B2

Description

United Aircraft Corporation, East Hartford, *-" 400 Main Street, Connecticut, USA

Beschreibung su der Patentanmeldung

Krafterzeugungeanlage ohne bewegliche Teile

Prioritäts USA Patentanmeldung Serial Nr, 248 532 tob 31.Dezember 1962

UIe Erfindung betrifft eine Kraftereeugungeanlage, w«lohe insbesondere ein ssweiphaeigee Ströoungeinittel rerwendet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine anlage ohne bewegliche Teile su schaffen, «it sin«« sweiphaslgen StrSiBungsaittel, mit einer im Kreislauf funktionierenden, selbstpumpend en, von der Schwerkraft unabhängigen Betriebsart, welche infolge Fehlens beweglicher Teile einen niedrigen sreohaniaohen Seräuschpegel und einen niedrigen Vibrationepegel hat und weder Lager noch Dichtungen rerwendet, und welche hochteaperaturbetriebefähig ist bei kleines Otwioht, gering»« Rauminhalt und hohem Vir~

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kungegrad, und walehe einen für lange Seit warttmgslosen Betrieb eraSglieht.

Die Erfindung fcasn eis verwendet werden in Gestalt einer richtung, welche theraodynaaieche Energie des Str8ßang*sitt»l» in elektrische Energie umwandelt, oderifcitarYarweiiduag einer hydraulischen Turbine ₉ d.h. einer turbines die bei des !Durchtritt des Struaongezittele durch die Schaufeln angetrieben vird, oder einer anderen fiisnlichen EnergietoavszidlungsTorrlchttmg en Stelle des üiagneto-hjdrodTSiaaiaohea Generators» wobei die tl.-»r»odynsBleohe Energie des Ströstäageiiittele dann is »eonaitl@is&e oder eine andere Art . .nergie usgeirnndelt wird*

Der ZweiphEssnstrSsBngeoittsl-lJsmfterseugsi¹ g@isä@ der Erfindung

kann als Torsch&ltkreis flirr^ie Üblichen Bsspf- oder anlagen Terwendef werden» 13» den t.feerjsodyrJsa^Lsnhea

SU ^rerbeeaern,^: u&d kssn ein»

daiapfen des StrSsiixBgeadLttels aim einer

alt einer BeeohlmaiiffungeTorriehtuöÄ, 1» der ^erdn&pften eine hohe Strui»m^8geeoaid,ndigkeit mi verleiLon, eit einei? ableititngSTorriehtung, ml aus der Mischung ßine Flttssigkelt Bit hoher StrSsningegesohwindigkelt herBuetelleii_fi2nö Bit eine? iiBvandlungeTorrlchtungt durch welohe die hoohgeschwliide keit Eur Bnergieerzeugoiig hindurohgeleitet wird, wobei die Wärme» ableitxingsirorrich-tiuag oine ?"lüssigkeits-Damp£-5rönnvorrichtuag für ein einziges Strömungsmittel oder für eine einzige Mischung

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τοη Strflmengemitteleyeteeen sein keim, oder alt ein·» !Dampfkondensator, im Folgenden Strahlpumpe genannt, bei eines Sys te«, welches eine oder Hehrere Strömungsmittel oder auch eine oder mehrere Hlaohungen τοη Strömungsmitteln-, T*rw«adet.

Der Erfindungsgegenetand «teilt eine Ikaf ter»ugwngeaalaee alt einem geachloeeenen» aelhatpumpenäitn, thermodynamisch«! Kreislauf «lter Verwendung eines swelphaaigen Ströatemgimittele dar, welche Ib Veltraua, für IMtereeesoota oder für andere Anwendungen geeignet 1st« die eine cionwerlcraftunaDhinglge Kraftereengungeanlage ohne beifegliehe felle erfordern* ?Qr Anwendungen Im Weltraum kann ein Kernreaktor ala Wäraequelle verwendet werden» und ala XraftaTMiÄluieTorriolitang kann eis magneto-hydrodynamieoher aeaerator Terwmdet wert«o&_r dar die thentodynaMlBohe Energie des Ströemgaalttele I^ tau Syate» in elektrieehe Energie umwandelt.

Die IBrfindung let na Hand eehematlecher Zeictaungeci an Ans»

fUhrongabelaplelen erglneend beeohrieben. Biaai fettreffen - ein kernreaktoroeheistea Syatem mit einem sehen Generator, worauf die Erfindung jedoch nioat let· Sie kann vielmehr noch auf andere Arten und für andere

Yerwendungeswecke mit anderen Arten τοη Heizvorrichtungen und Energiewandlern auegeführt werden.

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Der Energiewandler kann 5S_eB., wie am "besten aus Figur 6 zu ersehen i3t, eine Strömungsmittelturbine darstellen. Die in der Leitung 250 strömende Flüssigkeit durchquert die Schaufelblätter 252 des ^irblnensjetora 254» dtff mat 6«* Ir*£1»&sabewelle 256 befestigt und mit dieser drehbar gelagert let. Durch Reaktionskräfte an den Hotorechaufela 252 wird «ine Drehung des Hotars 254 verursacht, so daS sioh suoh die Welle 258 dreht, wobei kinetische Energie des StriSmimgßJSittels is mechanische Energie bei der KTAftataalime «KgemisÄelt wird.

Die Umwandlung τοη EernBpaltungßensrgie in olektriscfee Energie kann in einer Ans;»hl Wärmekraftjuaeohinsn Zyklen auageführt werden. Die Verfahren der Kraftumwsmdlung, die bislang tatsächlich wßiterrerfolgt worden sind, umfassen den Rankin ?rose£, den Brayton ProseB und den theraolonisöhes Profiefi* KLe Erfinduisg bezieht sich auf eine neue Art einea EraftuEwandlungesyeteias, die im folgenden als Zwei phasen HHD bezeichnet lot. HHD ist eine Abkürzung für Magneto-Hydrodynamik.

