DE1902259A1

DE1902259A1 - Waermezyklus-Kraftmaschine und Verfahren zu ihrem Betrieb

Info

Publication number: DE1902259A1
Application number: DE19691902259
Authority: DE
Inventors: Geoffrey Coast; Vernon Morgan
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1968-01-19
Filing date: 1969-01-17
Publication date: 1969-09-04
Also published as: CH496881A; GB1245971A; FR2000448A1

Description

PATENTANWALT

DIPL-ING. ERICH SCHUBERT 1902259 TeW_0n=(O₂₇I)₃₂₄O₉

Telegramm-Adr.: Patschub, Siegen Postscheckkonten: Köln 106931, Essen ₂03 62 Bankkonten: Deutsche Bank AG.,

Abs.: Patentanwalt Dipl.-Ing. SCHUBERT, 59 Siegen, Eiserner Straße 227 Filialen Siegen υ Oberhausen (RhId)

Postfach 325

69 024 Fl/Schm 16. Jan. 1969

United Kingdom Atomic Energy Authority, 11, Charles II Street, London, S.W.1, England

Pur diese Anmeldung wird die Priorität aus der britischen Patentanmeldung Nr. 3127/68 vom 19. Januar 1968 beansprucht.

Wärmezyklus-Kraftmaschine und Verfahren zu ihrem Betrieb

Die Erfindung bezieht sich auf Wärmemaschinen-Zyklen bzw. Wärmekraftmaschinen-Kreisläufe /heat engine cycles/ und betrifft insbesondere Verfahren für die Übertragung von Wärme durch ein komprimierbares Medium von einer Wärmequelie, wie beispielsweise einem Kernreaktor, nach einer Wärmeumwandlungseinrichtung, wie beispielsweise einer Gasturbine.

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Thermische Wirksamkeiten der Größenordnung von 40 fo können in einem geschlossenen Kernreaktor-Gasturbinenzyklus erreicht werden, aber ein solch hoher Wirkungsgrad hat Kompliziertheit in der Konstruktion zur Folge. Im Grunde "besteht ein geschlossener Kernreaktor-Gasturbinenzyklus-Kreislauf aus einem Kompressor, der Wärmeabgabeseite eines regenerativen Wärmeaustauschers, dem Kernreaktor, der Gasturbine, der Wärmeeingabeseite des regenerativen Wärmeaustauschers und einer Wärmerejektionseinrichtung, die mit dem Kompressor verbunden ist„ Es ist eine Drucklimitation am Zyklus vorhanden, die durch den Kernreaktor gegeben ist, und dieser Begrenzung muß man in irgendeiner Weise entgehen, falls ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden soll. Der übliche Weg besteht darin, die höchstmögliche Wärmekonversion in der Gasturbine zu erreichen, dann die höchstmögliche Wärmeübertragung im regenerativen Wärmeaustauscher, so daß der k"3instmögliche Betrag von Wärme der Wärmerejektionseinrichtung übermittelt wird, und dann zu versuchen, so viel der abgewiesenen Wärme rückzugewinnen wie möglich. Ein Verfahren der Rückgewinnung besteht darin, eine separate thermische Maschine als Wärmerejektionseinrichtung zu benutzen; beispielsweise könnte die Wärmerejektionseinrichtung eine Dampferzeugungseinrichtung sein, die eine weitere Turbine treibt, und ein geeignetes Arbeitsmedium für einen gegebenen Fall kann aus dem Programm der "FEEON" (eingetragenes Warenzeichen) Wärmeübertragungsmedien ausgewählt werden.

Erfindungsgemäß weist ein Wärmemaschinenzyklus bzw. ein Wärmezyklus-Verfahren für die Übertragung von Wärme mit Hilfe eines komprimierbaren Mediums von einer Wärmequelle, wie beispielsweise einem Kernreaktor, nach einer Einrichtung, die Wärme in mechanische Energie umwandelt,

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wie beispielsweise eine Gasturbine, hintereinander eine Kompressionsstufe, eine regenerative Wärmeaustauscherstufe der Erwärmung, eine Erwärmungsstufe in der Wärmequelle, eine Wärmeumwandlungsstufe in der Konversionseinriehtung, eine Kühlstufe, in der Wärme nach der regenerativen Wärmeaustauscherstufe Übermittelt wird, sowie eine Wärmenutzungsstufe auf, welcher oder welches dadurch gekennzeichnet ist, daß die Betriebskonditionen so gewählt sind, daß die Wärmeumwandlungsstufe und die Wärmenutzungsstufe individuell eine thermische Wirksamkeit von mehr als 20$ aufweisen.

