DE1539302A1 - Energieumwandlungsvorrichtung - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

DR.-1 NG. H-. FINCKE DiPL.-INQ, H. BOHR DIPL.-ING. S. STAEGER

F«r η ru f: 22 49 41

M 659»,

S MÜNCHEN B, Müllantrae· 31

15. MRZ. 1966

Beaehreibung

sun P&t«ntgesuoh

des Herrn Alvon H« Märke

Whiteatone, N.Υ«, V,St«A.

betreffend

¹ Ener giminvandlungs vorrichtung¹

Priorität: 15· M8ri I965 - V.StJL

Die Erfindung betrifft Energleumwandlungs vorrichtung·» und insbesondere Vorrichtungen« bei welchen die warmeklnetisch· Energie eines geladenen Aerosol-Oasstrona wirksam in «lektrisehe Energie umgewandelt wird» wobei ein betrÄchtlich«r Teil der Elngang8-^T^riBeenergie ja Stufe als elektrische Ausgangs« Je Stufe entnommen wird.

Die direkte Umwandlung von Wärme in elektrische Energie Kittel« eines geladenen Aerosols 1st in den USA-Patent 2*638.555

beschrieben.

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M 659t

Bei anderen Untersuchungen wird die Verwendung von Ionen vorgeschlagen, um elektrische Ladungen in ein eich Regen ein elektrisches Feld bewegendes Oas zu bringen, Jedoch führt die hohe Ionenbeweglichkeit zu einer geringen oder keiner Energieumwandlung· Das Problem einer wesentlichen und wirksamen Umwandlung von wärmekinetischer Energie in elektrische Energie wurde durch die Verwendung von geladenen Teilchen von optimal kleiner Beweglichkeit gelöst. Um eine optimale Beweglichkeit unta* geeigneten Betriebskonngrössen zu erzielen, müssen die geladenen Aerosolteilchen ein optimales Verhältnis von Radius zur Ladung haben. Bei geladenen Aerosolteilchen mit einem solch optimalen Verhältnis von Radius r.u Ladung, ist der Reibungsverlust Infolge des Schlupfes der geladenen Teilchen mit Bezug auf den Gasstrom bei der Bewegung gegen ein elektrisches Feld von maximaler Intensität vernachlässigbar, jedoch wird, wenn der Radius der geladenen Teilchen nicht grosser als notwendig ist, eine.maximale elektrische Ausgangsenergie erhalten« Der Generator für geladenes Aerosol erfordert ein Gas von hoher elektrischer Si ;chschlagfestlgkeit, die in dem ganzen Temperaturbereich i^alisierbar ist, unter welchem das Gas ionisiert wird. Optimale Betriebskenngrössen für einen Energieumwandler unter Verwendung eines geladenen Aerosols erfordern ein unter Druck stehendes Trägergas, das im Mittelwert ein geringes-Molekulargewicht hat und einen geringen Anteil eines IwReR" 909845/0430

BADORlGlNAi

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spülmittel* (ion scavenger) enthält, u» die elektrische Durchschlagfestigkeit zn erhöhen. Durch eine Unterkühlung des geladenen Aerosolgases in Umwaridlungsbereich wird die elektrische Durchschlagfestigkeit und die elektrische Ausgang« energie noch weiter erhöht.

Das geladene Aerosol bildet ein neuartiges elektrothermodynamlsches Medium, mit welchen ein Prosefi durchgeführt werden kann, bei welchem die wärmekinetische Energie eines sich bewegenden geladenen Aerosql-Qases in elektrische Energie umgewandelt wird, die einen lueseren Kreis sußeftthrt wird· Dieser Proseß ist in wesentlichen umkehrbar, wenn er alt vernachlfisslgbaren Reibungsenergieverlusten in der nachstehend beschriebenen Weise durchgeführt wird, so daß nutsbare elektrothermodynamische Zyklen erhalten werden.

Der Schlüsselfür das Funktionleren des Generators für geladenes Aerosol ist die gleichzeitige Bildung und die Beladung des geladenen Aerosols in ein sich bewegendes Oa*, seine Verwendung als Energleunwandler und seine Entladung in einem Abstand von wenigen Millimetern· · " "'*

Die Gleichseitige Bildung und Beladung eines Aerosols kann durch direktes Kondensieren eines Dampfes auf durch eine Koronaentladung erzeugte Gasionen. Bei diesem Verfahren wird ein

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BAD ÖftföfMAL

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aieh bewegendes OaS₁ das einen Dampf enthält» In die Nlbe von Gasionen transportiert ,und der Dampf unter »eine Konden· sationstemperatur darch Entspannen oder Siechen mit einem kühleren Trägergas abgekühlt. Diee hat sur Folge, daß der Dampf zu Flüssigkeltsfcröpfehen auf den Ionen kondensiert und dadurch ein geladener Aerosol-Oasstrom erhalten wird·

Unter Anwendung dieses Verfahrens durchgeführte Versuche zeigen, daß die Kosten der Erzeugung von geladene» Aerosol geringer als o_sl $ der elektrischen Aasgangeeoergie betragen.

Der Generator für geladenes Aerosol verwendet ein aas, das geladene Teilchen von optimal kleiner Beweglichkeit enthält. Das geladene Aerosol erzeugt einen elektrischen Potentialberg, gegen welche*« die geladenen Teilehen Arbelt leisten* wodurch die wärmekinetische Energie des Oases in elektrische Energie umgewandelt wird· In der Tat wird dl« Ladung im Gas gehalten und Jede von den geladenen Teilehen in einem elektrischen Feld geleistete Arbelt wird durch das sich bewegende Gas an den elektrischen Stromkreis geliefert oder umgekehrt. Der Prozeß ist umkehrbar und kann daher in einem Generator, in einem Verdichter oder in einem Gasdruckzylinder oder Druckgeber verwendet werden.

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BAD

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Wenn die Dichte der elektrischen Ausgangsleistung des ein geladenes Aerosol verwendeten Umwandler» einen kleinen Anteil der Dichte der wärmekinetischen Energie, die aus dem Gasstrom erzielbar ist, beträgt, sind zur Umwandlung eines beträchtlichen Anteils viele Stufen erforderlich.

Zur Darstellung des Problems wurde ein Versuch irdt einer Vorrichtung unter Verwendung eines Luft-Wasser-Aerosole bei einem Druck von etwa 5 Atmosphären und einer Gasgeschwindigkeit von etwa 33o n je Sekunde durchgeführt. Bei diesem Versuch betrug die kinetische Energie des Trägergases etwa das Hundertfache derjenigen, die in elektrische Ausgangs«* energie umgewandelt wurde.

Eine aussichtsreiche Lösung des Problems der Qleichsetsung der kinetischen Eingangsenergie des Oases mit der elektrischen Ausgangsenergie in einer oder mehreren Stufen.besteht %n > der Verwendung eines Gases von niedrigem Molekulargewicht und hoher elektrischer Durchschlagfestigkeit bei Drücken von Io - loo AtmosphSren.

Die vorliegende Erfindung liefert eine weitere LSaung des Problems der Gleichsetssung der kinetischen Eingaagsenergie mit der elektrischen Ausgangsenergie bei Verwendung einer Vorrichtung, öle nachfolgend als "Gasschwungradgenerator*

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BAD

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bezeichnet wird. Bel dieser Vorrichtung 1st ein 3a» von niedrigem Molekulargewicht, hoher elektrischer Durchschlagfestigkeit und von einem hohen Druck ständig in einem hohlen Hingkörper enthalten. Die wärmekinetische Energie des Gas* Stroms zirkuliert in einem hohlen Ringkörper, In welchem sie sehr ähnlich einem Schwungrad umläuft. Das Qaaschwungrad wird durch einen oder mehrere innere Strahlen aus geladenem Aerosol in Bewegung gesetzt, die z.B. aus Wasserdampf bestehen können, der auf Schallgeschwindigkeit entspannt und in ein geladenes Aerosol in der nachfolgend bescliriebenen Weise umgewandelt worden ist.

Die übertragung von kinetischer Energie zwischen einem Strahl und einem getriebenen Ga3 war bisher von der turbulenten" Vsrmlschung des Strahldampfes und des getriebenen Oases bei verschiedenen Geschwindigkeiten· Dies führte zu einer unvollkommenen Bewegungsgrösseübertragung zwischen den Molekülen das Dampfes und des getriebenen Gases und damit zu einer unwirksamen übertragung von kinetischer Energie. Bei der ©;?fiFM3urigsgemässen Vorrichtung führt Jedoch die fast sofortige Umwandlung des Strahldampfes in gesonderte geladene Aerosolteilchen zu einer fast vollständigen BewegungsgrCssetibertragung von dem Strahl aus geladenem Aerosol aufiöas getriebene Gasschwungrad. Es findet im wesentlichen kein Verlust an kinetischer Energie statt, da eine Verwirbelung ve rmi©dess

BAD ORIGttML

Bel dem Qasschwungradgenerator rait geladenem Aerosol wird ein Strahl von grosser kinetischer Eingangsönergiedichte» Jedoch von geringem Querschnitt einen viel gp8ae«*«n Querschnitt des elektrischen Umwandlere, jedoch von viel kleinerer elektrischer Ausgangsenergiedichte angepaßt· Das eassehtrungrad speichert kinetische Energie und liefert dl« für den Transport des geladenen Aerosols durch den Onwandlungsraira erforderliche hohe Geschwindigkeit.

Der durch den Umlauf in Trflgergas von hoher Geschwindigkeit des GasSchwungrades gespeicherte kinetische Energlefluft kann etwa das Zehn- his Hundertfach? tier elektrischen Ausgangs» energie betragen. Die von den Strahlen gelieferte kinetische Eingangsenergie kann nur geringfügig grosser als die elektrische Ausgangsenergie Bum Verbraucher sein·

Die elektrische Ausgangsenergie ist gleich der Strahleingangeenergle abzüglich der Energie, welche verlorengeht (a) durch die Wandreibung um die Schleife herum und (b) durch den Schlupf der geladenen Teilchen im Umwandlungsbereich. Diese FeibungaenergleVerluste werden nach dem nachfolgend beschriebenen Prinzip vernichlässigbar gemacht.

