DE1601111B2

DE1601111B2 - POWER PLANT WITH A HEAT SOURCE TO VAPORATE A LIQUID, WITH A RELAXATION JET FOLLOWING THE HEAT SOURCE

Info

Publication number: DE1601111B2
Application number: DE1967L0057848
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1967-11-10
Filing date: 1967-11-10
Publication date: 1976-10-28
Also published as: DE1601111A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftanlage mit einer Wärmequelle zum Verdampfen einer Flüssigkeit, mit einer der Wärmequelle nachgeschalteten Entspannungsdüse, einer an diese unmittelbar anschließenden Kondensationsstrecke und nachfolgender Strahldüse, deren Strahl in eine Kraftmaschine eingeführt wird, wobei die Flüssigkeit regenerativ durch das Arbeitsmittel vorgewärmt wird und das Arbeitsmittel in der Entspannungsdüse zweiphasig ist.The invention relates to a power plant with a heat source for evaporating a liquid with one of the expansion nozzles downstream of the heat source, one that is directly connected to it Condensation section and subsequent jet nozzle, the jet of which is introduced into a prime mover, wherein the liquid is preheated regeneratively by the working fluid and the working fluid in the Relaxation nozzle is two-phase.

Bei einem thermodynamischen Antrieb wird Wärmeenergie durch Entspannung eines Gases oder Dampfes in einer Düse in kinetische Energie umgewandelt. Die Endgeschwindigkeit des Arbeitsmittels vor der Kondensation ist durch den thermodynamischen Zustand vor und nach der Entspannung festgelegt. Die Endgeschwindigkeit steigt mit zunehmendem thermodynamischen Wirkungsgrad des Beschleunigungsprozesses an. Da man immer einen hohen Wirkungsgrad anstreben wird, ist bei dieser einfachen Antriebsart also mit einer verhältnismäßig hohen und nicht durch andere Parameter verlustfrei regulierbaren Endgeschwindigkeit zu rechnen. Wird andererseits dem Antrieb ein Energiewandler nachgeschaltet — beispielsweise ein MHD-Generator — so liegt dessen maximaler Wirkungsgrad meistens bei kleinen Geschwindigkeiten. Bei einem MHD-Generator darf die Geschwindigkeit des Arbeitsmittels nicht zu groß sein, da sonst Reibungsverluste den Gesamtwirkungsgrad der Anlage erheblich herabsetzen. Das aufgezeigte Problem besteht zusammengefaßt darin, den Gesamtwirkungsgrad einer aus Antrieb und Wandler bestehenden Anlage, der sich als Produkt aus dem thermodynamischen Wirkungsgrad des Antriebs und dem Wirkungsgrad des Wandlers ergibt, auf ein Optimum einzustellen.With a thermodynamic drive, heat energy is generated by expanding a gas or Steam is converted into kinetic energy in a nozzle. The final speed of the work equipment before the Condensation is determined by the thermodynamic state before and after relaxation. the The final speed increases with the increasing thermodynamic efficiency of the acceleration process at. Since you will always strive for a high degree of efficiency, this is the case with this simple type of drive with a relatively high final speed that cannot be regulated losslessly by other parameters to be expected. If, on the other hand, an energy converter is connected downstream of the drive - for example one MHD generator - this is how its maximum efficiency is mostly at low speeds. at With an MHD generator, the speed of the work equipment must not be too high, otherwise friction losses considerably reduce the overall efficiency of the system. The problem shown exists in summary therein, the overall efficiency of a system consisting of drive and converter, which turns out to be Product of the thermodynamic efficiency of the drive and the efficiency of the converter results to adjust to an optimum.