Die Zwelphasen-KHD-Ifaschine maoht Gebrauch von einen geschloesenen selbstpumpenden, eohvrerkraftunabhänigen SweiphaeenströmungBaittel-Kreisproiseß und weiat keine bewegliche meohaniechen Ofelle auf, bo da8 es eich uia ein» et&tleche Vorrichtung handelt, obgleich ein thermodynamiecher Wandler verwendet wird. Dio Vermeidung von Lagern, Dichtungen und dynamischem Aufigleioh ergibt einen über lange Zeiten wartungsfreien Betriob, dar für nukleare Raum-

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antriebe erforderlich ist. Biese Maschine vermeidet auch dio Hoohtemperaturmatörialprobleme, die bei dem thermoionische* *Proze3 auftreten. Daher hat die 2weiphasen-HHD-Masch2ne Vorteile gegenüber den anderen Arten der aeiβtversprechenden nuklearen EaumflugantriebeSysteme·

Die Zweiphasen-MHD-Maschine arbeitet in dem Flüssigkeite-Dampfübergangsbereich des Arbeitsmittels, was auch bei dem R^nkln Prozeß der FpIl ist. Die StrSmungsprozesse sind jedoch vollkommen verschieden von dem Rankin~System, vielmehr läuft in der Zweiphasen-MHD-Maachine ein neuartiger thormodynamischer Kreisprozeß ab.

Theorie

Uia die Wirkungsweise des Zweiphaaen-MHD-Zyklus zu erläutern, werden die Abwaichungen dieses Kreisprozesses von dem üblichen Rankin Proaeß gszoigt.

Figur 1 ist ein schematischea Diagramm zur Auaführung des Rankiiiprozesaes, wie er in üblichen Dampf-Kraftanlagen verwendet wird. Der ideale Rankin Prozeß umfaßt zwei Abschnitte mit konatonten Drücken und zwei iscntropische Abschnitte. Das Arbeitsmittel wird in dem Kessel 50 von einem unterkühlten flüssigen Zuntand enfcv/^lc-r in oinen gesättigten oder einen überhitzten

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Dampfeustand überführt. Der Beimpf delmt eioh in der Turbine aus und erseugt nutsbare i&echanisene Arbeit, beispielsweise EUEi Antrieb des drehbares Operators 53. vmä der Puepe 58. Schließlich wird eier Dasnf in dem Kondensor 56 k^s&ensiert und mittels der Pisaape 53 In den Kessel 50 surüekgepuBpt. Das Enthalpie-Entropie Phasendiagr&isffl einae typieoken fiankin ProE@ssös ist la Figur 2 dargestellt, der aus den folgenden Abachalttea besteht*
A-B s= Hitsezufuhr in einem Kessel oder einer Heiürorrlchtimg unter konstantem Druck.

E-O β adisbatiaote® Expansion in einsr Turbine * C-D =s Wärmeabgato© in einem Kondensor xmt@r konstanteja Druck und D-A = adiabatisch© Koiapreeslon in einer Pumpe. Die nutzbare Ausgangsleistung ist gleiüb, ler Biffereaa der Surbiaei'ÄausgangsloIstiaig imS der

Die thermodynasiaekdn Bigeis®cfeaften. übt nielitrotlorenden piiassmascMna weichen"von d«nen des Emmkin ProeeesAe'ab· ο ei zuerst erwähnt, dsß das Arbeitealttel ύοτ der Expaaoion leäiglioh t«ilweiee verdampft ist» Bei ä®r Ausdeämiag vird dann keine Arböit erzeugt durch die» Arbeitsmittel, sos^ler» ea wird vialmote thsriaoöynaEiache potentielle Eiiargi« in ktesMeclie Energie dös Arbeitsmittels umgewandelt. Die kinetische Energie wird durch das Strömungaaittel surüokgehnlten durch Äen Wgrme-

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abgabevorgang. Hach diesem kann die kinetische Energie wieder in thenaodynamisehe Energie rückverwandolt werden ,und auo dem nunmehr in flüssiger Phase vorliegenden Arbeitsmittel kann nutzbare Energie entnommen werden. SchiieBlich gelangt das Arbeitsmittel wieder in den Kessel curück.

Pig^r 3 zeigt ein Enthalpie-Entropie Diagracaa für eine typiecho nichtrotierende ^weiphasenmascliine, welche von den folgenden Kreisabschnitten Gebrauch machtζ

A-B » Wärmezufuhr unter konstantem Druck.

B-C « adiabatische Expansion in einer Düse.

C-D = Wärmeabgabe unter konstantem Druck.

D-E = adlabatieche Kompression in einem Diffusor und E-A = Abnahme der verfügbaren Arbeit.

Der Ausdruck ⁿeinziges Strömungsmittel" bedeutet entweder, daß dieses lediglich ein einssiges Strömungsmittel oder eine einzige Mischung von mehreren Strömungsmitteln umfaßt.

Die; Zveiphaaen-MUD-Maeohine ist einzigartig, da während der Expansion keine Energie aus dem Arbeitsmittel entnommen wird und daher der Abfall an statischer potentieller Energie in dem Strömungemittel der Zunahme an kinetischer Energie gleicht, d.h., daß daß Strömungsmittel auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt wird. Die teilweise Kondenaation kann verdoppelt worden durch Abgabe von Wärm« aus dem liochgeschwinden Strömungs-

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θ -

mittel mit einem miniisalen Tarlust an Impuls „ Bis Wärmeabgabe kann a&ü.UT®h -ausgeführt w®ri©a, äaß ©iss, Seil äas B&upfsa et>ge treust wiräs ^©^ diesem-Dampf su Fltseigkeit koadeneiert w&s?d und d&B Sie Flüssigkeit iß -die Hmuptetröüsisg surüelcgelsltftt

id,ri_s-©dsr afäes* dadurch, daß ©im Sgil dt©@ Baspfss dnrsfe Himuifügea ψοη kalter Fllissigksit k@ai,sa®i©^t wi^S» Die

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Trennvorrichtung der Zweiphasen-MHD-Maschine

Der Grundprozeß der Zweiphaeen-MHB-Maschins sei nunmehr an Hcnd der Figuren 4 und 5 erläutert.

Die Figur 4 zeigt ein geschlossenes Leitungssystem 11 alt der dargestellten Vorrichtung und

Figur 5 1st ein Enthalpie-Entropie Diagramm für diese Vorrichtung.

Während Figur 4 das Trennsystem darstellt« können auch andere Systeme dafür verwendet werden» u.B. das im Folgenden noch beschriebene Strahlpumpsyetsa.