Bei einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Kernreaktor geschaffen, der eine Geschlossen-Zyklus-Gasturbine, wobei ein gasformiges Kühlmittel von einem Kompressor durch eine Wärmeabgabeseite eines regenerativen Wärmeaustauschers hindurch geleitet wird, Kühlmitteldurchgänge bzw, -durchlässe durch den Reaktor hindurch, eine Gasturbine, die Wärmeeingabeseite eines regenerativen Wärmeaustauschers sowie eine Wärmenutzungseinrichtung aufweist, und dadurch gekennzeichnet ist, daß die Betriebskonditionen so gewählt sind, daß die Gasturbine und die Wärmenutzungseinrichtung individuell einethermische Wirksamkeit von mehr als 20$ aufweisen.

Typisch besteht die Wärmenutzungseinrichtung aus einem Wärmeaustauscher, der benutzt wird, um Wärme vom gasförmigen Kühlmittel her mit einem sekundären Arbeitsmedium auszutauschen.

Im Vergleich zum Stand der Technik bringt die Erfindung eine Erhöhung des Betrages der Wärme, die der Wärmenutzungseinrichtung übermittelt wird, über den bisher bekannten hinaus mit sich, so daß der Wirkungsgrad der Wärmeumwandlung darin über 20$ hinaus erhöht werden kann» Der Gesamtleistungsgrad des gesamten Zyklus ist die Summe abzüglich Produkt des

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Leistungsgrades der zwei Wärmeumwandlungsstufen, und dies kann mehr als 40$ sein, und zwar ohne die äußerst große Kompliziertheit, die notwendig ist, um einen äquivalenten Leistungsgrad in einer einzigen solchen Stufe mit oder ohne die Hilfe von Wärmerückgewinnung von seinem Auslaß her bei der geringeren Leistungshöhe, welche bisher üblich war. Alternativ kann ein höherer Leistungsgrad erreicht werden.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr anhand der Zeichnung, die aus einem Diagramm eines Geschlossenzyklus-Wärmemasehinenkreislaufs besteht, beispielsweise näher beschrieben.

Die Zeichnung zeigt einen Geschlossen-zyklus-Kreislauf, bei dem ein herkömmlicher gasgekühlter Kernreaktor 11 als Wärmequelle dient, und zwar gekühlt durch Kohlendioxid. Heißes Gas vom Reaktor 11 her wird nach einer Turbine 12 ^Leitet, durch welche hindurch das Gas expandiert wird, um einen mechanischen Ausgang von der Welle 13 her zu lie- ■ fern. Von der Turbine 12 her wird das Gas durch die Spule eines regenerativen Wärmeaustauschers 15 hindurch übermittelt, wo es dazu dient, Gas in der Spule 16 des Wärmeaustauschers 15 zu kühlen. Von der Spule 14 her wird das Gas nach einer Spule 20 einer Wärmenutzungseinrichtung geleitet, die aus dem Wärmeaustauscher 17 besteht. Vom Wärmeaustauscher 17 wird das Gas nach einem Kompressor 18 geleitet und danach zum Reaktor 11 über bzw. durch die Kühlspule 16 deszegenerativen Wärmeaustausehers 15·

Die Spule 21 des Wärmeaustauschers 17 ist in einem sekundären Geschlossen-Kreislauf eingebracht, der aus einer Turbine 22, einer Wärmeumwandlungseinrichtung /heat sink/ 23 und einem Kompressor »24 besteht. Das Arbeitsmedium im sekundären Kreislauf ist ein Freon (eingetragenes Warenzeichen) -Medium.

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thermischen Leistungsfähigkeiten bzw. -faktoren der Turbine 12 und des Wärmeaustauschers 17 gehen jeweils über 20$ hinaus.

Die Gasturbine 12 kann eine unkomplizierte Konstruktion ohne Zwischenstufen-Wiedererwärmung sein, mit einem Druckverhältnis von etwa sechs zu eins, wobei der regenerative Wärmeaustauscher 15 dann einer kleineren Pirportion der Gesamtwärme gewachsen ist /copes with/ und eine geringere Wirksamkeit zugelassen werden könnte, was die Möglichkeit schaffen würde, ihn in der Größe zu reduzieren.