Für eine erste Lösung dieses Problems wurde bereits früher vorgeschlagen, eine Zweiphasenströmung, die durch Zumischen von flüssigen Tröpfchen in eine gasförmige Phase des gleichen Stoffes hergestellt wurde, zur Entspannung zu bringen. Bei der Entspannung der Gasphase wird ein Teil der kinetischen Energie auf die Flüssigkeit übertragen, so daß deren gemeinsame Endgeschwindigkeit kleiner ist als die theoretische Endgeschwindigkeit der reinen Gasphase. Durch die Beladung einer Gasströmung mit Flüssigkeitströpfchen ist es somit möglich, die Endgeschwindigkeit des Arbeitsmittels zu verkleinern bzw. zu variieren. Gemäß des-Vorschlages nach AEG-Sonderdruck 6335.503 HE/Fl-B vom April 1967 wurde diese Art der Entspannung in mehreren, hintereinandergeschalteten Stufen vorgenommen, wobei die Kondensation in der letzten Stufe stattfand. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß der thermodynamische Wirkungsgrad dieses Prozesses gering ist und durch zwei Arten von Verlusten erheblich vermindert wird. Ein Teil dieser Verluste wird durch den Stoß zwischen der ursprünglich schnellen Zweiphasenströmung und der zugemischien Flüssigkeit bewirkt. Diese Art der Verluste sind grundsätzlicher Art und nicht zu vermeiden. Die Verluste werden weiter dadurch erhöht, daß die Temperatur der zugemischten Flüssigkeit niedriger als die der Zweiphasenströmung ist.For a first solution to this problem, a two-phase flow that produced by mixing liquid droplets into a gaseous phase of the same substance was to bring relaxation. When the gas phase is expanded, part of the kinetic Transferring energy to the liquid, so that their joint final velocity is smaller than that theoretical final velocity of the pure gas phase. By loading a gas flow with liquid droplets it is thus possible to reduce or increase the final speed of the working medium vary. According to the proposal according to AEG special print 6335.503 HE / Fl-B from April 1967 this type of relaxation was implemented in several, one behind the other Made stages, with the condensation taking place in the last stage. The downside to this Method is that the thermodynamic efficiency of this process is low and through two types of loss is significantly reduced. Part of these losses is due to the shock between the originally rapid two-phase flow and the admixed liquid caused. This kind of Losses are of a fundamental nature and cannot be avoided. The losses are further increased by that the temperature of the admixed liquid is lower than that of the two-phase flow.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen thermodynamischen Antrieb anzugeben, der unter Vermeidung der o. g. Verluste eine kleine Endgeschwindigkeit des Arbeitsmittels liefert.The invention is based on the object of specifying a thermodynamic drive that under Avoidance of the above Losses deliver a small final speed of the work equipment.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einer Kraftanlage der eingangs angegebenen Art durch die Kombination folgender Merkmale gelöst:This object is achieved according to the invention in a power plant of the type specified by the Combination of the following features solved:

a) Die regenerative Vorwärmung der Flüssigkeit erfolgt an der Außenoberfläche des Mantels der Entspannungsdüse.a) The regenerative preheating of the liquid takes place on the outer surface of the jacket of the Relaxation nozzle.

b) Die vollständige Kondensation des entspannten zweiphasigen Arbeitsmittels erfolgt durch Wärmeübertragung an einen in die Kondensationsstrecke eingeführten, freien, konvergenten, kegelförmigen Hohlstrahl der Flüssigkeit, der das zu kondensierende zweiphasige Arbeitsmitte! umschließt. b) The complete condensation of the relaxed two-phase working medium takes place through heat transfer to a free, convergent, conical one introduced into the condensation section Hollow jet of the liquid, which is the two-phase working center to be condensed! encloses.

Der hierdurch erzielte technische Fortschritt besteht in folgendem:The technical progress achieved in this way consists of the following:

