DE2928439A1 - Magnetohydrodynamischer wandler mit fluessigem metall - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Elektroenergieerzeugung durch eine direkte Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie und bezieht sich insbesondere auf magnetohydrodynamische Wandler mit flüssigem Metall.

Die betreffende Erfindung kann mit Erfolg als Elektroenergiequelle in Weltraumflugapparaten, in der Unterwasser-, der Luftfahrt, zur Elektroenergieerzeugung in Wärme- und Atomkraftwerken ausgenutzt werden.

Mit der Entwicklung der Weltraumflugapparate und der Kerntechnik bzw. der Schnellreaktoren entsteht ebenso wie wegen der Notwendigkeit, den Wirkungsgrad der Wärme- und der Atomkraftwerke zu erhöhen, das Problem der Schaffung eines Hochtemperatur-Energieumwandlers mit einem Arbeitsmedium aus flüssigem Metall. Eine der möglichen Lösungen ist die Schaffung magnetohydrodynamischer Wandler mit flüssigem Metall, die sich durch eine hohe spezifische Leistung, eine statische Aus- rüstung und daher durch eine hohe Zuverlässigkeit bei hohen Temperaturen gegenüber anderen Typen von Energieumwandlern auszeichnen. Auf dem Wege der Schaffung eines magnetohydrodynamischen Wandlers mit flüssigem Metall bei einem vertretbaren Wert des Wirkungsgrades entsteht jedoch das Problem einer hocheffektiven Umwandlung der Wärme- und der potentiellen Energie eines Zweiphasenarbeitsmediums aus flüssigem Metall in eine mechanische Energie einer Flüssigkeit mit anschließender Umwandlung diese Energie in eine elektrische Energie in einem MHD-Generator.

Es ist ein magnetohydrodynamischer Wandler mit flüssigem Metall (s. z.B. den SU-Urheberschein 196197)

bekannt, der eine Wärmequelle, eine Zweiphasendüse, einen Separator, einen magnetohydrodynamischen Generator, einen Flüssigkeitsdiffusor, die miteinander hydraulisch verbunden und hintereinander angeordnet sind, sowie einen Dampfdiffusor und einen Kondensator enthält, die hydraulisch miteinander verbunden sind.

Die Prinzipschaltung des genannten Wandlers gestattet es aber nicht, einen thermodynamischen Prozeß mit einer Wärmerückgewinnung zu verwirklichen, was zu niedrigen Werten des thermischen Prozeßwirkungsgrades im gesamten Wertebereich der anfänglichen Dampfgehalte im Prozeß führt, was seinerseits den Wirkungsgrad des Wandlers im ganzen wesentlich herabsetzt.

Außerdem weist der Zweiphasenstrom eines flüssigen Metalls im gegebenen Wandler verhältnismäßig hohe Geschwindigkeiten auf, was bei hohen Temperaturen eine intensive Erosion der Wände der Düse, des Separators und der anderen Elemente des Wandlers verursachen kann.

Darüber hinaus wird der Separator des genannten Wandlers wegen der relativ hohen Werte der Geschwindigkeit und des Dampfgehaltes des Zweiphasenstroms am Austritt aus der Düse bei vorliegenden anfänglichen Prozeßparametern durch niedrige Werte des Wirkungsgrades gekennzeichnet, was seinerseits den Wirkungsgrad des Wandlers wesentlich herabsetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen magnetohydrodynamischen Wandler mit flüssigem Metall zu schaffen, der über derartige zusätzliche Elemente verfügt, die es gestatten, den Wirkungsgrad und die Zuverlässigkeit des Wandlers zu erhöhen.

Dies wird dadurch erreicht, daß der magnetohydrodynamische Wandler mit flüssigem Metall, der eine Wärmequelle, eine Zweiphasendüse, einen Separator, einen magnetohydrodynamischen Generator, einen Flüssigkeitsdiffusor, die miteinander hydraulisch verbunden und hintereinander angeordnet sind, sowie einen Dampfdiffusor und einen Kondensator enthält, die hydraulisch miteinander, mit dem Separator und mit der Wärmequelle verbunden sind, gemäß der Erfindung zusätzlich ein Mittel zur Wärmerückgewinnung enthält, dessen Eingang mit dem Ausgang des Flüssigkeitsdiffusors und dessen Ausgang mit dem Eingang der Wärmequelle gekoppelt ist, und wobei die Düse mit in ihrer Längsrichtung in verschiedenen Querschnitten der Düse angeordneten Baugruppen für eine Dampfentnahme versehen ist, deren

Ausgänge mit Eingängen für Dampf des Mittels zur Wärmerückgewinnung verbunden sind, dessen zusätzlicher Eingang für Dampf an den Kondensator angeschlossen ist.

Es ist vorteilhaft, daß das Mittel zur Wärmerückgewinnung in Form von in Strömungsrichtung des flüssigen Metalls hintereinander angeordneten mit Pumpen versehenen Regeneratoren vom Vermischungstyp ausgeführt ist, wobei der Eingang für Dampf des ersten Regenerators mit dem Ausgang des Kondensators, sein zweiter Eingang mit dem Ausgang des Flüssigkeitsdiffusors, der Ausgang der Pumpe des letzten Regenerators mit dem Eingang der Wärmequelle und die Eingänge für Dampf der übrigen Regeneratoren mit den Ausgängen der Baugruppe für eine Dampfentnahme verbunden sind.

Die vorliegende Erfindung gestattet, den thermischen Prozeßwirkungsgrad oder, was dasselbe ist, den Wirkungsgrad des Wandlers im ganzen bei allen möglichen Werten des anfänglichen Dampfgehaltes des Prozesses beträchtlich zu erhöhen.

Darüber hinaus sichert die vorliegende Erfindung bei einem großen thermischen Prozeßwirkungsgrad eine Verringerung des Wertes des Dampfgehaltes und der Geschwindigkeit des Gemisches am Austritt aus der Zweiphasendüse, was ebenfalls den Wirkungsgrad des Separators wesentlich erhöht und daher den Wirkungsgrad des Wandlers im ganzen steigert.

Außerdem nimmt bei der vorliegenden Erfindung mit abnehmendem Dampfgehalt am Austritt aus der Düse die Belastung des Kondensators ab, was dessen Abmessung beträchtlich zu vermindern erlaubt.

Darüber hinaus sorgt die vorliegende Erfindung für die Arbeit der Wärmequelle bei kleineren Temperaturgefällen, was insbesondere bei der Ausnutzung eines Kernreaktors als Wärmequelle bevorzugt wird.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand einer Beschreibung eines konkreten Ausführungsbeispiels unter Bezug auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Strukturbild eines magnetohydrodynamischen Wandlers mit flüssigem Metall, gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ein Strukturbild eines magnetohydrodynamischen Wandlers mit Regeneratoren vom Vermischungstyp, gemäß der Erfindung;

Fig. 3 eine graphische Darstellung eines umkehrbaren thermodynamischen Prozesses eines Wandlers, wo auf der Abszissenachse eine Entropie S und auf der Ordinatenachse eine Temperatur T aufgetragen sind.

Der magnetohydrodynamische Wandler mit flüssigem Metall enthält eine Wärmequelle 1 (Fig. 1) , eine Zweiphasendüse 2, einen Separator 3, einen magnetohydrodynamischen Generator 4, einen Flüssigkeitsdiffusor 5 und ein Mittel 6 zur Wärmerückgewinnung, die miteinander hydraulisch verbunden und hintereinander angeordnet sind, wodurch ein geschlossener Kreis gebildet wird. Der Wandler weist auch einen mit dem Separator 3 gekoppelten Dampfdiffusor 7 und einen an einen Eingang 9 für Dampf des Mittels 6 angeschlossenen Kondensator 8 auf. Die Düse 2 ist mit in verschiedenen Querschnitten der Düse 2 in ihrer Längsrichtung angeordneten Baugruppen 10 für eine Dampfentnahme versehen, deren Ausgänge mit Eingängen 11 für Dampf des Mittels 6 verbunden sind.

Das Mittel 6 (Fig. 2) zur Wärmerückgewinnung enthält vier mit Pumpen 13 versehene, in Strömungsrichtung des flüssigen Metalls hintereinandergeschaltete Regeneratoren 12 vom Vermischungstyp. Der Eingang für Dampf des ersten Regenerators 12 dient als Eingang 9 für Dampf des Mittels 6, während die Eingänge für Dampf der übrigen Regeneratoren 12 als Eingänge 11 für Dampf des Mittels 6 dienen.

Der magnetohydrodynamische Wandler mit flüssigem Metall arbeitet wie folgt.

In der Wärmequelle 1 (Fig. 1) wird bei einem (in Fig. 3 dargestellten) Druck P[tief]1 = const dem flüssigen Metall isobar eine Wärme Q[tief]1 (in Fig. 3 dargestellter Prozeß a-b-c) zugeführt. Ein sich bildendes Dampf-Flüssigkeits-Gemisch, das eine Temperatur von T[tief]1 aufweist und dessen Durchflußmenge gleich G ist, strömt in die Düse 2 (Fig. 1), wo es sich bis zu einem Druck von P[tief]2= const (in Fig. 3 dargestellter Prozeß c-d-e-f-g-h-i-j) ausdehnt. Im Expansionsprozeß c-d-e-f-g-h-i-j in den Querschnitten für eine Dampfentnahme wird mit Hilfe der Baugruppen 10 (Fig. 1) für die Dampfentnahme bei Drücken von P[tief]3 = const, P[tief]4 = const, P[tief]5 = const (dargestellt in Fig. 3) eine Dampfentnahme in Mengen von G[tief]1 (Prozeß d-e), G[tief]2 (Prozeß f-g), G[tief]3 (Prozeß h-i) verwirklicht, wobei P[tief]1 > P[tief]3 > P[tief]4 > P[tief]5 > P[tief]2 ist. Die Hauptexpansion des Zweiphasenstroms in der Düse 2 (Fig. 1) erfolgt vor und hinter den

Querschnitten der Baugruppen 10 für eine Dampfentnahme (Prozesse c-d, e-f, g-h, i-j, Fig. 3).

Aus der Düse 2 (Fig. 1) wird der Zweiphasenstrom eines Gemisches, dessen Durchflußmenge gleich G[tief]4 = G - (G[tief]1 + G[tief]2 + G[tief]3) ist, in den Separator 3 geleitet, wo die Phasen (in Fig. 3 dargestellte Prozesse j-k und j-l) getrennt werden. Aus dem Separator 3 (Fig. 1) strömt das flüssige Metall (im folgenden als Flüssigkeit) bezeichnet, dessen Durchflußmenge gleich G[tief]5 = G[tief]4 - G[tief]6 ist (wo G[tief]6 - die Durchflußmenge eines im Separator 3 abgetrennten Dampfes ist) in den magnetohydrodynamischen Generator 4, wo die kinetische Energie der Fllüssigkeit in elektrische Energie (die statischen Parameter der Flüssigkeit am Eintritt in den Generator 4 werden durch einen Punkt k (Fig. 3) und die dynamischen Parameter durch einen in Fig. 3 dargestellten Punkt m gekennzeichnet) umgesetzt wird. Der Vorgang der Energieumwandlung wird im Prozeß durch eine in Fig. 3 dargestellte Strecke m - k[tief]1 gekennzeichnet (wo durch den Punkt k[tief]1 die dynamischen Parameter der Flüssigkeit am Austritt aus dem Generator 4 (Fig. 1) charakterisiert werden). Nach Abschluß der Energieumwandlung wird die Flüssigkeit aus dem Generator 4 in den Diffusor 5 geleitet, in dem der statische Flüssigkeitsdruck durch einen Restdruck erhöht wird. Dann strömt die Flüssigkeit in das Mittel 6 zur Wärmerückgewinnung, wo sie von der unteren Prozeßtemperatur bis auf die Temperatur des der den Eingang der Düse 2 am nächsten gelegenen Baugruppe 10 entnommenen Dampfes erhitzt wird. Die Erwärmung der Flüssigkeit im Mittel 6 (in Fig. 3 dargestellte Prozesse k-n, n-r, r-u, u-a) erfolgt durch die Kondensationswärme des vom Kondensator 8 (Fig. 1) in das Mittel 6 über den Eingang 9 kommenden Naßdampfstroms (in Fig. 3 dargestellter Prozeß v-n) bzw. durch die Kondensationswärme von aus den Baugruppen 10 (Fig. 1) in das Mittel 6 über die Eingänge 11 kommenden entnommenen Dampfströmen (in Fig. 3 dargestellte Prozesse h-i, f-g, d-e). Aus dem Mittel 6 kehrt die Flüssigkeit in die Quelle 1 zurück. Der Prozeß wird zu einem Kreisprozeß.

Hierbei strömt der Dampf aus dem Separator 3 über den Diffusor 7, in dem sein statischer Druck von P[tief]2 (Fig. 3) auf P[tief]6 (in Fig. 3 dargestellter Prozeß l-w) ansteigt, in den Kondensator 8 (Fig. 1), wo die Wärme Q[tief]2 abgeführt wird. Im Ergebnis wird der Dampf im Kondensator 8 (in Fig. 3 dargestellter Prozeß w-z-v) kondensiert.

Gemäß einer der Ausführungsform arbeitet das Mittel 6 (Fig. 2) wie folgt.

In dem in Strömungsrichtung der Flüssigkeit ersten Regenerator 12 vom Vermischungstyp erfolgt eine Durchmischung der Flüssigkeit, deren Durchflußmenge gleich G[tief]5 ist, mit einem in diesen Regenerator 12 über den Eingang 9 vom Kondensator 8 kommenden Naßdampfstrom, dessen Durchflußmenge gleich G[tief]6 ist. Infolge der Vermischung erfolgt ein Prozeß k-n (Fig. 3) einer Erhitzung der Flüssigkeit von der Temperatur T[tief]2 auf die Temperatur des Naßdampfes ebenso wie ein Kondensationsprozeß des Naßdampfes bei einem Druck von P[tief]6. Nach Beendigung des

Mischvorganges wird die Flüssigkeit, deren Durchflußmenge gleich (G[tief]5 + G[tief]6 ist, mittels der Pumpe 13 (Fig. 2) dieses Regenerators 12 in den nächsten Regenerator 12 geleitet, wo diese Flüssigkeit mit einem in diesen von der Baugruppe 10 unter einem Druck von P[tief]5 (P[tief]5 > P[tief]6 > P[tief]2) über den Eingang 11 kommenden entnommenen Dampf vermischt wird. Infolge der Vermischung wird die Flüssigkeit (Prozeß n-r, Fig. 3) erwärmt, und es erfolgt ein Kondensationsprozeß des entnommenen Dampfes bei einem Druck von P[tief]5. Dann wird die Flüssigkeit, deren Durchflußmenge gleich (G[tief]5 + G[tief]6 + G[tief]3) ist, mittels der Pumpe 13 (Fig. 2) dieses Regenerators 12 in den nächsten Regenerator 12 gefördert, in dem ein ähnlicher Vorgang wie im vorhergehenden Regenerator 12 abläuft. Die Flüssigkeit, deren Durchflußmenge gleich G = G[tief]5 + G[tief]6 + G[tief]3 + G[tief]2 + G[tief]1 ist, wird durch die Pumpe 13 des in der Strömungsrichtung der Flüssigkeit letzten Regenerators 12 unter einem Druck von P[tief]1 in die Quelle 1 gefördert.

Gemäß der Erfindung wird eine optimale Anzahl der Regeneratoren 12 entsprechend den Erfordernissen des Anwendungsobjekts bestimmt.

Die vorliegende Erfindung gestattet es, das Anwendungsgebiet der magnetohydrodynamischen Wandler mit flüssigem Metall zu erweitern.

Zusammenfassung

Ein magnetohydrodynamischer Wandler mit flüssigem Metall enthält eine Wärmequelle (1), eine Zweiphasendüse (2), einen Separator (3), einen magnetohydrodynamischen Generator (4), einen Flüssigkeitsdiffusor (5) und ein Mittel (6) zur Wärmerückgewinnung, die miteinander hydraulisch verbunden und hintereinander angeordnet sind, wodurch ein geschlossener Kreis gebildet wird. Die Zweiphasendüse (2) ist mit in verschiedenen Querschnitten ihrer Längsrichtung gelegenen Baugruppen (10) für eine Dampfentnahme versehen, deren Ausgänge mit Eingängen (11) für Dampf des Mittels (6) zur Wärmerückgewinnung gekoppelt sind. An den Separator (3) und an einen Eingang (9) für Dampf des Mittels (6) zur Wärmerückgewinnung sind ein Dampfdiffusor (7) bzw. ein Kondensator (8) angeschlossen, die hydraulisch miteinander verbunden sind.

Der magnetohydrodynamische Wandler mit flüssigem Metall kann zur Elektroenergieerzeugung in Wärme- und Atomkraftwerken eingesetzt werden.

Leerseite

Claims (2)

1. Magnetohydrodynamische Wandler mit flüssigem Metall, der eine Wärmequelle, eine Zweiphasendüse, einen Separator, einen magnetohydrodynamischen Generator, einen Flüssigkeitsdiffusor, die miteinander hydraulisch verbunden und hintereinander angeordnet sind, sowie einen Dampfdiffusor und einen Kondensator enthält, die hydraulisch miteinander, mit dem Separator und mit der Wärmequelle verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich ein Mittel (6) zur Wärmerückgewinnung enthält, dessen Eingang mit dem Ausgang des Flüssigkeitsdiffusors (5) und dessen Ausgang mit dem Eingang der Wärmequelle (1) in Verbindung steht, und daß die Düse (2) mit in verschiedenen Querschnitten in ihrer Längsrichtung angeordneten Baugruppen (10) für eine Dampfentnahme versehen ist, deren Ausgänge mit Eingängen (11) für Dampf des Mittels (6) zur Wärmerückgewinnung verbunden sind, dessen zusätzlicher Eingang (9) für Dampf an den Kondensator (8) angeschlossen ist,.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (6) zur Wärmerückgewinnung in Form von in Strömungsrichtung des flüssigen Metalls in Reihe hintereinander angeordneten mit Pumpen (13) versehenen Regeneratoren (12) vom Vermischungstyp ausgeführt ist, wobei der Eingang für den Dampf des ersten Regenerators (12) mit dem Ausgang des Kondensators (8), sein zweiter Eingang mit dem Ausgang des Flüssig- keitsdiffusors (5), der Ausgang der Pumpe (13) des letzten Regenerators (12) mit dem Eingang der Wärmequelle (1) und die Eingänge für Dampf der übrigen Regeneratoren (12) mit den Ausgängen der Baugruppen (10) für eine Dampfentnahme verbunden sind.