DE2938594C2 - Magnetohydrodynamischer Wandler - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen mit flüssigem Metall betreibbaren magnetohydrodynamischen Wandler, der miteinander verounden und hintereinander angeordnet eine Wärmequelle, eint· Zwei^hasendüse und einen Separator mit zwei Ausgängen enthält, dessen einer Ausgang in Reihe mit einem Fluss; Jceitsdiffusor für das flüssige Metall, einem magnetohydrodynamischen Generator und einem mit der Wärmequelle gekoppelten Mittel zum Erwärmen und Einpressen verbunden ist und dessen anderer Ausgang mit einem Dampfdiffusor, einem Kondensator, einem weiteren Eingang des Mittels zum Erwärmen und Einpressen sowie mit der Wärmequelle verbunden ist.

Ein derartiger Wandler ist aus der GB-PS 10 72 400 bekannt. Bei diesem Wandler ist der Separator über den Flüssigkeitsdiffusor direkt mit dem magnetohydrodynamischen Generator verbunden. Dieser Wandler gestattet es nicht, den Prozeß der Energieerzeugung elektrischer Energie in einem magnetohydrodynamischen Generator (MHD-Generator) bei einer Temperatür der Betriebsflüssigkeit unterhalb der Prozeßtemperatur durchzuführen, ohne daß zusätzliche Energieverluste selbst bei einem umkehrbaren Zyklus auftreten. Dies führt zu einem niedrigen Wirkungsgrad des MWD-Wandlers. Auch besitzt er aus dem gleichen Grunde eine geringe Zuverlässigkeit. Weiterhin ist bei diesem Wandler eine vollständige Separation der Flüssigphase von der Dampfphase notwendig, was zur Ausnutzung von großen Separationsflächen und damit zu großen, nicht zurückgewinnbaren Energieverlusten im flüssigen Metall als Reibungsverlust im Separator führt, woraus im Endeffekt wiederum ein verringerter Wirkungsgrad des Wandlers resultiert.

Schließlich sei noch erwähnt, daß bei der GB-PS 10 72 400 die im Separator getrennte Dampfphase und Flüssigphase in der Wärmequelle zusammengeführt werden, wobei in den Dampf-Kreislauf zwischen Kondensator und Wärmequelle noch eine Pumpe geschaltet ist

Aus der FR-PS 14 48 059 und der GB-Zeitsehrift: Energy Conversion, Band 10,1970, S. 155—176, ist es bei einem magnetohydrodynamischen Wandler bekannt, die Zusammenführung der im Separator getrennten Metallströme auch außerhalb der Wärmequelle durchzuführen.

In der älteren Patentanmeldung P 29 28 439 ist ein magnetohydrodynamischer Wandler der eingangs genannten Art beschrieben, bei welchem die Zw iiphasendüse mehrere hintereinanderliegende Einrichtungen für eine Dampfentnahme aufweist, die, zusammen mit dem Ausgang des Kondensators und eines dem magnetohy · drodynamischen Generators nachgeschalteten Flüssigkeitsdiffusors mit mehreren Stufen von aus Regeneratoren des Vermischungstyps ausgebildeten Mitteln zur Wärmerückgewinnung verbunden sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, den mit flüssigem Metall betreibbaren magnetohydrodynamischen Wandler der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß der Wirkungsgrad und die Zuverlässigkeit des Wandlers erhöht wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zusätzlich zwischen den Flüssigkeitsdiffusor und den magnetohydrodynamischen Generator ein Kühler für das Arbeitsmittel eingeschaltet ist

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß mindestens eine Fiüssigkeitsdüse vorgesehen ist, deren Eingang hydraulisch mit dem Ausgang des Kühlers und dessen Ausgang mit einem Eingang des Separators hydraulisch verbunden ist.

Mit der Erfindung wird die Erzeugung elektrischer Energie in einem magnetohydrodynamischen Generator bei einer Temperatur der Betriebsflüssigkeit, d. h. des flüssigen Metalls, ermöglicht, die unterhalb der unteren Grenze der Prozeßtemperatur liegt, wodurch der Wirkungsgrad und die Zuverlässigkeit des Wandlers erhöht werden.

Darüber hinaus wird bei der vorliegenden Erfindung infolge der Einspritzung einer un/^rkühlten Flüssigkeit in einen abgetrennten Teilstrahl einer Zweiphasenmischung die Erhaltung der reinen Flüssigkeit hinter dem Separator bei einer recht groben Vorseparation erreicht, weshalb die Anforderungen an die Separatorleistung wesentlich niedriger wird, was wiederum eine Erhöhung des Wirkungsgrades des Separators und folglich eine Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades des Wandlers bewirkt

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlich erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein Prinzipschaltbild eines magnetohydrodynamischen Wandlers gemäß der Erfindung;

F i g. 2 ein Prinzipschaltbild eines magnetohydrodynamischen Wandlers mit einer Flüssigkeitsdüse gemäß einer Weiterbildung der Erfindung;

Fig.3 ein Prinzipschaltbild eines Mittels zum Erwärmen und Einpressen einer vom Kühler kommenden Flüssigkeit; und

F i g. 4 eine graphische Darstellung eines thermodynamischen Prozesses eines Wandlers gemäß den F i g. 1 und 2, bei der die Temperatur T über der Entropie 5 aufgetragen ist.

Ein magnetohydrodynamischer Wandler mit flüssigem Metall enthält eine Wärmequelle 1 (Fig. 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 eines Flüssigkeitsdiffusors 6 und ein Eingang 9 eines Dampfdiffusors 7 angeschlossen. An den Flüssigkeitsdiffusor 6 ist hydraulisch ein Kühler (10) für das Arbeitsmittel (Flüssigmetallkühler) über den Eingang 11 und an den Dampfdiffusor 7 ist hydraulisch ein Kondensator 12 über seinen Eingang 13 angeschlossen. An den Kühler 10 ist hydraulisch der Eingang Ϊ5 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 angeschlossen, dessen Ausgang 19 mit der Wärmequelle 1 verbunden ist

Zur Verwirklichung eines kombinierten (Separations-Injektions)zyklus enthält der Wandler eine Flüssigkeitsdüse 20 (F i g. 2), die hydraulisch über ihren Eingang 21 mit dens Kühler 10 und über ihren Ausgang mit einem Eingang 22 des Separators 4 verbunden ist.

Das Mittel 16 zum Erwärmen und Einpressen des vom Kühler 10 kommenden flüssigen Metalls kann so ausgeführt sein, daß an einen Mischkondcnsatcr 23 (F i g. 3) hydraulisch über ihren Eingang 25 eine Pumpe 24 angeschlossen ist Der Eingang 26 für Dampf und der Eingang 27 für Flüssigkeit stellen den Eingang 17 bzw. 18 des Mittels 16 (F i g. 1, 2) dar, während der Ausgang 28 (F i g. 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 (F i g. 1) wird einem Arbeitsmedium (z. B. Flüssigkalium) bei einem (in F i g. 4 dargestellten) Druck Pi isobar die Wärme in einer Menge von Qi (in Fig.4 dargestellter Prozeß i-a-b) zugeführt. Ein sich ausbildendes Dampf-Flüssigkeits-Gemisch, dessen Durchflußmenge gleich G ist, erfährt in der Düse 2 (Fig. 1) eine adiabatische Expansion vom Druck Pi (Fig.4), der Temperatur Ti und dem Dampfgehalt x/ in einem (in F i g. 4 dargestellten) Punkt b bis zu dem (in F i g. 4 dargestellten) Druck Pi = const, der unteren Prozeßtemperatur 7"_cund dem Dampfgehalt *2 in einem (in F i g. 4 dargestellten) Punkt c, (in F i g. 4 dargestellter Prozeß b — c), und gelangt in den Separator 4 (Fig. 1). Im Separator 4 wird die Flüssigphase von der Dampfphase (in F i g. 4 wiedergegebene Prozesse c—d und c—e) getrennt. Vom Separator 4 (Fig. 1) strömt die Flüssigkeit in einer Menge von {\-x\)G in den Diffusor 6 zur adiabatischen Erhöhung des statischen Drucks von P₂ (F i g. 4) bis auf V³J = const (dargestellt in Fig.4), (in F i g. 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 Q₂ (in F i g. 4 dargestellter Prozeß A-g) abgeführt wird. Hierbei fällt die Temperatur von 7>auf T_g 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 P₃ (Fig.4) auf P₂ (Fig.4) abfällt (in Fig.4 dargestellter Prozeß g—h). Gemäß der Erfindung arbeitet der Generator 14 (Fig. 1) bei einer Temperatur Tg, wesentlich geringer als die untere Prozeßtemperatur 7>, was zu einer Erhöhung des Wirkungsgrades des Generators 14 und folglich auch des Wandlers im ganzen beiträgt