Die durch den Wärmeaustausch bewirkte Verminderung der Enthalpie der aus Tröpfchen und Dampf bestehenden Zweiphasenströmung in der Düse macht sich grundsätzlich in einer Abnahme der kinetischen Energie im Vergleich zur isentropen Entspannung bemerkbar. Die Maßnahmen gemäß der Erfindung ergeben aber den Vorteil, daß der Wirkungsgrad des Clausius-Rankine-Prozesses, wie er ohne die Vorwärmung des flüssigen Arbeitsmittels ablaufen würde, verbessert wird. Durch die Maßnahmen der Erfindung findet eine Carnotisierung des Clausius-Rankine-Prozesses statt, was darin zum Ausdruck kommt, daß der Wirkungsgrad nur noch von der oberen und unteren Arbeitstemperatur und nicht mehr von der Größe der Arbeitsfläche, die im Entropie-Temperatur-Diagramm auftritt, abhängt. Da die Arbeitsfläche proportional zum Quadrat der Endgeschwindigkeit ist, würde bei einem Clausius-Rankine-Prozeß, in dessen Wirkungsgrad auch die Größe der Arbeitsfläche eingeht, bei einer gewünschten kleinen Endgeschwindigkeit ein schlechter Wirkungsgrad erhalten werden. Man kann also die Arbeitsfläche so durch die anfängliche Verdampfung einstellen, wie es aus Gründen der Endgeschwindigkeit erforderlich ist. Auf diese Weise wird ein großer Massenstrom auf eine kleine Endgeschwindigkeit beschleunigt, somit ein Stoffstrom hoher EnergieThe reduction in the enthalpy of the droplets and steam brought about by the heat exchange existing two-phase flow in the nozzle basically results in a decrease in the kinetic Energy noticeable compared to isentropic relaxation. The measures according to the invention but give the advantage that the efficiency of the Rankine process, as he would without the preheating of the liquid working medium would run off is improved. By the measures of the invention a Carnotization of the Clausius-Rankine process takes place, which is expressed in the fact that the Efficiency only depends on the upper and lower working temperature and no longer on the size of the Working area that occurs in the entropy-temperature diagram depends. Since the working area is proportional to the The square of the final velocity would be in a Clausius-Rankine process, in its efficiency as well the size of the work surface is a factor, with a desired low top speed a worse one Efficiency can be obtained. So you can make the work surface like this through the initial evaporation set as required for reasons of the top speed. That way it becomes a great one Mass flow accelerated to a small final speed, thus a material flow of high energy

erhalten.obtain.

Für einen guten Wirkungsgrad des Wärmeaustausches ist ein guter Wärmeübergang von der Zweiphasenströmung über den Mantel der Düse zu der zu erhitzenden Flüssigkeit notwendig. Es hat sich gezeigt, daß die Verwendung von Alkalimetallen wie z. B. Kalium oder Natrium als Arbeitsmittel besonders vorteilhaft ist.For a good efficiency of the heat exchange, a good heat transfer from the Two-phase flow through the jacket of the nozzle to the liquid to be heated is necessary. It has shown that the use of alkali metals such as. B. Potassium or sodium as a working medium especially is advantageous.

Anhand der Figur soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert werden. Aus der Wärmequelle 9, beispielsweise einem Reaktor, tritt die überhitzte Flüssigkeit 1 in die konvergent-divergente Entspannungsdüse 7 und wird im ersten Drittel in eine aus Tröpfchen und Dampf bestehende Zweiphasenströmung 3 übergeführt; dadurch wird das Verdampfen im Reaktor vermieden. Die zu erwärmende Flüssigkeit 1 gelangt an der Stelle 4 an einen die Düse umgebenden Mantel 11 und von dort in einen Sammler 8 für die vorgewärmte Flüssigkeit. Mit 5 ist der Einlauf für die unterkühlte Flüssigkeit bezeichnet, die in der Kondensationsstrecke 10 in Form eines Hohlstrahles 2 dieAn exemplary embodiment of the invention is to be explained with the aid of the figure. From the heat source 9, for example a reactor, the superheated liquid 1 enters the convergent-divergent expansion nozzle 7 and turns into a two-phase flow consisting of droplets and steam in the first third 3 transferred; this avoids evaporation in the reactor. The liquid to be heated 1 arrives at point 4 to a jacket 11 surrounding the nozzle and from there into a collector 8 for the preheated liquid. The inlet for the supercooled liquid is denoted by 5, which is in the condensation section 10 in the form of a hollow jet 2 the

ίο Kondensation des dampfförmigen Anteils der Zweiphasenströmung 3 bedingt, so daß an der Strahlaustrittsstelle 6 ein reiner Flüssigkeitsstrom vorliegt.ίο Condensation of the vaporous part of the two-phase flow 3 conditional, so that there is a pure liquid flow at the jet exit point 6.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Power plant with a heat source for vaporizing a liquid, with one of the heat sources downstream expansion nozzle, a condensation section immediately following this and a downstream jet nozzle, their jet is introduced into an engine, wherein the fluid is regenerative by the working medium is preheated and the working fluid in the expansion nozzle is two-phase, characterized by the combination of the following Characteristics:

a) the regenerative preheating of the liquid

(I) occurs on the outer surface of the jacket

(II) the expansion nozzle (7),

b) the complete condensation of the relaxed two-phase working medium (3) takes place through Heat transfer to a free, convergent, conical hollow jet (2) of the liquid, which is the two-phase to be condensed Work equipment (3) encloses.

2. Power plant according to claim 1, characterized in that that the working fluid is an alkali metal.