Eie erfindunESgemässe Vorrichtung ergibt einen hohen Umwand-

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-7-BAD

lungswirkungsgrad In einer einzigen Stufe· Dies wird erreicht, da die Eingangswärmeenergie von überhitzten Danpf einen beträchtlichen Temperaturabf all unterzogen wird, welcher in die kinetische Energie eines Strahle aus einen geladenen Aerosol von Schallgeschwindigkeit (Machsehe Zahl 1) umgewandelt wird· Dar Strahl aus geladenem Aerosol wird dazu verwendet, das Trägergas von niedrigem Molekulargewicht mit Unterschallgeschwindigkeit anzutreiben. Beispielsweise betrugt bei der Verwendung eines auf Schallgeschwindigkeit entspannten Wasserdampfstrahls der Abfall der absoluten Temperatur und der Umwandlungswirkungsgrad von Wärmeenergie in kinetische Energie beträgt etwa 2o %. Der Wasserdampfstrahl wird in ein geladenes Aerosol umgewandelt, wenn er aus der Düsenöffnung austritt. Ausserdem braucht, obwohl der geladene Aerosolwasserdarapfstrahl die Nachsehe Zahl i oder Schallgeschwindigkeit hat (beispielsweise etwa 52o n/Sek_e), der Gasträger aus einem Gas von niedrigem Molekulargewicht nur etwa o,6 Mach ssu haben, um etwa die gleiche Geschwindigkeit im elektrischen Umwandlung»· raum zu erreichen. Andernfalls kann der Querschnitt des Ring· körpers vergrössert werden und das Sasschwungr&d mit einer noch kleineren Machsehen Zahl umlaufen, um auf diese Weise sehr niedrige Reibungsverluste innerhalb des Ringkörpers zu erzielen. Das Gasschwungrad bildet einen Teil eines neuen elektrothormodynamischen Rankins- oder Drayton-Zyklus.

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BAD ORIGINS Mv u ,;

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Es sind zwei Schleifen vorhanden, eine für die Dampf-Flüssigkeit und die zweite für das umlaufende Trtgergas, und das geladene Aerosol 1st eine Kombination der beiden, die sieh an der Eintrittsebene des Umwandlerabschnitts gebildet hat· Nach dem Austritt an der Austrittsebene des Urawandlerabrchnitts kehrt das geladene Aerosol zur Dampfphase oder zu einer flüssigen Phase zurück, die verdichtet wird« und durch eine äussere Flüssigkeit-Dampf »Schleife umläuft, wobei sie in demfcherraodynamischen Zyklus teilnimmt.

Eine Analyse eines Generators für geladenes Aerosol unter Anwendung eines Brayton-Zyklus-Systema, das zwischen den Temperaturen von 1.33o°K und 33o°K betrieben wird, zeigt einen Gesamtumwandlungswlrkungsgrad von Wärmeenergie in elektrische Energie von etwa $o %. Der Brayton-Zyklus 1st vollständig analog einem Verdichter-Turbinen-System mit einen Rekuperator. Bei Verwendung eines geladenen Aerosolgas·« von niedrigem Molekulargewicht und hoher elektrischer Durchschlagfestigkeit sind nur zwei Stufen erforderlich. In Jedem Falle stellt ein Energieumwandler mit geladenem Aerosol, der bis zu Io Stufen in Reihenschaltung aufweist, immer noch eine einfache Vorrichtung dar. .

Dar Generator für geladenes Aerosol hat für eine optimale

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Leistung offenbar keine kritische GrOsse· Wirksame Generatoren für geladenes Aerosol sind durchführbar in GrOssen von etwa 1 Kilowatt bis zum ftiltimegawattberelch. ·

Ein Ziel der Erfindung 1st daher die Schaffung einer Energie· uinwandlungs Vorrichtung, bei welcher die thermodynamisch verfügbare Eingangswärmeenergie im wesentlichen in elektrische Ausgangswärmeenergie umgewandelt wird.

Ein Ziel der erfindungsgemfissen Vorrichtung ist die Erzeugung eines elektrothermodynamlsehen Gaeschwun&radsyklus unter Verwendung eines geladenen Aerosols als Arbeitsmedium·

Ein Ziel der erfindungsgemfissen Vonlchtung 1st die Schaffung eines elektrothermodynamischen Gasachwungrad-Rankine-Zyklus unter Verwendung eines geladenen Aerosols als Arbeitsmedium·

Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines elektrothemo· dynamischen Gasschwungrad-Brayton-Zyklus unter Verwendung eines geladenen Aerosols als Arbeitsmedium·

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Mehrschleifenzyklus unter Verwendung eines geladenen Aerosols al3 Arbeitsmedium, bei welchem der thermoelektrische Gesamtwirkungsgrad hoch ist β

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-lo-BADORJGiNAL

M 659»

Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung einee elektrodynanieehen QasBchwimgr&d-Nehrsohlelfen-Rankine-Zyklua unter Verwendung eines geladenen Aerosols als Arbeitsnediun.

Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines elektrodynamischen Öasschwungrad-Mehrachleifen-Brayton-Zyklus unter Verwendung eines geladenen Aerosols als Arbeltsnediinu

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die wirksam umwandlung der thermischen Energie eines strdjssnden überhitzten Dampfes in die kinetische Energie eines Strahls aus geladenem Aerosol und die übertragung dieser &£netisohen Energie auf ein getriebenes Gas.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die kontinuierliche Bildung und die Ladung eines geladenen Aerosols, das sieh mit hohen Geschwindigkeiten bewegt» bei welchen die elektrische Eingangs-Energie sur Bildung des geladenen Aerosols weniger als O₉I % der elektrischen AusRangsenergie hetrfigt.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Energieumwandlungsvorrichtung mit geladenen Aerosol, bei welcher sich das getriebene Gas mit einer Unterschall-Oesohwindlgkeit bewegt«

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BADORiQlNAt

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Bin weiteres Ziel der Erfindung 1st die Schaffung einer Energle-UnwandlungsYorrlohtung» bei welcher die elektrische Auegangsenergie Je Stuf· viel höher als der Reibungeenergie« verluat Je Stufe 1st·

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist die Verwendung eines Trägergases mit einer hohen elektrisehen Durchschlagfestigkeit.

Ein weiteres Merkmal ist die Verwendung eines Trägergases mit einem niedlgen Molekulargewicht «ur Erhöhung der Betrlebsgasgeschwindigkeit und zur Verringerung der Reibungsverluste·

Ein weiteres Merkmal besteht darin, daß ein Danpfstrahl von hoher Geschwindigkeit in ein sich bewegendes TrÄgergaa in der Nachbarschaft von Qasionen sur Bildung eines geladenen Aerosols eingeleitet wird.

Ein weiteres Merkmal ist die gleichzeitige Bildung und Beladung eines sich bewegenden geladenen Aerosolgases durch Abkühlen eines Dampfes unter seine Xondensations^einperatur in Gegenwart von Ionen durch Vermischen mit einen etwas kühleren Gas.

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Ein Heiteres Merkmal der Erfindung ist die Erteugung ein·· umlaufenden getriebenen Qasstroms« In welchem Paapf eingeleitet wird» der oberhalb seiner Kondenaetlonstesiperatur gehalten wird, auf eine hohe Geschwindigkeit entspannt wird und in der Nachbarschaft einer Koronaentladung *ur Bildung eines geladenen Aerosols kondensiert wird, das seine kinetische Energie wirksam auf das getriebene Gas übertragt·

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist die gleichseitige Beladung und Bildung eines geladenen Aerosols aus einem Dampf» der als Strahl mit etwa der Machsehen Zahl 1 in ein sich bewegendes Trägergas von grösserem Querschnitt und kleinerer Machsehen Zahl austritt, wobei das Molekulargewicht des DampfStrahls grosser als das Molekulargewicht des Tragergases ist und die Geschwindigkeit des Dampfstrahls nur wenig grosser als die Geschwindigkeit des getriebenen Gasen Job·

Ein weiteres Merkmal der Erfindung 1st eine Ifeltungsahleife, die ein Trägergas enthält, in welcher sich eine DQsenOffnung von einem kleinen Querschnitt mit Bezug auf den Querschnitt des elektrischen Umwand1ers befindet, so daß die elektrische Auggangsenergi© einen grösseren Anteil der verfurbaren thermischen Eingangsenergie des Strahls beträgt und die Refcunge-

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energie einen geringeren Anteil ausmacht, der teilweise rück« gewonnen werden kann.

Ein Merkmal der Erfindung ist die Schaffung einer Energieumwandlungsvorrichtung mit bestimmten Betriebskenngröesen und baulichen Aueführungsformen für diese, welche zu einer wirksamen Umwandlung der verfügbaren Wärmeenergie in elektrische Energie mittels eines geladenen Aerosols als Arbeitsmedium führen.

Ein Merkmal der Erfindung ist die; Verwendung einer Vielzahl von parallelen Schlitzen oder öffnungen in einer heltung, durch welche ein keilförmiger Dampfstrahl in das getriebene Gas geleitet wird*

Ein weiteres Merkmal ist die Anordnung von Punkt- oder Linienionlsatoren eines Koronaentladungselement· vor dem keilförmigen geladenen Aerosolstrahl in einem bestirnten Abstand zur Bildung eines geladenen Aerosols im wesentlichen gleichmäeeig über die ganze Eintrittsebene des Uewandlerbtreichea.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist eine Energieumwandlungsvorrichtung mit geladenem Aerosol, bei welcher die Pläehenbereiche der Elektroden so gering als möglieh gehalten werden» uw. Reibungeverluste in der Vorrichtung auf ein Mindejitmaft* berate*

BAD ORlONäPHO ΟΛ&

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zusetzen.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung 1st die Verwendung von Tragflügelelementen in dem elektrischen Unwandlungeraum der Vorrichtung zur Herabsetzung der Wandreib ungsenergieyerljie te.

