Brevet FR2468247A1 — publié le 19810430

L'invention concerne le domaine de la production d'é- nergie électrique par conversion directe de l'énergie ther- mique en énergie électrique, et notamment les convertisseurs magnétohydrodynamiques à métal liquide. Le convertisseur faisant l'objet de l'invention peut être utilisé avec succès en tant que source d'énergie élec- trique dans les engins spatiaux, dans les engins sous-marins, dans l'aéronautique et pour la production d'énergie électri- que dans les centrales thermiques et atomiques. Le développement des engins spatiaux et des techni- ques nucléaires dans le secteur des réacteurs à neutrons ra- pides, ainsi que la nécessité d'augmenter le rendement des centrales électriques thermiques et atomiques, a fait sur- gir le problème de la création d'un convertisseur d'énergie à haute température, utilisant en tant que fluide actif un métal liquide. L'une des solutions à ce problème est le con- vertisseur d'énergie magnétohydrodynamique (MHD) à métal li- quide qui présente une puissance spécifique élevée et com- porte un équipement statique, ce qui lui confère une haute fiabilité aux températures élevées, comparativement aux au- tres types de convertisseurs d'énergie. Toutefois, la mise au point de convertisseurs MHD ayant un rendement acceptable, se heurte au problème de la conversion à haute efficacité de l'énergie thermique et potentielle du métal liquide (flui- de actif à deux phases) en énergie mécanique du liquide, sui- vie de la conversion de cette énergie en énergie électrique dans un générateur MHD. On connatt un convertisseur magnétohydrodynamique à métal liquide, comprenant une source de chaleur, une tuyère à deux phases, un séparateur, un diffuseur de vapeur et un condenseur reliés hydrauliquement entre eux et montés en sé- rie, le condenseur étant raccordé hydrauliquement à la source de chaleur, ainsi qu'un générateur magnétohydrodynamique et un diffuseur de liquide reliés hydrauliquement entre eux, au séparateur et à la source de chaleur. Dans ce convertis- g - 2468247 seur magnétohydrodynamique, le générateur est relié directe- ment au séparateur, et le diffuseur de liquide est connecté à la sortie du générateur magnétohydrodynamique. Toutefois, le schéma de principe de ce convertisseur ne permet pas la production d'énergie électrique dans le gé- nérateur MHD à une température du liquide actif plus basse que la température inférieure du cycle sans apparition de pertes supplémentaires d'énergie, même dans le cycle réver- sible, ce qui conduit à l'utilisation, dans le circuit du convertisseur, d'un générateur MHD à faible rendement; il s'ensuit donc une baisse du rendement du convertisseur. Pour cette même raison, le convertisseur considéré n'est pas fia- ble. Par ailleurs, dans le convertisseur considéré, il est nécessaire de réaliser une séparation complète entre la pha- se liquide et la phase vapeur, ce qui entraine l'utilisation de surfaces de séparation très étendues, d'o des pertes ir- réversibles importantes de l'énergie du métal liquide (appe- lé ci-après simplement liquide) par frottement dans le sé- parateur; il s'ensuit en définitive, une baisse de rende- ment du séparateur et, par conséquent, du convertisseur. L'invention a pour but de créer un convertisseur ma- gnétohydrodynamique à métal liquide, comportant des éléments supplémentaires permettant d'augmenter le rendement et la fiabilité du convertisseur. L'invention a donc pour objet un convertisseur magné- tohydrodynamique à métal liquide comprenant une source de chaleur, une tuyère à deux phases, un séparateur, un diffu- seur de vapeur et un condenseur reliés entre eux hydrauli- quement et montés en série, le condenseur étant raccordé hy- drauliquement à la source de chaleur, ainsi qu'un diffuseur de liquide et un générateur magnétohydrodynamique reliés hy- drauliquement entre eux, au séparateur et à la source de chaleur, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un réfri- gérant de métal liquide dont l'entrée est reliée hydrauli- quement au diffuseur de liquide, relié par son entrée au sé- parateur, et dont la sortie est reliée hydrauliquement à l'entrée du générateur magnétohydrodynamique, ainsi qu'un moyen de chauffage et de refoulement du métal liquide pro- venant du réfrigérant, les entrées de ce moyen étant reliées hydrauliquement au condenseur et au générateur magnétohydro- dynamique, tandis que sa sortie est connectée à la source de chaleur. I1 est avantageux que le convertisseur comporte au moins une tuyère à liquide dont l'entrée est reliée hydrau- liquement au réfrigérant de métal liquide, et que le sépa- rateur ait au moins une entrée à laquelle est reliée hydrau- liquement