Die Erfindung findet Anwendung bzw. kann verwertet werden bei einem durch Kohlendioxyd gekühlten Kernreaktor der britischen A.G.Ri-Serien (fortgeschrittene gasgekühlte Reaktoren), und in diesem lall wären der Höchstdruck und die Höchsttemperatur entsprechend 1 000 "pounds per square inch" (ca. 70 kg/cm ) und 700⁰C, und der Minimaldruck und die Minimaltemperatur des C0_o wären entsprechend 200 "pounds per square inch" (ca. 14 kg/cm ) und 50 C. Alternativ kann Heliumgas verwendet werden, das bei höheren Temperaturen arbeitet bzw. benutzt werden kann.

Mir den höchstmöglichen Nutzen aus der Erfindung erscheint es zum jetzigen Zeitpunkt besser, einen unkomplizierten bzw. normalen Kompressor ohne Zwischenstufen-Kühlung in der Kompressionsstufe zu verwenden.

Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruch 1 umrissenen Ausführungsform und bezieht sich vor allem auch auf sämtLiche Erfindungsmerkmale, die im einzelnen — oder in Kombination — in der gesamten Beschreibung und Zeichnung offenbart sind.

Patentansprüche

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Claims

PATENTANWALT . DIPL-ING. ERICH SCHUBERT 1902259 Telefon= (0271)32409 Telegramm-Adr.: Patschub, Siegen Postscheckkonten: . / Köln 10(5931, Essen 203 62 Bankkonten: Deutsche Bank AG., Abs.: Patentanwalt Dipl.-Ing. SCHUBERT, 59 Siegen, Eiserner Straße 227 Filialen Siegen u. Oberhausen (RhId.) Postfach 325 69 024 Fl/Schm · 16. Jan. 1969 Patentansprüche - -

1. Wärmemaschinenzyklus-Verfahren für die Übertragung von Wärme mittels eines komprimierbaren Mediums von einer Wärmequelle nach einer Wärmeumwandlungseinrichtung, mit einer Kompressionsstufe, einer regenerativen Wärmeaustauscherstufe der Erwärmung, einer Erwärmungsstufe in der Wärmequelle, einer Wärmeumwandlungsstufe in der Konversionseinrichtung, ■■ ■■■'ner Kühlstufe, in welcher Wärme nach der regenerativen Wärmeaustauscherstufe übermittelt wird, sowie einer Wärmenutzungsstufe, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebskonditionen so gewählt werden, daß die Wärmeumwandlungsstufen individuell eine thermische Wirksamkeit bzw. einen Wärmewirkungsgrad von mehr als 20$ aufweisen.

2. Anlage zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle ein Kernreaktor ist und daß die Wärmekonversionseinrichtung eine Gasturbine ist.

3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das komprimierbare Medium Kohlendioxyd oder Helium ist.

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4. Anlage naoh Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Turbine ein Verhältnis von Einlaßgasdruck zu Auslaßgasdruck von sechs zu eins aufweist.

5. Anlage naoh Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmenutzungsstufe einen Dampfgenerator mit einem Betriebs- bzw. Arbeitsmedium aufweist, nach welchem Wärme vom komprimierbaren Medium zurückgewiesen bzw. rückübermittelt wird.

6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfgenerator in eine geschlossene Zykluseinrichtung für das Arbeitsmedium eingebracht ist, die zusätzlich zum Dampfgenerator eine Turbine, eine Wärmesenke bzw. Wärmeumwandlungsvorrichtung und einen Dampfkompressor aufweist.

7. Anlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmedium aus dem Programm der Preon (eingetragenes Warenzeichen) Wärmeaustauschmedien ausgewählt ist.

8. Wärmemaschinenzyklus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das komprimierbare Medium Kohlendioxyd ist, daß der Höchstdruck und die Höchsttemperatur entsprechend 1 000 "pounds per square inch" (ca. 70 kg/cm ) und 700⁰C und der Tiefstdruck und die Tiefsttemperatur entsprechend 200 "pounds per square inch" (ca, 14 kg/cm ) und 50⁰C sind.

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