DE2938594A1 - Magnetohydrodynamischer wandler mit fluessigem metall - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE ZELLENTIN

ZWEIBRÜCKENSTR. 15
BOOO MÜNCHEN 2

1. Gosudarstwennyj Nautschno-Issledowatelskij P 80 185 Energetitscheskij Institut imeni G.M. RZ Krschischancwskogo, Moskau/UdSSR 24. 9. 1979

2. Grusinskij Nautschno-Issledowatelskij Institut Energetiki i Gidrotechnitscheskich Sooruschenij, Tbilisi/UdSSR

MAGNET OHYDRODiNAMISCHKR WANDLER MIT FLÜSSIGEM METALL

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Elektroenergieerzeugung duxch eine direkte Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie und bezieht sich insbesondere auf magneto·- hydrodynamische Wandler mit flüssigem Metall·

Die vorliegende iürfindung kcann mit Erfolg als Elektroenergiequelle in Weltraumflugapparaten, in der Untereee- und der Luftfahrt, zur Elektroenergieerzeugung in Wärme- und Atomkraftwerken angewendet werden.

Mit der Jiintwicklung von Weltraumf lugapparaten und der Kerntechnik bzw« der Schnellreaktoren entsteht ebenso wie wegen der Notwendigkeit, den Wirkungsgrad der Wärme- und Atomkraftwerke zu erhöhen, ein Problem der Schaffung eines Hochtemperatur—innergieumwandlers mit einem Arbeitsmedium, aus flüssigem Metall, für den als eine Lösung ein magnetohydrodynamischer Wandler (MHD-Wandler) auftritt, der sich durch eine hohe spezifische Leistung, eine statische Ausrüstung und daher durch eine

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ORIGINAL INSPECTED

hohe Zuverlässigkeit bei hohen Temperaturen gegenüber anderen Typen von ^nergieumwandlemauszeichnet. Auf dem Wege der Schaffung eines MHD-w/andlers mit einem vertretbaren Wert des Wirkungsgrades entsteht jedoch ein Problem einer hocheffektiven Umwandlung der Wärme- und der potentiellen iviergie eines Zweiphasenarbeitsmediums aus flüssigem Metall in eine mechanische iinergie einer Flüssigkeit mit anschließender Umwandlung dieser iiiergie in eine elektrische üiergie in einem MHD-Generator«

üs ist ein magnetohydrodynamischer Wandler mit flüssigem Metall (s, den SU-Urheberschein 196197) bekannt, der eine wärmequelle, eine Zweijphaeendüse, einen Separator, einen Dampfdiffusor und einen mit der Wärmequelle hydraulisch gekoppelten Kondensator, die miteinander hydraulisch verbunden und hintereinander angeordnet sind, sowie einen magnetohydrodynamischen Generator und einen Flüssigkeitsdiffusor enthält, die hydraulisch miteinander, mit dem Separator und mit der Wärmequelle verbunden sind· Im genannten Wandler ist der magnetohydrodynamische Generator mit dem Separator unmittelbar verbunden, während der Flüssigkeitsdiffusor an den Ausgang des magnetohydrodynamischen Generators angeschlossen ist.

Die Prinzipschaltung des betreffenden Wandlers gestattet es nicht, den Prozeß der Elektroenergieerzeugung in einem MHD-Generator bei einer Temperatur der Betriebsflüssigkeit unterhalb der Prozeßtemperatur zu verwirklichen, ohne daß zusätzliche Energieverluste selbst in einem umkehrbaren Zyklus auftreten, was zur Benutzung eines MHD-Generators mit einem niedri-

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gen Wirkungsgrad in der Schaltung des Wandlers führt, was seinerseits den Wirkungsgrad des Wandlers herabsetzt. Dieser Wandler besitzt aus dem gleichen Grund eine niedrige Zuverlässigkeit» Außerdem ist im obengenannten Wandler eine vollständige Separation der Flüssigphase von der Dampfphase notwendig, was zur Ausnutzung von vergrößerten (großen) Separationsflächen und

nicht zurückgewinnbaren
damit zu großen Jinergieverlusten im flüssigen

Metall (im weiteren mit FlüSbi_tjkeit^bezäTⁱs^ctSe³fl]ungsverluste im Separator führt, was im iüideffekt den Wirkungsgrad des Separators und damit den Wirkungsgrad des Wandlers verringert·