Gemäß Figur 4 wird Hltse durch Konvektion entweder direkt oder indirekt von dem Kernspaltungsreaktor 12 dem Arbeitsmittel zugeführt » wie z.B. in der ÜSA-Patentsoarift Fussier 2 708 656 beschrieben ist, oder mit anderen, üblichen WiruequeSsn. Als Arbeitsmittel kann irgendein Strömungsmittel verwendet werden, welches la flüssigen Zustand elektrisch leitend ist, «»B. Quecksilber, Kalium, Oftsiw, Vatrlum, Rubidium und Lithium oder andere flüssige Metall· oder Kombinationen derselben. Das Arbeitsmittel wird durch den geschlossenes Kreis 11 geleitet, 1st eine Flüssigkeit an der Stelle J und entweder ei»· Flüssigkeit oder Zwelphaeenaieohung aus Flüssigkeit und Dampf mit verhältnismäßig geringem Sampfanteil an der Stell« A. Das Arbeite-

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mittel verläßt di© Heizvorrichtung mit verbaltniefc&Öig niedriger Geschwindigkeit und wird in einer thermodynamiechen Expansion auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt» vexut es durch eine kcmvergieresdß - divergierende Düse 14 ia eines adi&b&tl&ahen . Vorgang au dem Sustand B gelangt, der einen etatischen thermo-* dynamischen Zustand darstellt. Das Arbeitsmittel ist an dieser Stell© eine Mischung aus flüssigkeitstropfen and ges&ttigte* Dampf. Bas Arbeitsmittel wird sodamn in einer Trexinvorrishtung 16 Zentrifugalkräften oder anderen KrSften unterworfen, uat «swel unterschiedliche Str3»ong@n su erbalten» die sich in Ihren Flüeeigkeitegehalt unterecholden. Mo Mieoaung hat an der Steife C eine hohe geschwindigkeit und ist flüsslgkeltereloh, d.h» nied@rw@rtiger als an der Stelle D, und die Mischung an der 8t@ll@ T) hat ebenfalle eine hohe Geschwindigkeit, ist jedoch dampfreich, d.h. ist huherwsrtiger al· im Zustand O. Me kinetische Energie der dampf reichen Mischung an ä^r Stelle D wird in einem Ohtersohall«- oder übersohall~Mffusor 18 in potentielle Energie umgewandelt» Die Terdampfungsw&nie des Daapfanteilee der Mischung wird, dann durch das Vftraeabg&beeyetea 20 entfernt. Das Kondensat wird nnxtaehr durch «ine Düse 22 eurQokgefHhrt und in dem Mischer 24, der τοπ der Injektor«-oder Siektorbauart sein kann» mit der flüesigkeitsreichen Mischtmg des Zustandes C» die in der Trennvorrichtung ereeugt worden war» gesdsoht. Die Masse» der Impuls und die Energie bleiben während de· Misehvorgangaa erhalten· Das Strömungsmittel ist nun in dem Zustand H,

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der auf den Miscavorgang folgt. Ein Teil der kinetischen Energie des gemischten Arbeitemittelstromes wird nunmehr in potentielle Energie umgewandelt, um den restlichen Dampf in dem Überschall-Diffusor 26 ssu kondensieren. Der größte Anteil der verbleibenden kinetischen Energie des nunmehr flüssigen Arbeitsmittels wird in einem Generator 30 in elektrische Energie umgewandelt, der ▼on der HHD Bauart sein kann oder von einer Bauart, wie sie In Figur 6 dargestellt ist. In dem Arbeitsmittel wird ein genügender Betrag kinetischer Energie eurückgehalten für dia Umwandlung in Druok, um den Druck an der Stelle J bu erreichen. Die Umwandlung kinetischer in elektrische Energie in dem MHD-Generator 30 wird dadurch erreicht, daß das Strömungsmittel in der Leitung durch ein von dem Magneten 29 erzeugtes Hagnetfeld,geleitet wird, welches normal Eur Bewegungsrichtung des Arbeitsmittels liegt.

Es fließt sodann ein elektrischer Strom in t<-m* FJohtueg, die sowohl normal but Strömungsrichtung des Arbeitsmittels als auch zur Riohtung desmagnetischen Feldes verläuft« Die Groß» der indueierten Spannung 1st direkt proportional der Geschwindigkeit der metallenen Flüssigkeit. Die Größe dieses Stromes ist direkt proportional eur elektrischen Leitfähigkeit dee StrBmungemittels. Wenn daher leltfahlges flüssiges Metall als Arbeitsmittel verwendet wird und die Expansionsenergie durch eine Düse auf dl« Flüssigkeit übertragen wird, die dann von dem dampfförmigen Metall getrennt wird, so kann die Kraftümwandlung in einem MHD-Generator mit hoher Ausbeute durchgeführt werden.

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Das Plußaefcema der Kraftanlage ist in Figur 7 dargestellt* Ale Wärmekraft^uelle ist ein SHlP-S- Kernreaktor 150 vorgeeehen,der auf eins genügende leistung gebracht let, so daß 150 Kilowatt elektrische leistung am Atisgasig sur Yerfügung stehen. Der Kernreaktor 150 hat ©ime Ktüalmittelaiisgangsteia-ρ era tür von 704,4⁰C und wird inrsh KaE .gekühlt. B&© Reaktorkühlmittel wird öureh sina BeiOTerriclitrag 151 geBehiekt_f in der sie die Hitze an das Quecksilber ß"bgi^t, utelohem Arbeiteflffsoigkeit b©l diese?
vorgesehen ist. Ba ias Arbeit^altt©! in ·1 nioht verdampft, kann fies Quecksilber di@ Hei«vor2?iöatusg mit einer näheren Temperatur ¥erlßes©s,₅ ala bei der jetzigen SHAP-Kraftanlage. Di® temperatur des Queeksilbere ist disbar von 648,9 auf 676_f7°ö

Beginnt man mit eimer SinlaBtemperatisr Isr Bllse 152 von 676,?⁰O und einem Druck von 50 ata{7ö0psia) ^asa wird der Quecksilber«»· dampf bis auf eine fe^eratur vom 371 °0 miegeäsiait, gelobe hin siohtlich eines großen KreiBproiseS^Wirknngegrades π&ά einer geringen Strahlisngsflächs gewlhlt wurde. Die Dampfgflte em Auegang der !reibvorrichtung 153 ist mit 70 $ am Eisgang des Kondensor-Diffueors 154 und mit 7 # em Eingang dee Diffusors 155 des KHD-Generators gewählt. Im Folgenden sind die Wirkungsgrade und Drücke der einzelnen Bauteile angegeben! Wirkungsgrad der ersten DUse 1521 95 56 _; .- . ·'*·. Wirkungsgrad des Kondensoidif fusors 154i

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Druckverlust Ia Kondensors 0,35 AtU (5 psi) Wirkungsgrad der KondensoratisiaSdÜses 90 f> Wirkangegrad des Generatordiffusors* 85 £ Wirkangegrad des HED-Senerators 156: 70 5* Druckverlust in der Heizvorrichtung (Wärmetauscher) 0,7 Atii

(10 psi).