Zu den baulichen Merkmalen der erflndungsgenassen Vorrichtung gehört die Verwendung von Drahtsammelelektroden sum Entladen eines Aerosols durch Koronaentladung. -

In den beillegenden Zeichnungen sind mehrere AusfQhrungsformen der Erfindung dargestellt, bei welchen ähnliche Bezugsziffern entsprechende Teile bezeichnen und zwar zeigen:

Fig· 1 eine schematische Darstellung eines Gasschwungrad-

Energieumwandlers, der mit einem einstufigen elektrothermodynamischen Rankine-Zyklus gemäß der Erfindung arbeitet;

Piß. 2 eine Einzelheit der erfindungsgemässen Energieumwandlungsvorrichtung für wärmekinetische in elektrische Energie;

Fig. 3 eine schaubildliche Ansicht, welche eine Elnselheit eines Teils der erfindungsgemBfisen Energletiniandlunfte-

BAD

JH

vorrichtung zeigt, der einen Strahl aus geladenem Aerosol erzeugt;

⁷Ig. 4 in vergrössertem Maßstab eine Einzelheit eines Abschnitts der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung;

Fig. 5 eine schaubildliche Ansicht einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemässen elektrothermodynaraischen Wandlers für ein geladenes Aerosol unter Verwendung von Drahtelektroden;

Fig. 6 eine graphische Darstellung des Druck-Volumen-Verhältnisses in der Vorrichtung nach Fig. 1 wahrend eines elelctrotherraodynamischen Rankine-Zyklus;

Fig. 7 ein mehrstufiges Mehrschleifen-Energieurawandlungssyetem;

Fig. 8 in, schematischer Darstellung einen Generator für

geladenes Aerosol und einen Verdichter für geladenes Aerosol, der nach einem elektrotherraodynamischen Brayton-Zyklus arbeitet j

Fig. 9 einen erfi-näungsgemässen elektrothermodynamischen

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■ Uswandlgr für geladenes Aerosol» welcher einen elektrothereodynamischen Generator und einen elektrotherwodynamisehen Verdichter aufweist ₉ die in dem gleichen Gassohwungrad In einem Drayton-Zyklus arbeiten·

Bei dem in Pig. 1 bis 5 dargestellten Gasschwungrad wird ein geladenes Aerosol als Arbeitssubstanz oder Transduktor zur Umwandlung der verfügbaren thermischen Eingangsenergie in elektrische Ausgangsenergie verwendet.

In Flg. 1 ist ein einstufiger Zyklus gezeigt.Bei diesen Zyklus wird Wärmeenergie 1 einem Kessel 2 zugeführt, der eine Flüssigkeit 3 von erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck enthält. Die Flüssigkeit 3 wird in gesattigten Daapf 4 umgewandelt, welcher durch eine isolierte Leitung 5 «u einem überhitzer 6 geleitet wird, welcher mit zusätzlicher Wärmeenergie 7 beliefert wird. Eine Leitung 9 führt überhitzten Dampf 8 einer Anzahl kleinerer Rohre 11 im elektrischen Umwandlerabschdtt Io zu. Hach der Entnahme der elektrischen Energie in der nachfolgend beschriebenen Qasschwungradvorrichtung wird das geladene Aerosol entladen und der größte Teil des Dampfes wird bei 31 bei einer niedrigeren Temperatur und einem niedrigeren Druck durch einen Kondensator 3o kon-

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densiert und zum Kessel Z durch eine Flüssigkeitspumpe 32 zurückgepumpt, welche mit einen kleinen Bruchteil der elektrischen Auegangsenergie an den Klemmen 52 des Verbrauchers 25 arbeitet· Die Temperatur des überhitzten Dampfes 8 nimmt wesentlich ab, wenn seine verfügbare Wärmeenergie in kinetische Energie des Strahls 13 aus geladenem Aerosol umgewandelt wird. Der Umwandlungswirkungegrad der verfügbaren Wärmeenergie in elektrische Energie 1st in dem "Kondensationsatrahl" sehr hoch, da im wesentlichen der ganze Temperatur- abfall in dem Strahl stattfindet, welcher unmittelbar in kinetische Energie und damit in elektrische Energie umgewandelt wird.

Beim Entspannen erreicht der Dampfstrahl Schallgeschwindigkeit, und wandelt seine verfügbare wärmeenergie mit einem beträchtlichen Temperaturabfall in kinetische Energie um. Die kinetische Energie, welche auf den sich bewegenden Qas-Aerosol-Strom Übertragen wird, 1st ein kleiner Bruchteil der umlaufenden kinetischen Energie des GasSchwungrades, jedoch im wesentlichen gleich der elektrischen Ausgangsenergie plus einem kleinen Reibungsenergieverlust· .

Der Dampf wird auf oine solche Temperatur überhitzt, daß bei der Entspannung und Abkühlung zur Bildung eines Strahl3 sich der Dampf in einem unterkühlten Zustand befindet. Unter diesem

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unterkühlten Zustand let ein Dampf zu verstehen, der auf einem geladenen Ion unter Bildung eines geladenen Aerosolteilchens kondensieren kann. Die Sättigungstemperatur eines Dampfes bezieht sich auf einen Zustand, bei welchem der Dampf auf neutralen Teilehen kondensiert. Die Temperatur des unterkühlten Zustandee für geladene Teilchen weicht etwas von der Sättigungetemperatur ab. Das Kondensieren auf geladenen Teilchen erfolgt unter einer Bedingung, die normalerweise als Überhitzungebedingung betrachtet wird und das geladene Teilchen wird bei der Annäherung an die Sättigungateraperatur rascher grOsser« Im allgemeinen beträgt die absolute Temperatur des dem Strahl «.!»geführten überhitzten Dampfes etwa 2o % mehr als die absolute Dampfteiiperatur des Strahls im unterkühlten Zustand. Daher beträgt in einer Stufe der Wärmeenergie-kinetische Energie-Uimrandlungswlrkungsgrad des Strahls etwa 2o %,

Der Energieumwandlungsabschnitt 1st allgemein mit Io bezeichnet und befindet sich innerhalb eines isolierten ringförmigen Kanals.60, der ein umlaufendes Trägergas 14 enthält. Der Dampfstrahl 12, der aus den Rohren 11 austritt, entspannt und unterkühlt sich und erfährt eine Erhöhung auf Schallgeschwindigkeit.

Der Strahl 13 au3 geladenem Aerosol wird aus dem unterkühlten

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Dampfstrahl 12 durch Kondensation um Ionen innerhalb des Trägergases 14 in dem Bereich hoher Ionendichte gebildet, welche durch die Korona um die Drahte 16 herum erseußt wird. Der Strahl 13 aus geladenem Aerosol treibt das Tragergaa 14 um den Ringkörper 6o herum an« Das innerhalb des Ringraumes 6o umlaufende Trägergas 14 wirdals Oasschwungrad bezeichnet. Die kinetische Energie um die Schleife herum infolge der Gasbewegung bleibt annähernd konstant mit Ausnahme am elektrischen Umwandler, wo die kinetische Energie kurzzeitig an einem konvergierenden und divergierenden Abschnitt ' erhöht wird, Innerhalb welchem sich der elektrische Umwandler Io befindet. Der Reibungsenergieverlust wird durch das Arbeiten bei Unterschallgeschwindigkeiten, d.h. unterhalb der Machschen Zahl 1 auf ein Mindestmaß herabgesetzt.

Die verfügbare Eingangswärmeenergie des Überhitsten Dampfes wird gleichgesetzt der elektrischen Ausgangeenergie plus dem kleineren Reibungsenergieverlust des Oases beim Durohlaufen der Schwungradschleife.

Die Eingangswärineenergie für das Qasschwüngrad wird durch die Strömung des erhitzten Dampfes 8 gebildet. Der größte Teil dieser verfügbaren Eingangswärmeenergie wird in elektrische Energie in den Ladeelektroden 17 und den Sammelelektroden

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21 des Umwandlerabachnlttes umgewandelt·

Ein Trägergas14 von niedrigem ifolekulargewicht wird bevorzugt, beiopielsweise Wasserstoff oder ein Gemisch aus Wasserstoff und Helium mit einem kleineren Anteil bekannter Elektronenspülmittel, wie ein Halogen, Kohlenstofftetrachloride Schwefelhexafluorid u. dgl.. Zusätzlich zu seiner Funktion als Trägergas besteht ein weiterer Vorteil der Verwendung dieses Gemisches darin, daß leckendes Gas kein explosives Gemisch mit Luft bildet. Beispielswelse kann das Trägergas aus einem Gemisch von Wasserstoff und Helium im Verhältnis 45 : 45 zusammen mit 5 Teilen Wasser aus dem Aerosol und 5 Teilen einer Elektronenabsorberverbindung, wie SFg, bestehen» Pig· 1. « 5 zeigen eine Anzahl Anordnungen zur Umwandlung des Dampfstrahls in ein geladenes Aerosol·

In Pig_β 2 ist der elektrische Ümwandlungsabsohnitt mit näheren Einzelheiten gezeigt„ Ein Innenrohr 51 im elektrischen Wandlerabschnitt Io bildet eine Portsetzung des Hohres 9· Das Rohr 51 beliefert die Rohre 11 mit dem überhitzten Dampf 8ο Die Rohre 11 haben die Form eines Tragflügels, der mit Sehlitzdüsen 15 endet, aus denen keilförmige Strahlen von unterkühlten! Dampf 12 austreten, aus denen die geladenen Aerosolstrahlen 13 gebildet werden·

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■■./■ . bad

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In umwandlungsraum 2o erweitert sieh der Düsenquerschnitt mit einem kleinen Winkel derart» daß die Geschwindigkeit und/oder die Temperatur und der Druck des Qae-Aerosole an der Sastnelelektrodenebene 23 kleiner als an der Einlaßebene 22 ist.