Der .Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen magnetohydrodynamischen Wandler mit flüssigem Metall zu schaffen, der zusätzliche Elemente aufweist, 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 Dampfdiffusor und einen mit der Wärmequelle hydraulisch gekoppelten Kondensator, die miteinander hydraulisch verbunden und hintereinander angeordnet sind, sowie einen Flüssigkeitsdiffusor und einen magnetohydrodynamischen Generator enthält, die hydraulisch miteinander, mit dem Separator und mit der Wärmequelle verbunden sind, gemäß der -Erfindung zusätzlich einen Flüssigmetallkühler, dessen Eingang hydraulisch mit dem Flüssigkeitsdiffusor verbunden ist, dessen Kingang mit dem Separator und dessen Ausgang hydraulisch mit dem JELngang des magnetohydrodynamischen Generators in Verbindung

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steht, und ein Mittel zum Erwärmen und Einpressen, eines vom ' einer

Kühler kommenden flüssigen Metalls aufweist, dessen Eingang

dessen zweiter Eingang hydraulisch

hydraulisch mit dem Kondensator undYmit dem magnetohydrodynamischen Generator und dessen Ausgang mit der Wärmequelle verbunden ist«

-¹^s ist vorteilhaft, daß er mindestens eine Flüssigkeitsdüse enthält, deren Eingang hydraulisch mit dem Flüssigmetallkühler verbunden ist, und der Separator mindestens einen Eingang für die Flüssigkeit aufweist, mit dem die Flüssigkeitsdüse hydraulisch verbunden ist«

Erwünscht ist, daß das Mittel zum Erwärmen und Einpressen des vom Kühler kommenden flüssigen Metalls einen Mischkondensator, dessen Eingang für Dampf mit dem Kondensator und dessen anderer Eingang mit dem magnetohydrodynamischen Generator verbunden ist, und eine Pumpe, deren Ausgang hydraulisch mit der Wärmequelle verbunden ist, enthält, die miteinander gekoppelt sind·

Die vorliegende Erfindung gewährleistet eine ülektroenergieerzeugung in einem magne üohydrodynaraischen Generator bei einer Temperatur der Betriebsflüssigkeit, die unterhalb der unueren Grenze der Prozeßtemperatür liegt, was es gestattet, den Wirkungsgrad und die Zuverlässigkeit des Wandlers zu erhöhen*

Darüber hinaus wird in der vorliegenden Jücfindung infolge der Einspritzung einer untergekühlten Flüssigkeit in einen abgetrennten Teilstrahl einer Zweiphasenmischung die Erhaltung einer reinen Flüssigkeit hinter dem Separator bei

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einer recht groben Vorseparation erreicht, weshalb die Anforrung an die Separatorleistung wesentlich nierdriger wird,was eine Erhöhung des Wirkungsgrades des Separators und folglich eine Erhöhung des Wirkungsgrades des Wandlers im ganzen bewirkt· Die vorliegende Erfindung soll nachstehend an Hand von konkreten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigt: Fig· 1 ein Strukturbild eines magnetohydrodynamischen Wandlers mit flüssigem Metall, gemäß der surf indung;

Fig. 2 ein Strukturbild eines magnetohydrodynamischen Wandlers mit einer Flüssigkeitsdüse, gemäß der Erfindung!

Fig. 3 ein Strukturbild eines Mittels zum Erwärmen und Einpressen einer vom Kühler kommenden Flüssigkeit, gemäß der ü<rfindungj

Fio· 4 eine graphische Darstellung eines thermodynamischen Prozesses eines Wandlers nach Fig. 1 und Fig· 2, wo ai'f der Abszissenachse eine Entropie und auf der Ordinatenachse eine Temperatur T aufgetragen sind·

Ein magnetohydrodynamischer Wandler mit flüssigem Metall enthält eine Wärmequelle 1 (^ig. 1), an die hydraulisch der Eingang 3 einer Zweiphasendüse 2 angeschlossen ist« An die Düse 2 ist hydraulisch der Eingang 5 eines Separators 4 angeschlossen· An den Separator 4 sind hydraulisch ein Eingang 8

ein Eingang 9

eines Flüssigkeit^diffusors 6 und«eines Dampfdiffusors 7 angeschlossen. An den Flüssigkeitsdiffusor 6 ist hydraulisch

ein Flüssigmetallkühler 10 über den JSin-

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an den Dampfdiffusor 7 ist hydraulisch

gang 11 und rein Kondensator 12 über seinen Eingang 15 angeschlossen· An den Kühler 10 ist hydraulisch der Eingang 15 eines magnetohydrodynamischen Generators 14 gekoppelt. An den Kondensator 12 ist über einen Eingang 17 und an den Generator 14 über einen Eingang 18 hydraulisch ein Mittel 16 zum Erwärmen und Einpressen des vom Kühler kommenden flüssigen Metalls angescjlossen, dessen Ausgang 19 mit der Wärmequelle 1 verbunden ist