Vom Generator 14 strömt die Flüssigkeit in das Mittel 16 zum Erwärmen und Einpressen zwecks Durchmischung mit einem Dampfstrom, in dem ihre Temperatur von T_h auf einen Wert T_d der unteren Prozeßtemperatur (in Fig.4 dargestellter Prozeß h—d) durch Kondensation eines Naßdampfstroms (in Fig.4 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 P₂ (F i g. 4) auf Pa = const (dargestellt in F i g. 4) ansteigt, (in F i g. 4 dargestellter Prozeß e—j), und in den Kondensator 12 (Fig. 1), wo der Dampf zum Teil kondensiert, d. h. die Wärme in einer Menge von Q₂" (irr ~ i g. 4 dargestellter Prozeß j—k) abgeleitet wird, hierbei wird die potentielle Energie (ik—ii) eines Naßdampfes hinter dem Kondensator 12 (Fig. 1), worin 4 — eine Enthalpie eines Naßdampfes in einem in Fig.4 dargestellten Punkt 'c und // — eine Enthalpie eines Naßdampfes in einem in Fig.4 dargestellten Punkt /bedeutet, zu einer teilweisen (oder vollständigen) Einpressung der Flüssigkeit im Mittel 16 ausgenutzt Nach Abschluß der Prozesse der Erwärmung und der Einpressung im Mittel 16 (Prozeß h-d und Prozeß d—i in Fig.4) fließt der gesamte Flüssigkeitsstrom aus dem Mittel 16 (F i g. 1) in die Quelle 1 zurück. Der Prozeß wird zu einem Kreisprozeß.

Im Betrieb eines kombinierten (Separations-Injektions)zyklus wird der Strom einer unterkühlten Flüssigkeit hinter dem Kühler 10 (F i g. 2) geteilt: ein Teil wird in den Generator 14 geleitet, und der andere Teil gelangt in die Flüssigkeitsdüse 20, wo er bescideunigt und dem Eingang 22 des Separators 4 zugeführt wird. Im Separator 4 wird ein Strahl einer unterkühlten 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 unterkühlten Flüssigkeit (in Fig.4 dargestellter Prozeß m—d)kondensiert

Gemäß der in F i g. 3 dargestellten Ausführungsform arbeitet das Mittel 16 zum Erwärmen und Einpressen wie folgt.

Auf die Eingänge des Mischkondensators 23 gelangen der Naßdampf und die unterkühlte Flüssigkeit, 'm Ergebnis wird der Dampf kondensiert, und dann gelangt d";r £ Jinmenstrom in die Pumpe 24, in der der Druck des Gemisches auf Pi erhöht wird, und wird dann in die Wärmequelle 1 geleitet

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Mit flüssigem Metall betreibbarer magnetohydrodynamischer Wandler, der miteinander verbunden und hintereinander angeordnet eine Wärmequelle (1), eine Zweiphasendüse (2) und einen Separator (4) mit zwei Ausgängen enthält, dessen einer Ausgang in Reihe mit einem Flüssigkeitsdiffusor (6) für das flüssige Metall, einem magnetohydrodynamischen Generator (14) und einem mit der Wärmequelle (1) gekoppelten Mittel (16) zum Erwärmen und Einpressen verbunden ist und dessen anderer Ausgang mit einem Dampfdiffusor (7), einem Kondensator (12), einem weiteren Eingang des Mittels (16) zum Erwärmen und Einpressen sowie mit der Wärmequelle (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zwischen den Flüssigkeitsdiffusor (6) und den magnetohydrodynamischen Generator (14) ein Kühler (10) für das Arbeitsmittel eingeschaltet ist

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß mindestens eine Flüssigkeitsdüse (20) vorgesehen ist, deren Eingang (21) hydraulisch mit dem Ausgang des Kühlers (10) und dessen Ausgang mit einem Eingang (22) des Separators (4) hydraulisch verbunden ist