Der MaschinenkreisprozeS ergibt einen Wirkungsgrad τοη 10 £ mit einer Quecksilberströmuögaotärke τοη 75 kg/eeo (175 lbs/sec) für 150kw.

In den Quecksilberkreis ist noch ein Kondensor 153 eingeschaltet, der mit einem Batriumkreis mit einer Pumpe 149 and einem Radiator 148 für 1,357 kw in Verbindung steht. Es sind noch jeweils ein Hilieradlator 143 Kit angeordneter Pumpe 142 für.die KraftumwandlungsTorrichtung 144 (65⁰C) sowie ein Hilferadiator 146 mit zugeordneter Pumpe 147 für die Reaktorbauteile 145 (400⁰C) Torgesehen.

Pigur 8 zeigt einen echematisohen StrSmangsplm einer weiteren Kraftexfeeugungsanlage eowie den WSrmehaushalt dieser Anlage, wobei Kalium als Arbeitsmittel verwendet ist« Die Verwendung τοη Kalium ermöglicht eine direkte W&mesttfuhr, d.h. ein direktes Erhitzen des Kaliums In dem SIAP-S Beaktor· Die Betriebswert» des in Figur 8 gezeigten Systems bzw. der Bauteile desselben sind für verschiedene Stellen des Systems in Figur 8 eingeeeiehnet.

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Eine weitere MHD-Masehine mit einer trennvorrichtung 4f in Figur 9 dargestellt. Es 1st ersichtlich, daß das System nach Figur 9 sich dadurch von dem in Figur 4 dargestellten System unterscheidet, daß das gesamte aus der Wärmeableitvorrichtung 20 austretende Strömungsmittel mittels eines Motors oder einer Elektropumpe 40 über die Leitung 42 εα der Heizvorrichtung zurückgepumpt wird» Außerdem sind die Düse 22 und die Mischvorrichtung 24 fortgelassen» so daß die flüssigkeitsreiche Mischung aus der Sxenavorrichtung 16 von der Stelle C direkt in den Übereehalldiffaser 26 fließt. Der Torteil dieser abgeänderten Anordnung gegenüber der Vorrichtung nach Figur 4 besteht darin, daß sie eines anpassungsfähigeren Betrieb ermöglicht, auf Kosten einer zusätzlichen Pumpvorrichtung.

Figur 10 zeigt das StrSmungsschema einer Zweiphasen-MHD-Masehine in der typischen Anordnung für Weltraumfahrzeuge. Das flüssige Metall, z.B. Kalium, wird in dem Kernreaktor 12 erhitzt und durchquert den Wärmetauscher 13 unter der Wirkung der Elektropumpe 60, wobei die Seile 12, 13 und 60 einen geschlossenen Kreis für das in dem System 62 fließende Metall bilden. Dem Arbeitsmittel der Zweiphasen-HHD-Maechine wird in der Heizvorrichtung 13 Wärme zugeführt und das Arbeitsmittel #ird in flüssiger und Dampf form in eine Konditionlervorrichtung 14 gegleitet, die dafür sorgt, daß eine homogene Dampf- Flüssigkeitsmischung entstellt, und kann s.S. eine gleichmäßig perforierte Platte aufweisen, die eich über den Ströraungsquerschnitt er -

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streckt, durch den die Mischung hindurchgelangen mu3, und die in Verbindung mit einer ZweipJiasenbeschleunigungedüee verwendet wird, um eine höhe Geschwindigkeit der Flüssigkeits-Bampfaischung an der !reibvorrichtung 16 eu erreichen. Wie bei der Anlage nach Figur 4 durchquert das dampf reiche Gemisch den Diffusor; und wird dann in dem Kondensor 64 gekühlt, bevor es durch die zweite Düse 22 und die Mischvorrichtung 24 gelangt* Ee ist offensichtlich, daß der Kondensor 64 ein Teil dea geschlossenen Leitungekreises 66 ist, der den Haumradlator 68 und die Elektropumpe 70 umfaßt, die dasu dient, das Strömungsmittel, welches vorzugsweise ein flüssiges Metall, etwa HaX ist, durch den Kondensor 64 zu pumpen, wo es die Kühlung des dampfreichen, aus dem Diffusor 18 kommenden Gemisches übernim&tt und welches selbst wiederum von dem Baumradiator (Außenr&umradiator) 68 gekühlt wird, der etwa als LaaeHenrohrkühler auegebildet sein kann. Die flüssigkeitsreiche Mischung von der Trennvorrichtung 16 vermischt sich mit der Flüssigkeit von der Düse 22 in der Mischvorrichtung 24 und wird in dem Diffusor 26 weiterverflüeeigt, bevor sie an den MHD-Generator 30 als hochgeschwinde_y elektrisch leitende Flüssigkeit gelangt und diesen zur Erzeugung elektrischer Energie in der oben beschriebenen Weise durchquert.