Pie Ladeelektroden 17 bilden eine Abschirmung gegen das abatessende elektrische Feld des Umwandlungsraumes 2o, das sonst die Bildung von Ionen aus den Drahten 16 verhindern könnte. Ohne Ionen bildet sieh kein geladenes Aerosol.

Die Ladungssaramelelektrode 24 weist eine Anzahl Drähte 21 auf, die auf einem Trägerrahmen 22a in Form eines Siebes angeordnet sind, das eine Gasströmung mit sehr wenig Behinderung zuläßt· Das Sammelsieb 1st innerhalb des Kanals 6o an einer Stelle hoher Gasgeschwindigkeit, d.h. Im Abstand von den Wänden angeordnet· Diese Anordnung verhindert das elektrlscheDurchschlagen des Oases längs der Gasschicht mit der Geschwindigkeit Null, welche an den Handflächen besteht.

Die geladenen Aerosoltröpfchen werden an den Sammelelektroden durch eine positive Ionenemission von den Sammeldrähten entladen. Die Verringerung in der wärmekinetischen Energie und/oder des Temperatur-Druckes des Gases wird In elektrische

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Energie umgewandelt. Die elektrische Energie wird zwischen der Leitung 24a und der Masseleitung 26 Ober den Verbraucher

25 zugeführt.

Unterstromseitig der SchlltsOffnung 15 ist eine Korona*· quelle angeordnet. Die Koronaquelle kann aus nicht gezeigten Spitzenionisatoren oder aus einem Koronadraht 16 bestehen· Um den Draht 16 herum wird eine Koronaentladung durch eine Potentialdifferenz mit Bezug auf die Ladeelektrode 17 aufrecht erhalten. Die Ladeelektrode 17 kann an den Tragflügelquerschnitten 19 angeordnet werden. Durch die Koronaentladung um den Draht 16 werden in der Nfihe eua unterkühlten Danpf-

Strahls 12 Ionen emittiert· Der Draht 16 kann beispielsweise ein Wolframdraht mit einem Durehmesser zwischen Io ^J und Io cm sein, der in einem Abstand von etwa Io cm von der Schlitz-Öffnung angeordnet 1st. Der Raun zwischen den Tragflügelabschnitten 19 bildet einen Kntspannungadüsenbereieh Innerhalb des Kanals 6o. Die Strahlen 12 aus unterkühlte« Dampf kondensieren auf den Ionen und bilden Strahlen 13 aus geladenem Aerosol. Die geladenen Aerosolteilchen ron hober Geschwindigkeit des Strahls 13 vermischen sich mit dem Trlgergas 14, wobei die Bewegungsgrösse der geladenen Aerosolstrahlen 13 auf den Gesamtkörper des sich bewegenden Gases und Aerosols übertragen wird. Das Gas 14 wird auf einer Geschwindigkeit gehalten, die

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gerade etwas geringer als diejenige der Strahlen 13 let« Die Strahlen 13 haben etwa die Schallgeschwindigkeit» welche der Temperatur des Dampfes von hohem Molekulargewicht, aus dem sie gebildet sind, entspricht. Das Gas 14 hat jedoch dann eine etwas geringere Geschwindigkeit, jedoch nur um einen Bruchteil seiner Schallgeschwindigkeit Infolge des kleinen -alitieren Molekulargewichts des Gemisches aus geladenem Aerosol und Gas· Beispielsweise kann ein Gasgemisch, das vorwiegend Wasserstoff Hp enthält, ein mittleres Molekulargewicht haben, das nur wenig grosser als 2, beispieleweise 3 oder 4 1st. Das Gemisch au3 dem geladenen Aerosolgas und dem TrSgergas hat dann ebenfalls Unterschallgeschwindigkeit. Die Machsche Zahl des Dampfstrahls beträgt etwa 1, während die Machsche Zahl des geladenen Aerosolgases bei nahezu dar gleichen Geschwindigkeit und Temperatur ein kleiner Bruchteil ist. Beispielsweise ist bei einem Strahl aus Wasserdampf HpO von Schallgeschwindigkeit (Molekulargewicht 18) bei 6oo° K die Kachsche Zahl 1 gleich etwa k5$ m je Sekunde, während die resultierende Machsche Zahl des Gemisches aus geladenem Aerosol und Gas (mittleres Molekulargewicht 3) bei der gleichen Geschwindigkeit dann "\^/iq oder etwa Oj₁ ¹Jl Mach beträgt.

Wie sich insbesondere aus Pig. 2 und ¹I ergibt, hat der aus de<:n Schlitz austretende Dampfstrahl anfänglich eir.en kleinen

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BAD ORIGINAL :^"-^ g=v-i;

Querschnitt mit Bezug auf den Querschnitt dee Gasstrom 14« Beispielsweise kann die Sehlitzdffnung D.. etwa Io % des Durchmessers D₁ der Rohre 11 betragen. Der Abstand Dg «wischen den Rohren 11 kann etwa das Zehnfache des Durchmessers D₁ jedes Rohres betragen· Die Schlitze haben in diesem Falle einen Querschnitt von 1 % des Trägergasquerschnitts· Die Gasströmung erfährt einen geringstraöglichen Reibungsenergieverlust durch die Wandreibung in den Rohren 11.

Der geladene Aerosolstrahl tritt salt einer winkeligen Streuung von der Strömungsachse aus und füllt den Omwandlungsraura an seiner Eintrittsebene. Durch die gegenseitige Abstoss-ung der Aerosolteilchen wird eine glelchoiässige Ver teilung der geladenen Teilchen im Strom innerhalb des Umwandlungsraumes 2o erzielt.

Während des Entspannungsprozesses nismst die Temperatur des 3trahl8 aus überhitztem Dampf ab · Das Gas 1*1 kann auf einer etwas niedrigeren Temperatur als der Strahl gehalten werden, DerStrahldampf kann auf den unterkühlten Zustand durch Entspannung allein und/oder durch Vermischen mit dem kühleren TfrSgergas gekühlt werden. In jedem Falle bildet. der unterkühlte Dampf geladene Aerosolteilchen in Gegenwart von Ionen· Nachdem einmal der Strom aus geladenen Aerosol

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CiV*

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und Gas auf diese Weise gebildet worden let, wird dessen w&naekinetische Energie in ümwandlungsabsohnitt 2o in elektrische Energie umgewandelt und an den Sammelelektroden abgeleitet.

Die erfindungsgemässe Schwungradvorrichtung aus geladenem Aerosol und das ermöglicht, daß ein beträchtlicher Bruchteil der verfügbaren thermodynamlschen Eingangsenergie der elekt riechen Ausgangsenergie in einer einzigen Stufe angepaßt wird· An der Düsenöffnung findet ein grosser Temperaturabfall statt. Die Strahleingangsenergie wird bestimmt durch die kleine Querschnittsfläche der Eingangsdampfduse, während die elektrische Ausgangsenergie der relativ grösseren Querschnittsfläche des Gas-Aerosol-Stroms innerhalb des elektrischen ÜOTwandlungsabschnitts proportional 1st·

Das Gas-Aerosol arbeitet mit einer hohen Unterschallgeschwindigkeit im elektrischen UmwandiungsäBchnltt» insbesondere wenn ein Gas von geringem Molekulargewicht verwendet wird*

Fig. 3 zeigt eine schaubildliche Ansicht einer Einzelheit von Flg. 2 in vergrößertem Maßstab, bei welcher das Rohr 51 die kleineren Rohre 11 mit überhitztem Dampf beliefert· Der überhitzte Dampf tritt aus den Schlitzdüsen 15 aus» w©l« ehe den unterkühlten Dampfstrahl 12 bilden. Die lonitierungs-

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ϊ?

M 65 9*

drähte l6 sind am Rahmen 55 befestigt* der als gemeinsame Leitung dient und Masseverbindung mit der Oasschwungradvorrichtung haben kann. Die Ladeelektroden 17 an den Tragflügelprofileh 19 (in Fig. 3 nicht gezeigt) werden mit Bezug auf die an Masse liegenden Drähte 16 positiv gehalten. Die Potentialdifferenz beträgt etwa 2.5oo Volt. Um den Draht 16 herum wird eine Korona gebildet. Es werden negative Ionen Ao emittiert, wie durch das Negativzeichen Innerhalb der kleinen Kreise gezeigt· Unterkühlter Dampf 12 kondensiert um die negativen Ionen ¹Io herum, so daß grosse negative Aerosolteilchen erhalten werden, wie durch das Negativzeichen innerhalb der grösseren Kreise ti angegeben.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ansicht der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung im Schnitt längs der Strömunßsachse, auf welche Ansicht die vorangehenden Beschreibungen zutreffen, so daß die gleichen Bezugsziffern verwendet sind.

Flg. 5 ist eine schaubildliche Ansicht des wärmekinetischen Energieurawandlers bei Verwendung von Drahtelektroden anstelle der Trafflügelelektroden 19· Ferner zeigt Fig. 5 eine Alternative zu den Düsenachlitzen 15 in Form einer Reihe von öffnungen 48 in den Rohren 11, Die öffnungen oder Löcher 48 emittieren eine Reihe von Strahlen von kreisförmigem Querschnitt, welche in einen keilförmigen Strahl von unterkühltem

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\ -27- -

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If

Dampf in der Nähe der Drahtelektroden 16 fibergehen, so daß geladene Aerosolteilchen in der vorangehend beschriebenen Weise erhalten werden·

Vor und hinter dem elektrischen Umwandlerabschnitt Io kann der Querschnitt des Oasschwungrad-Hingkörpers wesentlich vergrössert werden, so daß viel niedrigere Machsehe Zahlen an den anderen Stellen um die Schleife herum erhalten werden» besonders im Kondensierabschnitt J5o. Beispielsweise kann der Kanalquerschnitt bei 5o das Dreifache desjenigen bei 49 betragen. Die Maohache Zahl des Gases beträgt um den Ringkörper herum etwa o,l mit Ausnahme im elektrischen Umwandler Io, in welchem sie etwa ο,7 betragen kann· Das Trägergas tritt in den elektrischen Umwandler Io in einem Abschnitt 54 mit konvergierender Wand ein. Dies hat «ur Folge, daß die Machsehe Zahl bei der Annäherung an den elektrischen Umwandlungsbereich zunimmt. Eine hohe Geschwindigkeit des Trägergases 14 wird in dem elektrischen Umwandlungeraum 2o erreicht, in welchem sie für eine weitgehende Energieumwandlung notwendig ist, während eine Mindestgeschwindigkeit des Qas-3Chwungrades an den anderen Stellen um die Ringschleife herum erzielt-wird.'Die.Reibungsenergieverluste-werden daher auf einige wenige Prozent herabgesetzt. Das in der konvergierenden und divergierenden.Düse.» welche den elektrischen Umwandler'Io umgibt, -strömende Trägergas hat immer - Unterachallgeschwlndlg-

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ORIGINAL .... ;

H 659fr

keit. Infolge dieser UnterschallgeschwindigkeiteetrQinung findet im wesentlichen keine Verwirbelung statt, so daß eine glatte Strömung besteht und Reibungsverluste auf ein Mindestmaß herabgesetzt sind.