Zur Verwirklichung eines kombinierten (beparations-Inj-ektions)zyklus enthält der Wandler eine Flüsaigkeitadüse 20 (Pig· 2), die hydraulisch über ihren Eingang 21 mit dem Kühler 10 uud über ihren Ausgang mit einem Eingang 22 des Separators 4 verbunden ist·

Gemäß einer der Ausführungsformen enthält das Mittel 16 zum Erwärmen und Einpressen des vom Kühler 10 kommenden flüssigen Metalls einen Mischkondensator 23 (Fi^. 3) , ^an den hydraulisch über ihren Eingang 25 eine Pumpe 24 angeschlossen ist. Der ALngang 26 für Dampf und der Eingang 27 für Flüssigkeit stellen den Eingang 17 bzw· 18 des Mittels 16 (Fig. 1, 2) dar, während der Ausgang 28 (Fig. 3) der Pumpe 24 als Ausgang 19 des Mittels 16 (Fig. 1, 2) auftritt.

Der magnetohydrodynamische Wandler mit flüssigem Metall arbeitet wie folgt.

In der Wärmequelle 1 (Fig}. 1) wird einen Arbeitsmedium

dargestellten) \.z, B. Flüssigkalium) bei einem (in Fig. 4 Druck

P- isobar die Wärme in einer Menge von Q₁ (in Fig. 4 dargestellter Prozeß i-a-b) zugeführt. Ein sich ausbildexides Dampf-

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Flüssigkeits-Gemisch, dessen Durchflußmenge gleich G ist, erfährt in der Düse 2 (Pig· 1) eine adiabatische Expansion vom Druck P, (Fig· 4), der Temperatur T₁ und dem Dampfgehalt X₁ in einem (in Fi₀. 4 dargestellten) Punkt b bis zu dem (in Fig. 4 dargestellten) Druck P₂ = const, der unteren Prozeßtemperatur Tp und dem Dampfgehalt χ in einem (in Fig. 4 dargestellten) Punkt c, (in Fig. 4 dargestellter Prozeß b-c), und gelangt in den beparatbr 4 (Fig. 1). Im iäeparator 4 wird die Flüssigphase von der jDampf phase (in Fig. 4 wiedergegebene Prozesse c-d und c-e) getrennt. Vom Separator 4 (Fig. 1) strömt die Flüssigkeit in einer Menge von (1-X₂)G in den Diffusor 6 zur adiabatischen .Erhöhung des statischen Drucks von P₀ (*'ig. 4)

auf *

bis Pz = const (dargestellt in Fig. 4), (in Fig. 4 dargestellter Prozeß d-f), und dann mit einer geringen Geschwindigkeit in den Kühler 10 (Fig. 1), wo von der Flüssigkeit die Wärme in einer Menge von QX (in Fig. 4 dargestellter Prozeß f-g) abgeführt wird. Hierbei fällt die Temperatur von T₂ auf T^ ab. Dann wird die gekühlte Flüssigkeit dem magnetohydrodynamischen Generator 14 (Fig. 1) zur Umwandlung der mechanischen Energie der Flüssigkeit in elektrische zugeleitet, weshalb der Druck vom Wert P (Fig. 4) auf P₂ (Pig. 4) abfällt (in Fig. 4 dargestellter Prozeß g-h). Gemäß der Erfindung arbeitet der Generator 14 (Fig. 1) bei einer Temperatur T, wesentlich ^geringer als die untere Prozeßtemperatur Tg, was zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades des Generators 14 und folglich auch des Wandlers im ganzen beiträgt·

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Vom Generator 14 etrömt die Flüssigkeit in das Mittel 16 zum Erwärmen ¹Wd Einpressen zwecks Durchmischung mit einem Dampfstrom, in dem ihre Temperatur von T* auf einen Wert Tp der unteren Prozeßtemperatur (in Fig. 4 dargestellter Prozeß h-d) durch Kondensation eines NaßdampfStroms (in Fig .^dargestellter Prozeß 1-d) ansteigt« Dieser Dampfstrom gelangt in das Mittel 16 (Fig· 1) vom Separator 4 über den Diffusor 7, in dem der statische Druck von P_ (Fig. 4) auf P = const (dargestellt in Fig. 4) ansteigt, (in Fig. 4 dargestellter Prozeß e—q\ und in den Kondensator 12 (Fig. 1), wo der Dampf zum Teil kondensiert, d.h. die Wärme in einer Menge von <£' (in Fig. 4 dargestellter Prozeß d-k) abgeleitet wird. Hierbei wird die potentielle ikiergie (i_fc - i ) eines Naßdampfes hinter dem Kondensator 12 (Fig. 1), worin i, - eine üinthalpie eines Naßdampfes in einem in Fig. 4 dargestellten Punkt k und i-^ -

eine Enthalpie eines Naßdampfes in einem in Fig. 4 dargestellvollständigen) ten Punkt 1 bedeutet, zu einer teilweisen (oder Einpressung der Flüssigkeit im Mit eel 16 ausgenutzt. Nach Abschluß dej? Prozesse der i&wärmung und der iiinpressung im Mittel 16 (Prozeß h-d und Prozeß d-i in Fig.4) fließt der gesamte Flüssigkeitsstrom aus dem Mittel 16 (Fig. 1) in die Quelle 1 zurück. Der Prozeß wird zu einem Kreisprozeß.