la tuyère à liquide. Il est souhaitable que le moyen de chauffage et de refoulement du métal liquide provenant du réfrigérant com- prenne un condenseur à mélange dont l'entrée est reliée hy- drauliquement au générateur et dont l'entrée de vapeur est connectée au condenseur magnétohydrodynamique, et une pompe dont la sortie est reliée hydrauliquement à la source de chaleur, le condenseur à mélange et la pompe étant reliés entre eux. Le convertisseur faisant l'objet de l'invention as- sure la production d'énergie électrique dans le générateur magnétohydrodynamique à une température du liquide actif plus basse que la température inférieure du cycle, ce qui accroit le rendement et la fiabilité du convertisseur. En outre, dans le convertisseur conforme à l'inven- tion, grâce à l'injection d'un mélange sous-refroidi dans la veine partiellement séparée du mélange à deux phases, on obtient un liquide pur en aval du séparateur avec une sépa- ration préalable assez grossière, de sorte que les exigences relatives au séparateur sont fortement réduites; il en ré- sulte une augmentation du rendement du séparateur et, par conséquent, une augmentation du rendement de l'ensemble du convertisseur. D'autres caractéristiques de l'invention appara tront au cours de la description qui va suivre donnée uniquement à 246824E titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels: - la Fig. 1 représente-le schéma fonctionnel d'un convertisseur magnétohydrodynamique à -métal liquide conforme à l'invention; - la Fig. 2 représente le schéma.fonctionnel d'un con- vertisseur magnétohydrodynamique à métal liquide conforme à l'invention avec une tuyère à liquide; - la Fig. 3 représente le schéma fonctionnel du moyen de chauffage et de refoulement du liquide provenant du réfri- gérant, conforme à l'invention; - la Fig. 4 représente le graphique du cycle thermo- dynamique réversible du convertisseur conforme à l'invention selon les Fig. 1 et 2, sur lequel on a porté en abscisses l'entropie S, et en ordonnées, la température T. Le convertisseur magnétohydrodynamique à métal liqui- de comprend une source de chaleur 1 (Fig.1) à laquelle est reliée l'entrée 3 d'une tuyère à deux phases 2 à laquelle est connectée à son tour l'entrée 5 d'un séparateur 4. Ce dernier est relié respectivement aux entrées 8 et 9 d'un dif- fuseur de liquide 6 et d'un diffuseur de vapeur 7. Le dif- fuseur de liquide 6 est relié à l'entrée 11 d'un réfrigérant de métal liquide, tandis que le diffuseur de vapeur 7 est connecté à l'entrée 13 d'un condenseur 12. Le réfrigérant 10 est relié à l'entrée 15 d'un générateur magnétohydrody- namique 14. Le condenseur 12 et le générateur 14 sont reliés respectivement aux entrées 17 et 18 d'un moyen 16 de chauf- fage et de refoulement du métal liquide provenant du réfri- gérant 10. La sortie 19 du moyen 16 est reliée à la source de chaleur 1. Pour la réalisation du cycle combiné (à séparation et à injection), le convertisseur comporte une tuyère à liquide (Fig.2), dont l'entrée 21 est reliée au réfrigérant 10, et dont la sortie est connectée à l'entrée 22 du séparateur 4. Selon l'une des variantes de réalisation, le moyen 16 de chauffage et de refoulement du métal liquide provenant du réfrigérant 10 comprend un condenseur à mélange 23 (Fig.3) auquel est reliée l'entrée 25 d'une pompe 24. L'entrée 26 de vapeur et l'entrée 27 du condenseur 23 constituent res- pectivement les entrées 17 et 18 du moyen 16 (Fig. 1 et 2), et la sortie 28 (Fig.3) de la pompe 24 constitue la sortie 19 du moyen 16 (Fig. 1 et 2). Le convertisseur magnétohydrodynamique à métal liqui- de fonctionne de la façon suivante: La source de chaleur 1 fournit au fluide actif (par exemple du potassium liquide), à une pression constante P1 (Fig.4), c'est-à-dire suivant une isobare, une quantité de chaleur Q1 (processus i - a - b représenté sur la Fig.4). Le mélange vapeur-liquide formé dont le débit égal à G, se dé- tend suivant une adiabatique dans la tuyère 2 à partir d'une pression P1, d'une température T1 et d'une teneur en vapeur X au point b, à une pression P2 = const. une température inférieure du cycle T2 et une teneur en vapeur X2 au point c, c'est-à-dire suivant le processus b--c et pénètre dans le séparateur 4. Dans le séparateur 4, la phase liquide se sé- pare de la phase vapeur (processus c - d et c - e). La quan- tité (1 - X2)G de liquide issue du séparateur 4 est intro- duite dans le diffuseur 6 pour l'accroissement adiabatique de la pression statique, à partir de P2 jusqu'à P3 = const., c'est-à-dire pour le déroulement du processus d - f, puis, à une vitesse faible, elle entre dans le réfrigérant 10, o une quantité de chaleur % est évacuée du liquide (processus f - g). La température du liquide s'abaisse alors de T2 à T3* Ensuite, le liquide refroidi entre dans le générateur magnétohydrodynamique 14 pour la conversion de son énergie mécanique en énergie électrique, ce qui provoque un abaisse- ment de la pression de la valeur P3 à la valeur P2, c'est-à- dire le déroulement du processus g - n. Selon l'invention, le générateur 14 fonctionne à une température T3 essentiel- lement inférieure à la température inférieure du cycle T2, ce qui contribue à l'accroissement du rendement du générateur 246824.7 14, et, par conséquent, de celui du convertisseur dans son ensemble. Le liquide issu du générateur 14 entre dans le moyen de chauffage et de refoulement 16 pour s'y mélanger à un flux de vapeur, et sa température y monte de T3 à la valeur de la température inférieure T2 du cycle (processus n - d), sous l'effet de la condensation du flux de vapeur humide (processus i - d). Ce flux de vapeur arrive au moyen 16 à partir du séparateur 4 par l'intermédiaire du diffuseur 7, dans lequel la pression statique s'accroit de P2 à P4 = const. c'est-à-dire dans lequel se déroule le processus e - j, et par l'intermédiaire du condenseur 12 o a lieu une condensa- tion partielle de la vapeur, c'est-à-dire l'évacuation d'u- ne quantité de chaleur QI (processus j - k). L'énergie po- tentielle (ik - il), de la vapeur humide en aval du con- denseur 12, ik étant l'enthalpie de la vapeur humide au point k et il étant l'enthalpie de la vapeur humide au point t, est utilisée pour le refoulement partiel (ou total) du li- quide dans le moyen 16. Après achèvement du chauffage et du refoulement dans le moyen 16 (processus n - d et d - i, le flux résultant de liquide sortant du moyen 16 retourne à la source 1, ce qui boucle le cycle. Lors du fonctionnement en cycle combiné (à séparation et à injection) le flux de liquide trop refroidi issu du réfrigérant 10 (Fig.2) se divise en deux flux: une partie est introduite dans le générateur 14, tandis que l'autre partie est amenée à la tuyère à liquide 20 o elle s'accélè- re, puis elle est injectée dans le séparateur 4 à travers son entrée 22. Dans le séparateur 4, la veine de liquide sous-refroidi se mélange au flux de mélange à deux places grossièrement séparé de la phase vapeur (processus de sépa- ration c - m). Il en résulte que la vapeur se trouvant dans le flux à deux phases séparé se condense dans la veine de liquide sous-refroidi (processus m - d). Selon l'une des variantes de réalisation, le moyen de chauffage et de refoulement 16 (Fig.3) fonctionne de la fa- çon suivante. Le condenseur à mélange 23 reçoit à travers ses en- trées la vapeur humide et le liquide sous-refroidi. Il en résulte la condensation de la vapeur, puis le flux résultant entre dans la pompe 24, dans laquelle la pression du mélange est augmentée jusqu'à P1, après quoi le mélange entre dans la source de chaleur. 246824? REVENDICATIONS 1 - Convertisseur magnétohydrodynamique à métal li- quide, comprenant une source de chaleur, une tuyère à deux phases, un séparateur, un diffuseur de vapeur et un conden- seur, reliés entre eux hydrauliquement et montés en série, le condenseur étant raccordé hydrauliquement à la source de chaleur, ainsi qu'un diffuseur de liquide et un générateur magnétohydrodynamique reliés hydrauliquement- entre eux, au séparateur et à la source de chaleur, caractérisé en ce qu' il comporte en outre un réfrigérant de métal liquide dont l'entrée est reliée hydrauliquement au diffuseur de liquide, relié par son entrée au séparateur, et dont la sortie est reliée hydrauliquement à l'entrée du générateur magnétohydro- dynamique, ainsi qu'un moyen de chauffage et de refoulement du métal liquide provenant du réfrigérant, les entrées de ce moyen étant reliées hydrauliquement au condenseur et au générateur magnétohydrodynamique, tandis que sa sortie est connectée à la source de chaleur. 2 - Convertisseur selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'il comporte au moins une tuyère à liquide dont l'entrée est reliée hydrauliquement au réfrigérant de métal liquide, et en ce que le séparateur présente au moins une entrée à laquelle est reliée hydrauliquement la tuyère à liquide. 3 - Convertisseur selon l'une quelconque des revendi- cations 1 et -2, caractérisé en ce que le moyen de chauffage et de refoulement du métal liquide provenant du réfrigérant comprend un condenseur à mélange dont une première entrée est reliée hydrauliquement au générateur magnétohydrodyna- mique et dont l'entrée de vapeur est connectée au condenseur, et une pompe dont la sortie est reliée hydrauliquement à la source de chaleur, le condenseur à mélange et la pompe étant reliés entre eux.