Die Drahtelektroden 46 und 47 nehmen eine viel geringere Wandflache als die Drahtflügelquerschnitte 19 ein, an deren Stelle sie vorgesehen sind« Die Drahtelektroden 46 und 47 können auf dem gleichen Metallrahmen 36 angeordnet sein·

Die Ladedrahtelektrode 46 ist vor dem EinschnürungEäbschnitt 49 im erweiterten Teil der Düse 45 angeordnet. Der Bereich 37 zwischen der Eingangssttumungsebene der Elektroden 46 . und der AusgangsstrSmungsebene der Elektroden 47 wird als "Laufraum" bezeichnet. Die Elektroden 46 und 47 werden auf dem gleichen Potential gehalten. Die Drahtelektroden 46 bilden die Ladeelektroden, welche eine Potentialdifferenz mit Bezug auf die Drähte 16 erzeugen, welch letztere auf dem Kassepotential gehalten werden können. Um die Drähte herum wird eine Koronaentladung hervorgerufen, die eine Ionenquelle bildet. Um jedes Ion herum bilden sich, wie vorangehend beschrieben, geladene Aerosolteilchen.

Das Wachsen des geladenen Aerosolteilehens durch Kondensation

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■-29-

BAD #

im Laufrad 37 wird durch die folgenden zwei Bedingungen begünstigt:

(1) in der Strecke 1finge des Laufrauraea baut sich das Raum* ladungspotential zu einem negativen Spitzenwert auf und fällt dann wieder ab und wird keine Restleistung extrahiert. Die geladenen Aerosolteilchen wachsen in dem Zeltintervall» welches zum Durchlaufen des Laufraumes 37 mit der Oastragergeschwindigkeit erforderlich ist.

Die geladenen Aerosolteilehen wachsen bis zu» kritischen Radius für die optimale Beweglichkeit· In Pig. 4 wird ein ähnliches Ergebnis erhalten, wenn die Ladeelektroden vor dem engsten Einschnürungsabschnitt angeordnt werden·

(2) Der Dampf erfährt eine weitere Unterkühlung 1» Laufraum Infolge des sich erweiternden Wandabschnitts *5·

Flg. 6 zeigt ein herkömmliches Druck-Volumen-Diagramm für den Rankine-Zyklus ₉ welchen die Dampfkomponente des elektrothermodynaraiBchen Oasschwungradsystems durchläuft. Xn diesem Diagramm stellt A das Volumen und den Druck der Flüssigkeit

(3) im Kessel 2 dar. Der Punkt B entspricht dem Druck und dem

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BAD afelAt*^""'■■* ^ÖM V

Volumen des gesattigten Dampfes Ί, während der Punkt C dem Druck und dem Volumen des überhitzten Dampfes 8 entspricht, der in das Zuführungsrohr 51 eintritt. Die Linie CD stellt eine leentropische Expansion von überhitztem Dampfzustand zu einer Temperatur in der Nähe der Sättigung im Strahl 12 dar· Diese Temperatur liegt gewöhnlich etwas höher als die Temperatur beim Sättigungspunkt, bei welchem normalerweise keine Kondensation stattfinden würde. Jedoch wird in der Gegenwart von Ionen der Dampf unterkühlt, und eine Kondensation der Dampfstrahlen 12 um die Ionen herum unter Bildung geladener Aerosolteilchen herbeigeführt.

Die Strahlen 12 können durch Vermischen mit einem etwas kühleren Trägergas noch weiter gekühlt werden, was eine weitere Unterkühlung zur Folge hat, wodurch das Wachstum der geladenen Aerosolteilchen begünstigt wird.

Der Punkt E stellt die Kondensation eines Teils des Dampfstrahl-s in den flüssigen Zustand In Form von geladenen Aerosolteilchen dar. Am Punkt E bleibt ein bestimmter Teil des Dampfes im Trägergas 1* als Dampf und als Teil hat sich unter Bildung von geladenen Aerosolteilchen kondensiert.

Am Punkt D Im Zyklus ist durch* Kondensation gebildete Flussig-

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3t

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keit durch den Kondensator 3o verdichtet worden. Elektrische Energie wird der Pumpe 32 durch elektrische Leitungen 52a zugeführt. Die den Pumpen 32 zugeführte elektrische Energie macht einen geringfügigen Teil der am Umwandlungsabschnitt entnommenen elektrischen Energie aus. Die Pumpe erhöht den Flüssigkeitsdruck vom Punkt D zum Punkt A praktisch ohne Volumenveränderung· Der. Flüssigkeits-Dampf-Zyklus des Gasschwungrades ist hiermit vollständig.

In Fig. 7 ist ein mehrstufiger elektrothermodynamischer Mehrschlelfen-Ranklne-ProzeA dargestellt. Zn Fig. 7 bezeichnen 61, 62, 63 und 64 elektrothernodynamische Gaseohvungrad-Umwandler, welche den Stufen 1, 2, 3 und 4 entsprechen. In der ersten Stufe wird überhitzter Dampf 8 in elektrische Ausgangsenergie 65 umgewandelt, die einer Klemme 66 und dann einem nicht gezeigten Verbraucher zugeführt wird. Die Schaltung ist im wesentlichen die gleiche, wie in Fig. 1 dargestellt. Die Arbeitsweise aller Stufen 61, 62, 63 und 64 ist ebenfalls die gleiche, wie in Pig. I gezeigt, mit bestimmten nachfolgend beschriebenen Abänderungen.

Die Stufen 61, 62, 63 und 64 liefern ihre elektrische Ausgangsleistung an eine gemeinsame Leitung 66, In jeder dieser Stufen wird das entladene Aerosol kondensiert und in den Abscheidern 71» 72, 73 und 7k auf eine verdichtete

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Flüssigphase zurückgeführt. In den Stufen 61, 62 und 63 werden regenerative Kondensatoren 75, 76 und 77 verwendet. Diese Kondensatoren nehmen die kondensierte Flüssigkeit, welche auf den flüssigen Zustand gekühlt worden 1st, auf und leiten die Flüssigkeit durch die Schleifen in einen Bereich des Ringkörpers zurück, der näher dem elektrischen Umwandler liegt, um diese Flüssigkeit durch Wärmeentnahme aus der Schleife in Dampf zurückzuverwandeln, welcher Dampf In der nächsten Stufe nach dem Durchtritt durch einen Oberhitzer verwendet wird,

Baispielsweise wird bei 71 die Flüssigkeit in den Kondensator 75 nach 78 zurückgeführt. Das obere Ende des regenerativen Kondensators 75 bei 78 hat eine, etwas höhere Teaperatur als die Flüssigkeit bei 71, so daß die Flüssigkeit in gesättigten Dampf umgewandelt wird» der in den überhitzer 8l eintritt* Der überhitzer 81 1st mit einer EingangswSrmequelle versehen, die durch ein Dreieck dargestellt ist· In gleicher Weise wird die in der Stufe 2 bei 72 kondensiert« Flüssigkeit im regenerativen Kondensator 26 erhitzt» so daß gesättigter Dampf 79 erhalten wird, der in den überhitzer eintritt, welcher ebenfalls mit einer Eingangswärmequelle versehen ist, und in der Stufe 3 tritt gesättigter Dampf 8o aus dsm regenerativen Kondensator 77 in den überhitzer 83 ein»

909845/0430 ■■■,'. -33- ■ ·

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dem ebenfalle Wan» zugeführt wird* Di« Eingangstemperatur T₁₁' zum Qaseehwungrad derStufe 1 ist die Temperatur des überhitzten Dampfes 8. Die Temperatur Tj₂ entspricht der Temperatur des in das Qasschwungrad der Stufe 2 eintretenden überhitzten Dampfes· T₁₅ entspricht der Eingangetemperatur des in das Qasschwungrad der Stufe 3 eintretenden überhitz« ten Dampfes, während T^ der Eingangstemperatur des in das Gasschwungrad der Stufe 4 eintretenden überhitzten Dampfes entspricht. Die Temperaturen T₁₁, T₁₂, T^_B T₁^ und T₂^ nehmen aufeinanderfolgend ab. Die Ausgangstemperaturen .des kondensierten gesättigten Dampfes betragt T₂₁ für die Stufe 1, T₂₂ für die Stufe 2, T₂- für die Stufe 3 und T₂H für die Stufe 4. Die Oberhitzer erhöhen die Temperatur des gesättigten Dampfes und wandeln ihn in überhitzten Dampf von konstantem Druck u«, so daft die Temperatur T₃₁ auf T₁₂ zunimmt, T₂₂ auf T₁₅ und T₂- auf T₁^,

In der Stufe Ä wird die kondensierte Flüssigkeit an Abscheider 74 durch die Flflesigkeitsepeisepuap« 32 über den Speisewasservorwärmer 86 zum Kessel 2 zurückgepunpt und von diet eis zum Überhitzer 6 zurBildüng von überhitztem Dampf 8 von der Temperatur T₁₁. Hiermit ist der Prozeß abgeschlossen.

Als Beispiel zeigt die Tabelle i die Brücke in Atmosphären

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- ' : ■■.- ■■:-■ BAD AkSA

M 659*t 55*

iind die Temperatur in ⁰K tür einen vierstufigen elektrothermodynamlschen Rankine-Prozeß, wie vorangehend begehrteben. Diese Werte sollen sur Erläuterung dienen und sind von einem Tentperatur-Entropie-Diagram für Wasser abgeleitet. Ähnliche Tabellen kennen alt anderen Werten für Wasser und für andere verdampfbare Stoffe erstellt warden.

Bei diesem Beispiel liegen die Eingangs* und Ausgangsteiperaturen zwischen 66o° K und 476° K* Als Danpf wird Oberhiteter Wasserdampf verwendet· Ferner wird, wie vorangehend beschrieben» ein Hesrnstofftrager (inhibited carrier) von niedrigem Molekulargewicht, vorwiegend Wasserstoff, verwendet· Der Prozeß wandelt die verfügbare Eingangswärmeenergie in eine elektrische Ausgangsenergie entsprechend den bekannten thensodynamischen Eigenschaften des Systems um.

Tabelle I

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3(

BEISPIEL Tabelle I DRÜCKE UND TEMPERATUREN FÜR EINEN VIERSTtIPIOEN ELEKTROTHERMODYNAMISCHEN BANKINE-PROZEA

Stufe Nr.	Ausgang	Atmosphären pa	geeinigt 0K	Temperaturen
Eingang 1	183	633	tlberliitfct 0K
2	loo	583	666
3	55	5**	626
4	3o	5o8	588
15,3	*76	539 ·

Obwohl ein vierstufiger Prozeß gezeigt wurde, kann auch eine andere Zahl vonStufen verwendet werden·

Fig· 8 zeigt einen elektrothermodynamiechen Brayton-Proseß mit einem geladenen Aerosol in Form eines Blockdiagrarama. Eine Quelle 9o liefert die Eingangswäriiae for den Generator 91

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BAD

für geladenes Aerosol für eine Temperatur T₁, welcher den verfügbaren Teil in elektrische Ausgangsenergle 92 ucw&ndelt. Nach dem Durchtritt durch denelektrischen Urawandlerabaahßitt hat das neutralisierte Oaa 93 eine Temperatur Tg. Bein Durehtritt durch den Rekuperator loo wird die Wärme kontinuferlich durch das Gas abgegeben, bis es sich auf eine Temperatur T, abkühlt. Die Wärme, welche durch das Gas 93 freigegeben wird, wird ausgetauscht, wodurch die Temperaturdes Eingangs· gases 95 zum Generator für geladenes Aerosol kontinuierlich erhöht wird· Nach dem Verlassen des Rekuperators bei 99 hat das aas eine Temperatur T-» Die nicht verfügbare Wärm wird durch den Kondensator 96 zur Atmosphäre mit einer Temperatur T₁^ abgeleitet oder kann sur Leistung weiterer nutzbarer Arbeit in einer nachfolgenden Stufe bei niedriger Temperatur verwendet werden· Das gekühlte Qas tritt dann in den Verdichter 97 für das geladene Aerosol ein, in welchem es wieder auf den Eingangadruck des Generators für das geladene Aerosol mit einer Temperatur Te verdichtet wird» Der Verdichter 97 für das geladene Aerosol let dem Generator für das geladene Aerosol mit der Ausnahme ähnlich, daß er umgekehrt mit einem Beschleunigungsfeld statt mit einem Abstoaaungsfeld im Umwandlungsraum 2o arbeitet» Beim Durchtritt durch den Rekuperatorabschnitt 98 wird die Temperatur auf die Temperatur Tg erhöht. Schließlich, wird durch Zufuhr susätKlicher Wärmeenergie 90 die Temperatur des Gases weiter

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;■;»■ BAD ^

M 6595.

auf die Eingangstemperatur T₁ am elektrisohen ümwandlerebschnttt Io erhöht. Ein Anteil der elektrisohen Auegange energie wird für den Betrieb dee Verdichter» 97 für geladenes Aerosol verwendet.

Fig. 9 zeigt den gleichen Prozeß wie Pig. 8. Die elektrische Energie wird bei 65 am Generatorabeohnitt Io fflr geladenes Aerosol innerhalb des Ringkanals 60 abgeleitet.

Das Trägergas mit einem kleinen Anteil an geladenen Aerosol tritt in den elektrisohen Umwandler mit der Temperatur T₁ ein· Das kühlere Trägergas aus dem elektrischen Umwandler von der Temperatur Tg strömt in den wärmeaustauscher oder Rekuperator 94, aus dem es mit der Temperatur T, austritt. Wärme von der niedrigeren Temperatur T^ wird sur Aussenluft abgeleitet oder der nächsten Stufe am Kondensator 96 zugeführt· Zusätzliches geladenes Aerosol wird in dem Verdichter 97 gebildet, welcher das Trägergas auf den Druck am Eingang zn dem elektrischen umwandlerabschnitt, Jedoch auf eine niedrigere Temperatur T₅ zurückführt.· Der Wärmeaustauscher 98 im Rekuperator erwärmt das Gas wieder auf die Temperatur Tg, die gerade etwas niedriger als die Temperatur Tg am Ausgang des Generators für geladenes Aerosol ist. Die Wärmeaustauscher» Hohrschlagen 94 ziehen Wärme aus dem Gas ab und führen es dem Gas boi 95 über die Wärirteaustauscher-Rohrschlanßen 98 zu,

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6AD

W-659»

Die Rohreohlangen 9» und 98 bilden den Rekuperator. Der Wärmeenergieaustausch von 9» nach 98 innerhalb des Rekuperators ist durch den Pfeil lol angegeben. Die Eingangswärme« energle loo erhöht die Temperatur dee Oases von Tg am Austritt aus der Rekuperaturrohrschlange 98 wieder zurück auf die Temperatur T₁ am Eintritt in den elektrischen Urawandlerabschnitt Io, womit der Proseß beendet ist·

Bei der Durchführung des elektrothernodynamischen Qassohwung* rad-Brayton-Prosesses nach Pig, 9 werden die Vorteile des neuartigen Verfahrens der Verwendung von geladenem Aerosol zur Einleitung von wärmeenergie in Form von wärmekinetischer Energie in einen sich bewegenden Gasstrom offensichtlich. Am Verdichter für das geladene Aerosol wird die Wärmeenergie loo von der Wärmequelle in den Kessel 3 und in den überhitzer 6 eingeleitet, wie in Verbindung mit Pig. 1 beschrieben. Nach ihrer Bildung bewirken die geladenen Aerosolteilchen die Umwandlung von wärmekinetischer Energie in elektrische Energie durch übertragung ihrer BewegungsgrOsse auf den Qas-Aerosol-Strom.

Bei dor Energieumwandlung wird die wärmekinetische Energie des QasStroms einschließlich der Wärme abgezogen, die im Rekuperator loo zugeführt wurde.

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BAD OBlGlNAk ^ - ^ ^v

ίο

Zusätzlich zu der direkten Einleitung der Wärmeenergie des überhitzten Dampfes 8 in das das, wie in Fig· 9 gezeigt, besteht ein weiteres Verfahren durch Wärmeaustausch mittels zusätzlicher Rohrschlangen im Rekuperator, (nicht gezeigt)·

Weitere Vorteile bestehen in der Verwendung des Kondensations-Strahls aus geladenem Aerosol für den Verdichter,

In Pig. 9 ist die Zufuhr von überhitztem Dampf zum Verdichter für das geladene Aerosol gezeigt. Ein Teil des überhitzten Dampfes aus dem Überhitzer 6 wird abgeleitet und durch ein Druckminderventil Ho geleitet, um die Temperatur und den Druck des überhitzten Dampfes so weit herabzusetzen, daß der in den Verdichter 97 für das geladene Aerosol austretende Strahl 112 unterkühlt wird und sieh unter Bildung geladener Aerosolteilchen in der vorangehend beschriebenen Weise kondensieren kann·

Die kinetische Energie dieses Strahls wird dazu ausgenutzt, das Gas auf den Druck am Eingang des Energieumwandlers Io in einer oder■mehreren Stufen zurückzupurapen. Die elektrische Energie 113, die dem Verdichter 97 für das geladene Aerosol zugeführt wird_s ist minimal unä dient zur Erhöhung der kinetischen Energie des geladenen Aerosolstrahls und zur Ent--

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BAD

M 659ft

ladung des geladenen Aerosols an den Sammelelektroden

Das aus der Pumpe austretende neutralisiert· geladene Aerosol tritt in den Bereich 95 ein, worauf es bei seinem Durchtritt durch die Rekuperatorrohrschlangen 98 verdampft, welcher Dampf In dem in den Umwandler Io eintretenden Trä^ergas verbleibt. Bei der Beendigung.-des.Kreislaufs' und unmittelbar vor dem Eintritt in den Verdichter bewirkt Jedoch die Wärmeenergie, welche Im Kondensator bei 96 abgeleitet wird, eine Verdichtung der Flüssigkeit bei 115, worauf diese Flüssigkeit durch die Pumpe 32 zum Kessel 3 zurückgepumpt wird, wie vorangehend in Verbindung mit Piß. 1 beschrieben·

Innerhalb des Rahmens der Erfindung können Jedoch bei der beschriebenen Anordnung verschiedene weitere Abänderungen vorgenommen werden.