Im Betrieb eines kombinierten (Separations^Injektions)zyklus wird der Strom einer unter^-"kühlten Flüssigkeit hinter dem Kühler 10 (#ig. 2) geteilt: ein Teil wird in den Generator 14 geleitet, und der andere Teil gelangt in die Flüssi^keitsdüse 20,

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wo er beschleunigt und dem Eingang 22 des separators 4 zugeführt wird. Im Separator 4 wird ein Strahl einer uater^kühlten Flüssigkeit mit einem von der Dampfphase grob getrennten Strom eines Zweiphasengemisches (in Fig. 4 dargestellter Separationsprozeß c-m) vermischt« Infolgedessen wird der Dampf des abgetrennten Zweiphasenstroms im Strahl der untergekühlten Flüssigkeit (in Fig. 4 dargestellter Prozeß m-d) kondensiert.

Gemäß einer der Auaführungsformen arbeitet das Mittel 16 (Fig. 5) zum -anwärmen und Einpressen wie folgt.

^Auf die Eingänge des Mischkondensators 22 gelangen der Naßdampf und die untergekühlte Flüssigkeit. Im Ergebnis wird der Dampf kondensiert, und dann gelangt der Summenstrom in die Pumpe 24, in der der Druck des Gemisches auf P₁ erhöht wird,

dann
und wird in die Wärmequelle 1 geleitet.

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Claims (1)

1. ZELLENTIN P 80 185

   ZWEIBRÜCKENSTQ. 15

   OOOO MÜNCHEN 2 ^RZ

   24.9. 1979

   MAGNETOHYDRODYnAMIbCHER wANDLiSR MIT FLÜSSIGEM METALL

   PATENTAUSPRÜCHK 2 9 3 8 5 9 A

   ( 1·)Magnetohydrodynamischer Wandler mit flüssigem Metall, der eine Wärmequelle, eine Zweiphasendüse, einen Separator, einen Dampfdiffusor und einen mit der Wärmequelle hydraulisch gekoppelten Kondensator, die miteinander hydraulisch verbunden und hintereinander angeordnet sind, sowie einen Flüssigkeitsdiffusor und einen magnetohydrodynamischen Generator enthält, die hydraulisch miteinander, mit dem Separator und mit der Wärmequelle verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich einen Flüssigiaetällkühler (10), dessen Eingang (11) hydraulisch mit dem Flüssigkeitsdiffusor (6) in Verbindung steht, dessen Eingang (8) mit dem Separator (4) und dessen Ausgang hydraulisch mit dem Eingang (15) des magnetohydrodynamischen Generators (-/4) verbunden ist, und ein Mittel (16) zum Erwärmen und Einpressen eines vom Kühler (10) kommenden flüssigen Metalls aufweist, dessen einer

   dessen zweiter Eingang (18) hydraulisch, Eingang (17) hydraulisch mit dem Kondensator (12) ündVmit

   dem magnetohydrounamischen Generator (14·) und dessen Ausgang

   (19) mit der Wärmequelle (1) in Verbindung steht.

   2. Wandler nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , daß er mindestens eine Flüssigkeitsdüse

   (20) enthält, deren Eingang (21) hydraulisch mit dem Flüssigmetallkühler (10) verbunden ist, und daß der Separator (4) mindestens einen Eingang (22) für Flüssigkeit aufweist, mit dem die Flüssigkeitedüse (20) hydraulisch verbunden ist.

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   ORIGINAL INSPECTED

   3· Wandler nach Anspruch 1^0er 2, dadurch gekennzeichne t , daß das Mittel (16) zum iSrwärmen und Einpressen des vom Kühler (10) kommenden flüssigen Metalls

   einer einen Mischkondensator (23), dessen KLn^ang (26) für Dampf

   hydraulisch mit dem Kondensator (12) und dessen anderer iüngang (27) mit dem magnetohydrodynamischen Generator (14) verbunden ist, und eine i'umpe (24), deren Ausgang (28) hydraulisch mit der Wärmequelle (1) verbunden ist, enthält, die miteinander gekoppelt sind«

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