Figur 11 zeigt den typischen Wärmehauehalt der Anlage nach Fi^-ur :1O. Die betreffenden Werte sind an den entsprechenden SteBsn .der Anlage in Figur 11 eingetragen. , , ,

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Figur 18 zeigt ein weiteres Flußschema einer Zweiphasen-MascMne mit einem Trennsystem. Dieses Schema betrifft auch Haumfluganwendungen und unterscheidet sich von den nach Figur 10 darin, daß aus dem MHD-Generator 30 auetretende Flüssigkeit in einem Kühler 400 gekühlt wird und In die Mischvorrichtung 402 eintritt, in demaie sich abkühlt und die vtm der frennvorrichtung 16 austretende deaspfreich· Hisofttmg verflüssigt« D*a-Kunlen der die Kühlvorrichtung 400 durchfließenden Flüssigkeit bewirkt die Verflüssigung der Mischung in des Mischer 402· Die Geschwindigkeit dtr flüssigkeit wird in des Diffusor 404 Terringert und die Flüssigkeit gelangt von hier durch die Leitung 406 zu der Heisverrichtung 13· Der restliche Teil von Figur 18 entspricht der Anlage von Figur 10 und es sind.deshalb die entsprechenden Betragsaiffern von Figur 10 wiederverwendet worden·

Figur 19 se igt eine abgeändert« Bauart einer Zweiphaeen-M&sohlne nit einer Trennvorrichtung· Diese Bauart gleicht der Anlage nach Figur 18 alt der Ausnahme, daQ dargestellt 1st, wie in Fallen der Verwendung eines weniger wirksamen Mischers 402 eine Elektropumpe $00 verwendet werden kann, um die Flüssigkeit su der HeIsvorrichtung 13 zurückeutransp ortieren. Ansonsten gleicht die Anlage nach Figur 19 der in Figur 18 beschriebenen, wobei auch wieder übereinstimmende Bauteile mit gleichen BesugsEiffsra ver« sehen sind*

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Figur 20 zeigt eine weitere AuBführungsform einer Zweiphasen-Mae chine Bit einer Trennvorrichtung und stellt eine leihe von Krafterzeugungsanlagen gemäß Figur 19 dar, die in Serie geaehaltet sind. Hiermit soll gemeint eein, daß das von dem MHD-Generator 30a auetretende gesättigte Strömungsmittel an die Kondltioniervorrichtung 14a geleitet wird, sodann die Trennvorrichtung 16a durchströmt, von der die abgetrennte Flüssigkeit in den ifflD-Oenerator 30b eintritt, wahrend der Dampf durch die leitung 600 EU der Mischvorrichtung 602 gelangt« In Ähnlicher Weise* gelangt das gesättigte Strömungsmittel vom Auslaß des MHD-Generators 30b su dem Kondensor 14b und zur Trennvorrichtung 16b· Die abgetrennte Flüssigkeit aus der Trennvorrichtung 16b gelangt in den MHD-Generator 30c, während der abgetrennte Dampf duroh die Leitung 604 sur Mischvorrichtung 606 geleitet wird. In dieser Weise läßt sloh der Kreislauf für eine beliebige Anzahl von MHD-Generatoren einrichten. ' «

Figur 12 zeigt eine bevorzugte Auefuhrungsform einer .Zweiphasen~ MHD-Maechine mit einer Trennvorrichtung in einer Anordnung , die eine praktische Ausführungsform für Raumflug, Unterwasser-und Flugzweoke darstellt. In dieser Figur sind so weit wie möglich die in den Figuren 4 und 9 verwendeten Besugssiffern für gleiche Bauteile gewählt. Man erkennt, daß der grüßte Teil der Kraftanlage von Figur 12 innerhalb des Masohinengehäuses 81 unterge-

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bracht ist, waches einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und konzentrisch zur Achse 83 verläuft. Sem Strömungsmittel wird in einem geschlossenen Kreis 11 Wärme zugeführt ,und zwar in einer wärmequelle 12, die als Kernreaktor ausgebildet seilt kann* der Stirnteile 13 und 15 umfassen kamt; die durch Hohlrohre 17 miteinander rerbusdeB siad, durch welche da* Strttel hiu durohgelangext kann. Die freies Bit»» swiscaea den Bohren 17 «üsS mit spaltbaren festen Stoffen 19 angefüllt_r welche cureli Kernreaktion Vlrae erzeugen und 41· Wind« der Hohre 17 erhitzen, wo- -dursh wiederum das hindurehilieSettde StrOttel erhitzt wird. Dieses gelangt nach Verlassen der Yärateqisell· 12 teilweie· τ«γ-dampft in die Strömungskonditlonienrorriohtung 14a und durchquert die homogen perforiert· Platte 21, die dazu dient, eine homogene Hieohung der Strömung au «rse«sgen» und wird daxm in der Zweiphasendüse Hb beschleunigt,um der homogenen Dampf-Flüssig·* keltsmiechung eine hohe Geschwindigkeit su verleihen. Die hochgeschwinde Mischung durchquert dann die Trannvorriolitung 16, worin Dampf und Flüssigkeit in ein· dampf reiche und in eine flüssigkeitsreiche Mischung getrennt werden und der dampfreiohe Teil dann durch den Diffusor 18 sun Xondeaeor 20 gelang? ί von wo aus er durch die Leitung 23 but Dttae 22.JTlIeSt und -von hier aus in den Mischer 24 eintritt. Dia Tätigkeit des Mi»oh*rs 24 besteht darin» einen Teil dee Dampfes aus der f.lüaaigkeitereic!ien Mischung von der Düse 14b mit dem kühleren Kondensat «tue der Düae 22 cu mischen, um den Dampf zu verflüssigen und damit den I¹ iüasigkeiterelchtum der Mischung su vergrufiern. Die flüeeigkeits-

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reiche Mischung gelangt dann durch den Diffusor 26, wo eie verflüssigt wird, und von dort durch den MHD-Generator 30» Von hier aus gelangt sie zur Wärmequelle 12 zurück.

Zweiphasen-MHD-Maeohine nit Strahlpuapsystem

Der Strahlpumpenkreislauf let «la Zweiphasen-StröaungsMlttel-Kreislauf und wird im Folgenden beschriebenen bei einer Zwei·* phaeen-MHD-KrafterBeugungeanlage mit geschlossenem leitungskreis.

Figur 13 stellt «ine sohematiscne issiont einer Strahlpunpen-

dar, wobei die einseinen Bauteile

geselgt sind, aus denen das Syetea bestellt· Man erkennt in dieser Figur den ersten Leitungskreis 159 des Systems, der aus einer Wärmequelle 160, einer Ströaungekonditionierrorrichtung 162» einem Strahlpumpenbereioh 164 und einem MHD-Generator 166 beisteht . Der Wftrmeentnahmeleitungskrels 161 (sweiter Kreis) umfaßt die YOrmeentEUgsTorrichtung 168, eine Düse 170, einen Diffusor 172 und einen «weiten Diffusor 180.

Wirkungsweise des Strahlpompensyeteme

lach Aufnahme τοη Energie in der Wärmequelle 160 gelangt das in des geschlossenen Leitungskreis 11 befindliche Arbeiteetrömungsmittel, welches s.B. Kalium oder eine der oben erwBhnten Strömungs mittel oder Mischungen sein kann, in die StrSeungskonditionier vorrichtung 162 als gesättigte flüssige oder Zweiphasenmieohung

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mit niedrigem Dampf anteil. Die Strömungskonditioniervorrit^tsmg 162 erseugt eine Zweiphasen-Dajnpf-Flüssigkeitemiechung» ±a&sm das gesättigte flüssige Metall verdampft wird. Die aus der Konditioniervorrichtung 162 austretende 2weiphaßenalaciiU£g tritt in die erste Düse 174 ein, wo sie sich ausdehnt* wobei thermodynamische in kinetische Energie tungewandelt wird« so daß si oh eine hohe Geschwindigkeit ergibt. Auf diese boch£e»cliwln£e Zvisiphasenmischung trifft in der Mischvorrichtung 176 imierkUhltes flüssiges Metall aus einem zweiten Leitungskreis» Die in den Mischer 176 eintretende unterkühlte Flüssigkeit"«&& durch die hoohgesohwinde Strömung aus der ersten Döjm* beschleunigt, wenn sie sich mit dieser vermlsoht. Wlhrend der Y«rai~ schung der unterkühlten Flüssigkeit mit der Zwelphasenmiechimg kondensiert erster β einen Teil des Dampfe· und Terringert den. Danspfgehalt der Mischung, so daß daduroh der PiUssigkeitogehalt steigt. Sie sich ergebende Kischung durchquert dann des Diffusor 172, wo sie genügend zerstreut wird, um den reatliohen Dampf sni kondensieren und damit eine hochgeschwinde KLüselgkeitsetrUBung zu erzeugen. Die Strömung wird dann aufgeteilt, wobei ein Teil der Flüssigkeit in den MHD-Generator 166 eintritt und der Rest in einen zweiten Leitungskreis gelangt, wo er In dem Diffusor 180 zerstreut, in der Wärmeentnahmevorrichtung 168 gekühlt und in die zweite Düse 170 zurückgeführt wird. Bei dem MHD-Oenerator 166 wandelt das in diesem hergestellte magnetische PeId die kinetische Energie des Strömungemittels in elektrische Energie um. Die den MHD-Generator verlassende Flüssigkeit kehrt su der

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Wärmequelle 160 surück, so daß der Kreislauf geschlossen 1st.

14 «eigt das Teaperatur-Entropie -Phaeendiagramm dta Strahlpumpenkrelses, wobei dl· Buchstaben dl· entsprechenden Xnattade der alt den fleiohen Buchstaben bemeiohneten Stellen la figur 13 angeben.

ttgor 15 seigt den Kreislauf einer 5 Nw Stroaerseugungsaiilafe alt 8t:rahlpuapenkreislauf unter Tervendung ton IaIIm al·

Tigar 16 seigt ein andere· StrahlpuBpeneyatea, welohea τοη dem la ?igur 13 dargestellten darin abweicht, daß der Diffusor 180 fortgelassen ist und daß das den MHD-Generator 166 durchstr&sende Stromungsalttel stromab derart avf gespalten wird* daß ein erster Seil an die Wärmequelle 160 gelangt» wfihrend der zwelta feil durch die Leitung 181 su der VErmeentnahBeTorrichtung 168 fließt. Bei dieser abgeänderten Ausführungsform wird die tfarmeentnahmevorrichtung 168 alt nüsslglteit τοη geringerem Druck Taeaufschlagt, so daß die alt der nüeelgkeltekühlimg auftretenden Frobleae weniger schwierig sind· Sie Anlage geaäß Figur 13 hat jedoch demgegenüber den Vorteil, daß eine hoch- _ geschwinde flüseigkeit in der MlsohTorrlohtung 176 wünschenswerter 1st, da sie eine größere Energieerhaltung gewährleistet.

Das Strümungsschema des Strahlpumpenkreislaufs but Verwendung

bei Baumflugbedingungen ist in ?igur 17 dargestellt. Diese seigt

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einen Kernreaktor 190, eine Wärmequelle 160 und eine Elektropumpe 192» die Teile de· geschlossenen leitungskreis·· 194 sind, in dem flüssig·· Metall «trCat. Di···· kann s.B. Lithiu» eein. In dem leitungekr·!· 194 fördert dl· Elektropumpe 192 flüssig·· Metall duroh den Reaktor 190» worin dl···· aufgeheilt nird> unl •odann duroh die Heizvorrichtung 160, In der die Wärme de· flüeeigen Metall· auf da· Arbeitemittel in dem geschlossenen Leitungskreis 196 (MHD-Leitungekrei·). DeeStrBmungemittel in diesem Leitungskreis wird in der Heilvorrichtung 160 er hi tat und gelangt als yiUseigkeite-Dampfmieohung, d,h. als Zvelphasen** * lcohung ,in die Strumungskonditioniervorriehtung 198, dl· die Strömungskonditioiiiervorriohtung 162 und «Ine erste Du·· 1.34 der Anlage nach Figur 13 umfassen kann, ·ο daß die sweiphaeige Str&mmgsmittelmisohung mit hoher Geschwindigkeit in die Mischvorrichtung 176 eintritt· Zur gleichen Zelt wird au· der Düse austretende gekühlte Flüssigkeit sich mit der Zweiphasenmischung in der Mischvorrichtung 176 vermischen. Sie Flüssigkeit aus der Düse 170 ist deshalb gekühlt, weil das aus dem MHD-Generator austretende StrSmungsmittel durch dl· nhlforriohtung 200 gelangt. Diese ist Teil des geschlossenen Leitungakreieee 202, der auch einen Radiator 204 und eine Elektropumpe 206 umfafit, womit das flüssige Metall, s.B· Va, K, duroh den Baumradiator gepumpt wird, in den es sich abkühlt,und sodann duroh die KühlTorrlehtusg 200, in der ββ zur Kühlung der Flüssigkeit in dem MHD-System verwendet

• ·* wird, welche von dem MHD-Generator 166 sur Düee 170 gelangt·

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Die Mischung gelangt nach Verlassen der Mischvorrichtung 176 in den Überschalldiffusor 172 und tritt aus diesem als metallene Flüssigkeit aua_r die durch den MHD-Generator 166 strömt, eo daß in diesem thermodynamisehe kinetische Energie der hochgeschwinden Flüssigkeit in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Nach Durchqueren des MHD-Senerators 166 gelangt ein Teil der Flüssigkeit durch die Kühlvorrichtung 200 während der Best derselben durch die Heizvorrichtung 160 gelangt«

Das in Figur 21 dargestellte Auefuhrungsb«lspiel unterscheidet sich Ton dem nach Figur 17 dadurch, daß eine schaufelblattloee Turbopumpe 80 mit der Strömun^^lconditionierTorrichtttng 198 «u~ sammenwirkt. In der sohaufelblattlosen Turbopumpe 80 wird die Energie des antreibenden Dampfes durch die Pumpwirkung auf die angetriebene Flüssigkeit übertragen und ergibt so eisen wirksameren Prozeß. Eine vollständige Beschreibung eines Schaufelblattlosen Kompressors oder einer Turbine 80 ist in der VSA Patentschrift Hummer 3 046 732 gegeben· In den Figuren 17 und 21 sind vergleichbare Bauteile mit gleichen Besugeasiffern versehen.

Figur 22 zeigt eine praktische Ausführungsform einer Zweiphasen-MHD-Mas chine unter Verwendung eines Strahl^mpsjeteme, welche anwendbar ist für Flugzwecke, Weltraumflug, Unterwasserantri&b und andere Arten von Kraftanlagen. In den Figuren 13 und 22 sind gleiche oder gleichwertige Bauteile mit gleichen Besugsslffern versehen. Die Aiisführungaform gemäß Figur 22 umfaßt ein Ma-

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sehinengehäuee 171 mit kreisförmiger Quere chnittaforii und konssentrischer Lage zur Achse 173« Das HeizstrBaungemittel aus der Värmöguelle 160 tritt im, die StrÖmuBigslconditioniervorrichtung 162 ein und vird in der Düse 174 beschleunigt und sodann in dem Mischer 176 mit der gekühlten Flüssigkeit aus der zweiten Düse 170 vermischt. Die gekühlte Flüssigkeit vird der zweiten Düse 170 aus der Kühlvorrichtung 168 KUgabltet* welche Flüssigkeit zum Kühlen des MHD-Generators 166 durch den Diffusor 180 zugeführt bekommt. H&ch Vormischen alt dsr gekühlten Flüssigkeit aus der Düse 170 in des Maoher 176 gelangt die flüsslgkeitsreiche Kiechurg in den Diffusor 172. Die aus diesem austretende Strömung vird so aufgespalten» daß ein 5ell derselben durch den rlngfBnnigen Durchtritt 300 dee KKD-Oönerators 166 gelangt» während der Best durch einen zweiten Diffusor 100 zu der Wärmeentnahiaevorrichtung 168 gelangt.

Die Erfindung ist natürlich nicht auf die Torhergehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschrankt, sondern kann im Rahmen des allgemeinen Erfindungsgedankene mannigfaltig abgeändert der anders auegeführt werden·

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Claims

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entansprüche

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ι 1_V Krafterzeugungsanlage ohne bewegliche Teile, mit einem

selbstpumpenden, Bchwerkraftunabhängigen Kreislauf eines zweiphasigen, einzigen Arbeitsströmungsmittels, gekennzeichnet durch einen geschlossenen Leitungskreis für das Strömungsmittel mit einer Heizvorrichtung zum Zuführen thermodynamischer Energie, um das Strömungsmittel zwecks Bildung einer Flüaeigkeite-Dampf Mischung teilweise zu verdampfen, mit einer Beschleunigungevorrichtung zum Aufnehmen der Mischung und zum Umwandeln von deren thermodynami β ciier Energie in kinetische Energie, um die Mischung auf eine hohe Geschwindigkeit zu beschleunigen, mit einer Vorrichtung zum Erhöhen des Flüsaigkeiteanteils der Mischung, um eine hochgeschwinde Flüssigkeit zu erzeugen, und mit einer Arbeitsentnahmevorrichtung, durch die die hochgeschwindβ Flüssigkeit hindurchgeschickt wird, um deren Energie in eine andere, nutzbare Energieform umzuwandeln*

2. Krafterzeugungsanlage nach Anspruch «, dadurch gekennzeichnet, daß das einzige Strömungsmittel eine einzige Mischung von Strömungsmitteln bildet.

3. Krafterzeugungeanlage nach Anspruch 1 oder 2, daduroh gekennzeichnet, daß ein im flüssigen Zustand elektrisch leitendes Strömungsmittel gewählt 1st.

4. Kraftorzeugungsanlage nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß als Strömungsmittel Quecksilber, Kalium, Caesium, Natrium, Rubidium, Lithium oder eine Kombination derselben verwendet ist. Οηοαιη/Λ^/ Ο

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5« Xrafterfseugungsanlage nach. Anspruch 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Energieumwandlungsvorrichtung einen magneto - hydrodynamischen Generator bildet,

6. Kraftersseugungsanlage nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieum\^ndlungsvorrichtung eine hydraulische Turbine bildet»

7 ο Krafterzetigungsanlago n&oh, Anspruch 1. bis 6, dadurch gekennzeichnet, daS di@ Vorrichtung zum ^höhen dea Flüssigkeits- ©ntsile der Mischung eine Flüssigkeit© - Dampf Trennvorrichtung umfaßt „im eine -flUssigkeitereiche uai eins dampf reiche hoohgeschwindsi Strömung herzustellen, di© die frennTorrio&tasg getrennt verlassen»

8. Krafterzeugungsanlage nach Anspruch 1 bis ?_s dadurch

gekennzeichnet, daß die Vorrichtung sum !Erhöhen des Flüsaigkeitoajiteils der Miaciiung eine ¥ärmeentnahm©Torricatung umfaßt, um den Dampf der Mischung zn kühlen und wanigat©ns einen Teil desselben su

9» !raftergeuguagsanlage nach Anspruein 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß di© BeschleünigunggTörrichtung als DUee von vorsugaweise konvergierend- divergierender Gestalt ausgebildet ist,

10. Krafterseugungsanlage nach Anspruch 1 bis 9, dadurch. gekennzeichnet» daß ein erster LeitungßEUg vorgesehen iat', der die dampfreiche Mischung aufnimmt"und einen Diffusor, eins Wärmeentnahmevcrrichtung sowie eine Düse uiafaflt, Mm die

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dampf reiche Mischung zu kühlen und zu verflüssigen, so daß eine kalte Flüssigkeit mit hoher Geschwindigkeit erzeugt wird, daß ein zweiter Leitungszug vorgesehen ist, der die hochgeschwinde, flüsBigkeitsreiche Strömung von der Trennvorrichtung zur Mischvorrichtung führt, in der sie mit der hochgesohwinden, kalten Flüssigkeit aus dem ersten Leitungszug homogen vermischt wird,um eine hochgeschwinde, flüssigkeitsreiche Mischung zu erzeugen, und daß ein Überschalldiffusor vorgesehen 1st, der die an der Mischvorrichtung austretende hochgeschwinde flüseigkeitsreiche Mischung aufnimmt und deren Flüssigkeitsanteil weiter erhöht.

11. KrafterzfiUgungeanlage nach Anspruch 10, dadurch gekonnzeichnet, daß der erste Leitungazug, der mit der Trennvorrichtung verbunden ist, eine Vorrichtung zum Verflüssigen der dampf reichen Mischung und zum Zurückführen der verflüssigten Mischung in die HeiζVorrichtung aufweist.

12. '/rafterzeugungeanlage naca Anspruch 11, dadurch gekenn- zeicheΛ, daß der erste Leitung (zug eine Pumpe umfaßt, durch die die gekühlte Flüssigkeit in die Heizvorrichtung zurückgefördert wiri.

13* Krafterzeugungsanlage nacfc Anspruch 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß der geschlossene Leitungskreis einen ereten Leitungskreis m.t einer Wärmequelle, einer Strömumgskonditioniervorrichtung, eii er ersten Düse, einem Mischer, einem Überschalldiffusor und Girier Arbeitsentnahiuvorriohtung umfaßt sowie

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einen zweiten Leitungskreis mit einer Mischvorrichtung und einem Diffusor, einer Wärmeentnahmevorrichtung sun Kühlen eines Teiles der flüssigkeit und zum Erzeugen einer verhältnismäßig niedergeschwinden gekühlten flüssigkeit, und mi-fc einer zweiten Düse zum Beschleunigen der gekühlten Flüssigkeit und zum liefern eines hoohgesohwlnd«fi Eü&laitt·!» an di· Mischvorrichtung.

14. Kraft er zeugungsanlage nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Leitungskreis.«inen zweiten:Diffusor umfaßt, der einen Teil der hochgeeobwindtn flüssigkeit aufnimmt und die Geschwindigkeit derselben verringert. '-

15. Krafterzeugungsanlage nach Anspruch 13, dadurch gekenn- ^r zeichnet, daß eine Vorrichtung zum Aufteilen der Ausgangs-" -_: . ' strömung der Kraftentnahmevorriehtimg Torgeeehtn ist, wobei V* S ein Teil der Plüasigkeit an dl· Heizvorrichtung und «In anderer Teil der Flüssigkeit an die Wärneentnahmevorrichtung geleitet wird.

16. Kraft er zeugungsanlage naoh Anspruch 10 bis 15, Insbesondere für die Verwendung im Weltraum, dadurch gekennzeichnet, dafi dl· Strömungs-Konditioniervorrlchtung an die HelBTorrlchtung angeschlossen ist und von dieser eine ?lüs*lgkelte-Dampfnleohung aufnimmt und letztere homogenisiert, daß ein Kondensor vorgesehen ist zur Kühlung und Verflüssigung der dampf reichen Mischung, und daß Einrichtungen zum Heizen der Heizvorrichtung und zum Kühlen des Kcndenaors vorhanden sind.

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17· Krafteraeugungsanlage nach Anspruch 16, dadurch gekenn·· ■•leimet, dal die Einrichtung sum Erwärmen der Heizvorrichtung •inen geschlossenen flüssigmetall - Kreislauf umfaßt alt einer Pumpe und einem Kernreaktor, und daß die Einrichtung sum JCühltn dee Kondensors einen geeohloesenen flüssigmetall - Kreislauf mit eines Bam - Radiator tad einer Pumpe umfaJt.

18. KrafterBeugungsanlage nach Anspruch 16 oder 17» daduroh gekennzeichnet, dad die Strömungskonditlonlervorrlchtung eine sohaufelblattlose Turbopumpe umfaßt.

19· Krafteraeugungeanlage nach Anspruch 1 bis 18, daduroh i

! gekennzeichnet, dad eine Anaahl Krafterseugungseinheiten in . j

Beihe miteinander verbunden Bind. ' ;

20· Krafter Beugungeanlage nach Anspruch 16 oder 17» daduroh ; gekennzeichnet, dnß die Ströaunge - Konditionleitvorrichtung, die Besohleunjgungedüee, die Misohvorrlchtung, der überachalldiffueor und die Arbeit entnahmevorrichtung in einem Gehäuse mi tr "kreisförxDigem Querschnitt in axialer Ausrichtung angeordnet sind.

21. Verfahren zum ErBeugen einer nutzbaren Kraft unter Verwendung *

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eines Strömungsmlttela, dadurch gekennzeichnet, daS eine einsige ί

Flüssigkeit oder PlüesigkeitsmiBohung teilweise verdampft wird, um ' eine ZweiphasenHlaohung zu ereeugen, daS diese Hieohung auf eine ..) hohe aeechwlndigkeit beschleunigt wird, daß der Fltteelgkeltaanteil |

der Miechung eur Er Beugung einer ho chge schwinden flüssigkeit rergrös-

eert wird, und daß dieser die nutebare Arbelt entaoeaen* wird. ,

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