Da das zur Bildung eines geladenen Aerosols in der erfindungsgemässen Vorrichtung erforderliche Hassenverhältnl· von Flüssigkeit zu Luft sehr klein ist, können viele elektrische Stufen hintereinandergesehaltet werden. Bei vielen elektrischen Umwandlerstufen werden, wenn das geladene Aerosol nach Jeder elektrischen Stufe entladen wird, die neutralen Aerosolteilchen von neuem verdampft und verfügbar«

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■.-4.1*-,

BAD

Der Wirkungsgrad der UmwandIunc von Wärmeenergie in elektrische Energie hängt von einer Anzahl Betriebskenngröseen ab. Ef stehen mehrere verschiedene Umwandlungsarten von Wärmeenergie in elektrische Energie mittels eines Arbeitsmediums In Form eines geladenen Aerosols im Rahmen der Erfindung zur Verfügung. Eine wirksame Umwandlung findet statt, wenn der Temperaturabfall während der Entspannung des Strahldampfes stattfindet, bevor das geladene Aerosol den Umwandlungsraum erreicht·

Unter diesen Bedingungen wird die verfügbare Wärmeenergie unmittelbar in symmetrische Energie des erhaltenen Stromes umgewandelt. Der Wirkungsgrad dieses thermodynamischen Umwandlungsprozesses 1st durch denjenigen des idealen reversiblen Prozesses begrenzt, für welchen er ΔT/T beträgt, etwa 2o % für eine einzige Schleife.

Im Umwandlungsraum kann die kinetische Energie des Äerosölstromes in elektrische Energie mit einem konstanten thermodynamischen Zustand umgewandelt werden, wenn die Geschwindigkeit U verringert und der Querschnitt A des Umwandlungsraumes erhöht wird, so daß das Produkt AU konstant ist. Dieser Prozeß wird nachfolgend als Modus A beseichnet.

Bei einem anderen Verfahren zur Umwandlung der verfügbaren War-

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-42-"BAD

■Μ 659»

neenergie des Gas-Aerosol-Stromes In elektrische Energie Im Umwandlungsraum 28 wird eine Temperaturverringerung bei konstanter Geschwindigkeit angewendet, welcher Prozeß als "Modus %"· bezeichnet wird. In der Praxis finden die Modi A und B zusammen statt.

Es ist vorzuziehen, zumindest zum Teil im Modus B su arbeiten ,um eine Unterkühlung im Umwandlungeraum herbeizuführen. Dies ermöglicht das Erreichen siner höheren elektrischen Durchschlagfestigkeit, welche zu einer höheren elektrischen Leistungsdichte, niedrigeren RsibungsenergieVerlusten mit Bszug auf die elektrische Leistungsdichte, niedrigeren Betriebsdrücken und einer höheren Geschwindigkeit des Trägergases führt, was sich aus den nachfolgend gegebenen Beispielen ergibt.

Der Gesamtwirkungsgrad für einen einstufigen Einzelschlelfen-Gaasch\mngrad-Generator 1st gegeben durch das Produkt des Wärme zur kinetischen Energiewirkungsgrades des Strahles und des Wirkungsgrades der wannekinetischen Energie des geladenen Aerosolgases zur elektrischen Energie. Eb kann bei Berücksichtigung der Reibungsenergieverluste ein Gesamtwirkungsgrad von etwa 14 % Je Stufe erreicht werden«

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BAD J

M 659*>

Nachfolgend wird eine mathematisch-physikalische Analye· gegeben» welche das Verhältnis des Quepsehnitts des Strahl· zu demjenigen des Trägergasβs zeigt» um die Strahleingangeenergie der elektrischen Ausgangsenergie plus einem kleinen Reibungsenergieverlust anzugleichen·

Tabelle der Symbole Es werden MKS ⁰K Einheiten verwendet·

A_x, s Verhältnis der Quereehnittsfläohe der Strahlöffnungen zum Querschnitt des elektrischen Umwandler« an der Einschnürung*

C₀ 3 Reibungsfaktor·

D = Abstand zwischen den Tragflflgelwänden· δ ^s relative Dichte des Trägergases.

^aJ ^{s relative} Dichte des Dampf Strahls» wenn dieser in das Trägergas austritt.

Ψ s «♦ C₀ (L/D)

•Jf ^s Pf/Pg= das Reibungs/elektrißche Energieverlustverhältnis bzw. das Verhältnis der Reibungsenergiedichte zur elektrischen Ausgangsenergiedichte.

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BAD

M 659*

PjpJ das Una*Ändlunf,ay<srhaitni» elektrische Energie/ kinetische Energie bcw, das Verhältnis der elektrischen Ausgangsenergiedichte sur kinetischen Energiedichte des geladenen Aerosolgaaea.

M_ & Machsehe Zahl des Trägergases.

M. 3 Machsche Zahl des DajspfStrahls· m_ = mittleres Molekulargewicht des Trägergases_β εκ χ mittleres Molekulargewicht des Strahldaispfes«

- mittleres Molekulargewicht des Trflgergases mit-Bezug auf die Luft (2B»8) - . .i

= Molekulai'gewicht des Dampf Strahls mit Bezug auf Luft (28,8)

s elektrische Energiedichte im ümwandlunf5»raum» s kinetische Energiedichte am Strahl,

a kinetische Energiedichte.
p_f ■■« Reibungaenergiedichteverlust. U_ = Trägergasgeschwindigkelt.
Uj = StrahldaTHpf geschwindigkeit.

Die klnetlscheEnergiedichte des Trägergasstromes 1st

Die Strahlenergiedichte Je Querschnittseinheit des TrSgergas-

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¥1

Stroms ist:

■ ^A

r ¹Vj Vaj ⁰J^{3 w}>.

Die relative Trägergasdlchte und -Geschwindigkeit 1st gleich derjenigen des Strahldarapfes:

^{und 0}J '

Die Strahlenergiedichte ist gleioh der elektrischen Ausgngs· energiedichte und der ReIbunftsverlustdichtet

Die Reibungsenerßiedichte kann durch die kinetische Energiedichte ausgedrückt werden:

^pf * ^co ^{CL/D) p}k

Durch Definition ist P₆ *%

aus (ή), (5) und (6) ergibt sich:

(L/D)3 p_k =»)^lP_k (7)

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-46-BAD

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daher ist:

■'■■■- *

ι>* ■ η > c_o (L/D> (8)

aus Cl)» (2) und (7) ergibt sich;

»' ' Pj>k *Λ '¹V¹Vg' ⁽⁹⁾

Eine Untersuchung hat gezeigt» daß:

Die Machsehe Zahl des Gases bei der gleichen Temperatur und bei einem annähernd gleichen Verhältnis der spezifischen Wärme ist umgekehrt proportional der Quadratwurzel ihres Molekulargewichtes· Infolgedessen 1st für einen Dampfstrahl mit dem Molekulargewicht m-, welcher In ein Trigergas von dem Molekulargewicht m bei annähernd der gleichen Geschwin-

digkeit und Temperatur austritt, die Hachsche Zahl des Trägergases M mit Bezug auf die Machsche Zahl des DampfStrahls M- gegeben durch das Folgende:

90 9 845/OA30 SAD ORIGtNAt ^

M- 659* H

Beispiel

Gegeben: ty¹ = ο,ΐο

Mittleres Molekulargewicht des Trägergases s 3 Der Strahldampf ist H₂O (mw = 18)

Gesuchts

(b) welchen Wert hat A_r bei η* ■ 6 %

(c) welches ist die Nachsehe Zahl des Trfigergases. Lösung: ·

(a) A_r = »j» 3/1θ = ψ/6

(b) für 0* = o,06

A_r = 0,06/6-s 0,öl

(c) M₄,-β 1 f3/l8 s o,11

Es können verschiedene TrSgergase, wie Wasserstoff, Luft oder ein andereβ Gas mit oder ohne Elektronen- oder lonenspülmittel verwendet werden, wie vorangehend beschrieben«

Für die Dampfstrahlen können verschiedene Materialien verwendet werden, beispielsweise Wasser, organische Alkohole, Glycerin, Dipheny!chloride, Quecksilber, Alkalimetalle u. dgl.

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O5M

Für eine elektrische Ausgangsleistung von loo kV wird eine Miniaturtragflugelanordnung mit einer Umwandlungsraumabmessung L zwischen o,5 und 1,5 «απ verwendet.

Damit ein grosser Tröpfchenradius des geladenen Aerosols nicht erforderlich ist und um eine grosee Stromdichte zu erzielen, ist es vorzuziehen, daß die Geschwindigkeit des geladenen Aerosols gleich3oo m/s ist oder dieseGeschwindigkeit überschreitet. Die Gasgeschwindigkeit im ümwandlungsraum soll etwa o,7 Mach für die Unterschallströmung und eine geringstmögliche Reibung betragen· Um übermässig starke Wandquerschnitte zu vermeiden, 1st es vorzuziehen, daß die relative Gasdichte weniger als etwa 2oo beträgt. Nur bestimmte Zusammensetzungen und Betriebsbedingungen entsprechen diesen Kriterien.

Wenn z.B« gegeben ist: UV = 1 und Γ)* ^a o,ol, und eine Energiedichte von Io Watt/m , wird diesen Kriterien nur Rechnung getragen mit einem geladenen Aerosolgemisch aus Wasserstoff und Wasser, das durch ein Elektronenspülgae funkenhemraend gemacht worden ist, oder mit einem funkenhemmenden und unterkühlten geladenen Aerosol aus Wasserstoff und Wasser. Die Geschwindigkeiten sind 3o2 m/s und l»7o m/s, während die relativen Dichten 89 bzw. 24 sind.

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BAD

M 6594.

Wenn Jedoch 4_k β ο, 25 und »)_f »ο,οί bei einer Leistungsdichte von Io Watt/m 1st, werden den Kriterien nur Rechnung getragen durch ein gehemmtes unterkühltes geladenes Wasserstoff-Wasser-Aerosol bei einer Betriebsgeschwindigkeit von etwa 326 m/sec bei einer relativen Dichte von 28. Kenn andererselts die Ausgangsleistungsdichte auf Io Watt/m erhöht wird, sind geeignete Zusammensetzungen und Betriebsbedingungen: ein reines Wasserstoff-Wasser geladenes Aerosol mit einer Betriebsgeschwindigkeit von 4o9 m/sec bei einer relativen Dichte von I¹J^, ein inhibiertes Wasserstoff-Wasser geladenes Aerosol von 523 m/sec und einer relativen Dichte von 67» ein Luft-Wasser geladenes Aerosol, das inhibiert und unterkühlt worden ist, von einer relativen Dichte von 13,3» mit einer Betriebsgeschwindigkeit von 372 m/seo bei einer hohen Betriebstemperatur für TJnterschallbetrieb, und ein Inhibiertes und unterkühltes Wasserstoff-Wasser-Aerosol mit einer Betriebegeschwindigkeit von 817 m/sec und einer relativen Dichte von 19,5.

Für I)^ = o,Io und^ » ο,Io werden die Kriterien erfüllt bei

6 ? einer Leistungsdichte von Io Watt/m durch ein inhibiertes Wasserstoff-Wasser geladenes Aerosol von einer Betriebsgeschwindigkeit von 3o2 m/sec und mit einer relativen Oasdichte von 88,5, sowie durch ein Inhibiertes und unterkühltes Wasserstoff-Wasser geladenes Aerosol von einer Betriebsgeschwindigkeit

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M 659*»

von 47o m/sec und einer relativen Gasdichte von 23,6. Bei

8 ■
einer Leistungsdichte von Io Watt/m werden die Kriterien erfüllt mit einem reinen Wasserstoff-Wasser geladenen Aerosol von einer Betriebsgeschwindigkeit von 59o m/seo mit einer relativen Dichte von 12o, mit einem inhibierten Luft-Wasser geladenen Aerosol von einer Betriebsgeschwindigkeit von 316 m/sec und einer relativen Gasdichte von 41,5 (diese Geschwindigkeit liegt unter Normalbedingungen etwa bei der Schallgeschwindigkeit, 1st Jedoch bei höheren Temperaturen Unterschallgeschwindigkeit) mit einen inhibierten Wasserstoff -Wasser-Aerosol von einer Betriebsgesohwindigkeit von 756 m/sec bei einer relativen Gasdichte von 55,-und mit einem inhibierten und unterkühlten Wasserstoff-Wasser-Aerosol, das mit einer hohen Gasgeschwindigkeit von Il8o m/sec und einer Gasdichte von 13,5 betrieben wird.

Zusammenfassung dieser Ergebnisses

(1) Bei Verwendung eines geladenen Aerosole mit einer hohen elektrischen Durchschlagfestigkeit infolge der Verwendung eines elektronenanziehenden Trägergases und/oder eines unterkühlten Dampfes in diesem und bei einem kleinen mittleren Molekulargewicht des Trägergases wird erzielt:

(a) die höchste Batrlebsgeschwindigkeit 903845/ΊΗ30

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S2

(b) die kleinste relative Gasdichte

(c) das höchste elektrisch-kinetische UnwandlungsverhSltnls

(d) das kleinste Reibung-elektrischer Verlust-Verhältnis.

(2) Eine Qaa-Aerosol-Oeschwinälgkeit von mehr als 3oo ra/· und weniger als o,7 Mach und eine relative Gasdichte von weniger als 2oo (und bis auf Io herunter) ist mit einem grösseren Dereich von geladenen Aerosol-flas-Zusaamenseteungen bei elektrischen Leistungsdichten fiber Io Watt/m und

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vorzugsweise etwa Io Watt/m erzielbar«

(3) FUr Ausgangsspannungen von etwa loo kV und unter den angegebenen Betriebsbedingungen ist eine MiniaturtragflOgelanordnung mit einer OimrandlungelSnge von etwa 1 m erforderlich.

(4) Eine bisher noch nicht erreichte hohe Energleumwandlungskonzentration. POr Io kW/cm in einem Würfel von 1 onr bei einer mittleren Dichte von 5-gm/cnr beträgt die Energiekonzentration im elektrischen Umwandler etwa 1 Megawatt/kg.

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S3

(5) Dae Gasschwungrad ermöglicht das Erzielen «ines groesen Teiriperaturabf&lls je Stuf® und ermöglicht die A&pacsung der hohen Eingangsenergiedichte eines Strahls von kleinen Querschnitt an einem elektrischen Umwandler von gr&ssereai Querschnitt, jedoch von kleinerer Energiedichte·

(6) Es wird ein grösserer Temperaturabfall durch mehrstufige Gaaschwingradumwandler mit aufeinanderfolgend niedrigeren
Temperaturen erzielt,

(7) Bei einem einstufigen elektrothermodynamischen Qasschvmngrad-Brayton-Prozeß läßt sich ein hoher QeeatntHirkungegrad von etwa ko % erzielen.

Patentansprüche:

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Claims (1)

1. P a te ntanaprflchg :

   1. Elektrothermodynamlsche Gasschwungrad-Energieumwandlungsvorrichtung, gekennzeichnet durch eine Kanalschleife» ein Trägergas von niedrigem Molekulargewicht unter Druck Innerhalb der Kanalschleife,, eine Zufuhrquelle von überhitztem Dampf, welche mit dem Inneren der Kanalschleife in Verbindung steht, eine erste Düse innerhalb des Kanals zur Aufnahme des überhitzten Dampfes und für den Austritt eines gerichteten Strahls von unterkühltem Dampf, eine Ionenquelle innerhalb des unterkühlten Strahls, so daß ein geladenes Aerosol innerhalb.des TrSgergases gebildet wird, einen Energieunwandlungsabschnitt Innerhalb des Kanals mit einer zweiten Düse und Saosnelelektroden so? Entladung des Aerosols, Ladeelektroden am Eintritt des Umwandlungsabschnitts, eine Spannungsquell·, welche zwischen den Ladeelektroden und der Ionenquelle geschaltet 1st, einen elektrischen Verbraucher, der zwischen die Sammelelektroden und die Ionenquelle geschaltet 1st, so daß ein wesentlicher Teil der kinetischen Energie des Dampf-

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   Strahls In elektrische Energie umgewandelt wird» während der Rest der erwähnten kinetischen Energie das Oas ua die Kanalschleife herum treibt, einen Konfcnaator in der Kanalsohleife sum Kondensieren des entladenen Aerosols zu einer Flüssigkeit, einen Kessel und einen Oberhitzer als Zufuhrquelle für den Überhitsten Danpf» und Mittel zur Rückführung der kondensierten Flüssigkeit zum Kessel und zum überhitzer.

   2. Energieumwandlung vorrichtung nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet, daßein unterkühlter Dampfstrahl von hoher Energiedichte und kleinem Querschnitt einem getriebenen Trägergas angepaßt wird, In welchem ein geladenes Aerosol in dem Umwandlungsraum von grossem Querschnitt elektrische Energie von geringer Energiediohte umwandelt«

   3. Umwandlung*vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägergas im wesentlichen durch die BewegungsgrSase der geladnen Aerosoltellchen getrieben wird.

   1. Geladene Aerosolvorrichtung nach Anspruch I₉ dadurch ge«.

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   kennzeichnet, daß das TrSgergas ein PunStonh»asflung*aitt«l enthalt» so daß eine hohe elektrische Durchschlagfestigkeit und eine grössere elektrische Aueg&ngsenergie ersielt wird, -

   5. Umwandlungsvorriehtung nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet, daß das TrSgerg&s Wasserstoff und der Danpf Wasser ist«

   6. Urawandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das geladene Aerosol und der Dampf innerhalb des Trägergases in einem unterkühlten Zustand durch die Enspannung des Gasse im ümwandlerbereich innerhalb der zweiten Düse gehalten wird, wodurch eine hohe elektrische Durchschlagfestigkeit und eine grSssere elektrische Ausgangsenergie erzielt wird·

   7. Uimrandlungevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» daß das n*ägergas mit einer ersten btw. Unterschallgeschwindigkeit arbeitet und der Dampfstrahl mit einer zweiten Geschwindigkeit» welches nahezu die Schallgeschwindigkeit ist, welche zweite Geschwindigkeit etwas

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   BAD

   H 659fr

   grosser als die erste Geschwindigkeit ist» so daß Reibungeenergie Verluste auf ein-Mindestmaß herabgesetst sind.

   8. Umwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalschleife einen verringerten Querschnitt am Umwandlerabschnitt für den Betrieb mit einer Unterschallgeschwindigkeit zwischen o,3 und o,9 Mach am Umwandlerabschnitt und einer viel kleineren Geschwindigkeit swischen o,l und o,3 Mach in der restlichen Schleife hat.

   9. Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie» dadurch gekennzeichnet, daß ein Trägergas um eine geschlossene Schleife in Umlauf gesetzt wird, dae umlaufende Gas mittels eines unterkühlten Dampfstrahle innerhalb der Schleife angetrieben wird, in den erwähnten Dampf Ionen eingeleitet werden, ein geladenes Aerosolgas innerhalb des Trägergases in der Nähe der erwähnten Ionen gebildet wird, die kinetische Energie und die Temperatur des erwähnten geladenen Aerosolgases durch Abziehen•elektrischer Energie aus dem geladenen Aerosol verringert werden, das Aerosol entladen wird, das geladene Aerosol ge-

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   M 659i

   gekennzeichnet durch die Verwendung des geladenen Aerosols als Arbeitsmedium nach Anspruch 1 in einem Hehrschleif en-Rankine-Prozeß.

   1*}. Elektrothermodynamiseher Qaeschwungrad-Energleumwandler, gekennzeichnet durch die Verwendung des geladenen Aerosols als Arbeitsmedium nach Anspruch 1 in einem Hehrschleif en-Bray ton- Prozeß.

   25· Elektrothernodynamischer Gasschwungrad-Energleumwandler, dadurch gekonnzeichnet, daß das geladene Aerosol als Arbeitsmedium nach Anspruch 1 verwendet wird« wobei das geladene Aerosol durch Vermischen des DampfStrahls mit einem etwas kühleren Tr&gergas in Gegenwart von Ionen erhalten wird.

   16, