DE2928439C2 - Magnetohydrodynamischer Wandler mit geschlossenem Metallkreislauf - Google Patents

Description

dadurch gekennzeichnet,

— daß das flüssige Metall über ein Mittel (S) zur Wärmerückgewinnung zur Wärmequelle (1) rückse/ührt wird.

— daß das Mittel zur Wärmerückgewinnung (6) aus mehreren abwechselnd hintereinander angeordneten Pumpen (13) sowie Regeneratoren (12) vom Vermischungsiyρ besteh t.

— daß die Zweiphasendüse (2) bei verschiedenen Querschnitten entlang ihrer Längserstreckung mit Baugruppen (10) für eine Dampfentnahme versehen ist, deren Ausgänge mit den Eingän- " gen (11) für Dampf der Regeneratoren (12) verbunden sind und

— daß an oen Kondensator (8) ein Eingang (9) für Naßdampf eines Regent.ators (12) angeschlossen ist.

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Die Erfindung betrifft einen magnetohydrodynamischen Wandler mit geschlossenem Metallkreislauf

— mit einer Wärmequelle, einer Zweiphasendüse und einem Separator, welcher den Metalldampf vom flüssigen Metall trennt,

— mit einem Dampfdiffusor und einem Kondensator für den Dampf aus dem Separator und

— mit einem magnetohydrodynamischen Generator und einem Fiüssigkeitsdiffusor für das flüssige Metall aus dem Separator.

so

Ein derartiger magnetohydrodynamischer Wandler ist aus der Fig. 8 eier GB-PS 10 72 400 bekannt. Mit derartigen Wandlern ist es nicht möglich, eine Wärmerückgewinnung durchzuführen.

Aus der Fig. 19 der gleichen GB-PS ist eine Anlage mit vier hintereinander angeordneten Düsen und Separatoren bekannt, wobei ein Ausgang für Flüssigkeit der Separatoren jeweils mit einem MHD-Generator und der zweite Ausgang der Separatoren für Dampf jeweils mit einem Mischer und einer nachfolgenden to Pumpe verbunden ist, die hintereinander angeordnet und mit der Wärmequelle verbunden sind. An den Ausgang des MHD-Generatcrs des von der Wärmequelle gesehen vierter, und letzten Separators ist ein Kühler geschaltet, dessen Ausgang an den Eingang des b5 Mischers geführt ist, in den der Dampf aus dem vierten Separator gelangt. Die vier Mischer und Pumpen können als Mittel zur Wärmerückgewinnung bezeichnet werden. Eine derartige Anlage ist wegen der in mehrfacher Anzahl vorliegenden Bauteile (Düsen, Separatoren etc) und der dadurch auftretenden Verluste im Wirkungsgrad nicht sehr effektiv.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen magnetohydrodynamischen Wandier mit geschlossenem Metallkreislauf gemäß dem Oberbegriff dahingehend zu verbessern, daß eine Wärmerückgewinnung bei einem hohen Wirkungsgrad gewährleistet ist. *

Diese Aufgabe wird durch einen magnetohydrodynamischen Wandler mit geschlossenem Metallkreislauf mit den Merkmalen des Anspruchs gelöst.

Die vorliegende Erfindung gestattet es, 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 Zweiphasendüse dis Belastung des Kondensators ab, was dessen Abmessungen beträchtlich zu vermindern erlaubt.

Darüber hinaus sorgt die vorliegende Erfindung für die Arbeit der Wärmequelle auch bei kleineren Temperaturgefälien, was insbesondere bei der Ausnutzung eines Kernreaktors als Wärmequelle vorteilhaft ist.

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

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

Fig. I ein Blockschaltbild eines magnetohydrodynamischen Wandlers mit flüssigem Metall gemäß der Erfindung.

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

F i g. 3 eine graphische Darstellung des thermodynamischen Prozesses eines solchen Wandlers, wobei auf der Aiszissenachse die Entropie 5 und auf der Ordinatenachse die Temperatur Taufgetragen sind.

Der magnetohydrodynamische Wandler mit flüssigem Metali enthält :ine Wärmequelle 1 (Fig. 1), eine Zweiphasendüse 2, einen Separator 3, einen magnetohydrodynamischen Generator 4, einen Fiüssigkeitsdiffusor 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 Naßdampf des Mittels G angeschlossenen Kondensator 8 auf. Die Zweiphasendüsc 2 ist bei verschiedenen Querschnitten entlang ihrer Längsrichtung mit Baugruppen IO 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 Strömungs·

richtung des flüssigen'Metalls hintereinandcrgeschaltete Regeneratoren 12 vom Vermischungstyp. Der Eingang für Dampf des ersten Regenerators 12 ist der mit dem Kondensator 8 verbundene Eingang 9 des Mittels 6. während die Eingänge für Dampf der übrigen Regeneratoren 12 dessen mit den Ausgängen der Baugruppen 10 verbundene Eingänge 11 sind.

Der magnetohydrodynamische Wandler mit flüssigem Metall arbeitet wie folgt.

In der Wärmequelle 1 (Fig. 1) wird bei einem (in Fig.3 dargestellten) Druck P₁=COnSt dem flüssigen Metall isobar eine Wärme Q₁ (in Fig.3 dargestellter Prozeß a-b-c) zugeführt. Ein sich bildendes Dampf-Flüssigkeits-Gemisch, das eine Temperatur von Ti aufweist und dessen Durehflußmenge gleich Gist, strömt in die Zweiphasendüse 2 (Fig. 1). wo es sich bis zu einem Druck von P>=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 \n den Querschnitten für eine Dampfentnahme wird mit Hilfe der Baugruppen 10 (Fig. I) für die Dampfentnahme bei Drücken von P₁=const. P₄ = COnSt, P₅ = const (dargestellt in Fig.3) eine Dampfen'nahme in Mengen von G, (Prozeß d-e), G₂ (Prozeß Γ-g), G_s (Prozeß h-i) verwirklicht, wobei P\ > P_s> P₄> P> > P₂ ist. Die Hauptexpansion des Zweiphasenstroms in der Zweiphasendüse 2 (Fig. 1) erfolgt vor und hinter den Querschnitten der Baugruppen 10 für eine Dampfentnahme (Prozesse c-d, e-f, g-h. i-j, F i g. 3).

Aus der Zweiphasendüse 2 (Fig. 1) wird der Zweiphasenstrom eines Gemisches, dessen Durcnflußmenge gleich Gt=G-(Gi + G₂ + Cj) ist, in den Separator 3 geleitet, wo die Phasen (in Fig.3 dargestellte Prozesse j-k und j-t) getrennt werden. Aus dem Separator 3 (F i g. 1) strömt das flüssige Metall (im folgenden als Flüssigkeit bezeichnet), dessen Durchflußmenge gleich Gi = Gi-Gt, ist (wo Gt,-die Durehflußmenge eines im Separator 3 abgetrennten Dampfes ist) in den magnetohydrodynamischen Generator 4, wo die kinetische Energie der Flüssigkeit 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 — ki gekennzeichnet (wo durch den Punk? k\ die dynamischen Parameter der Flüssigkeit am Austritt aus dem Generator 4 [Fig. I] charakterisiert werden). Nach Abschluß der Energieumwandlung wird die FlüssigKcit aus dem Generator 4 in den Flüssigkeitsdiffusor 5 ><> geleitet, in dem der statische Flüssigkeitsdruck durch einen Restdruck erhöht wird. Darin strömt die Flüssigkeit in das Mittel 6 zur Wärmerückgewinnung, wo sie von der unteren Prozeßtemperatur bis auf die Temperatur des der dem Eingang der Zweiphasendüse 2 am nächsten gelegenen Baugruppe 10 entnommenen Dampfes erhitzt wird. Die Erwärmung der Flüssigkeil irri Mittel 6 (ir F i g. 3 dargestellte Prozesse k-n. n-r. r-ii. u-a) erfolgt durch die Kondensationswärme des vom Kondensator 8 (F i g. 1) in das Mittel 6 über den Eingang 9 kommenden Naßdampfstroms (in Fi g. 3 dargestellter Prozeß v-ri) bzw. durch die Kondensationswärme von aus den Baugruppen 10 (F i g. 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 Wärmequelle 1 zurück. Der Prozeß wird zu einem Kreisprozeß.

Hierbei strömt der Dampf aus dem Separator 3 über den Dampfdiffusor 7. in dem sein statischer Druck von P₃ (Fig.3) auf P„ (in Fig.3 dargestellter Prozeß Au) ansteigt, in den Kondensator 8 (Fig. 1), wo die Wärme Qj abgeführt wird. Im Ergebnis wird der Dampf im Kondensator 8 (in Fig.3 dargestellter Prozeß w-z-v) kondensiert.

Gemäß einer der Ausführungsformen arbeitet das Mittel 6 (F i g. 2) wie folgt.

In dem in Strömungsrichtung der Fiüssijkeit ersten Regenerator 12 vom Vermischungstyp erfolgt eine Durchmischung der Flüssigkeit, deren Durehflußmenge gleich Gs ist, mit einem in diesen Regenerator 12 über den Eingang 9 vom Kondensator 8 kommenden Naßdampfstrom, dessen Durehflußmenge gleich G₀ ist. Infolge der Vermischung erfolgt ein Prozeß k-n (F i g. 3) einer Erhitzung der Flüssigkeit von der Temperatur T₂ auf die Temperatur des Naßdampfes ebenso wie ein Kondensationsprozeß des Naßdampfes bei einem Druck von P₆. Nach Beendigung des Mischvorganges wird die Flüssigkeit, deren Durchflußmenge gleich (G₅+Gb) 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-, (Pi> Pb> Pi) über den Eingang 11 kommenden entnommenen Dampf vermischt wird. Infolge der Vermischung wird die Flüssigkeit (Prozeß n-r. F i g. 3) erwärmt, und es erfolgt ein Kondensationsprozeß des entnommenen Dampfes bei einem Druck von P-,. Dann wird die Flüssigkeit, deren Durchflußmenge gleich (Gä + Gb+Gj) 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 Durehflußmenge gleich G=G-,-l-G_h+ Gi+G> + Ci ist. wird durch die Pumpe 13 des in der Strömungsrichtimg der Flüssigkeit leizien Regenerators 12 unter einem Druck von P, in die Wärmequelle 1 gefördert.

Gemäß der Erfindung wird die optimale Anzahl der Regeneratoren 12 entsprechend den Erfordernissendes Anwendungsobjektes bestimmt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Magnetohydrodynamischer Wandler
   schlossenem Metallkreislauf

   mit ge-

   — mit einer Wärmequelle (1), einer Zweiphasendüse (2) und einem Separator (3), welcher den Metalldampf vom flüssigen Metall trcnni.

   — mit einem Dampfdiffusor (7) und einem Kondensator (8) für den Dampf aus dem Separator (3) und

   — mit einem magnetohydrodynamischen Generator (4) und einem Fiüssigkeitsdiffusor (5) für das

   ' flüssige Metall aus dem Separator,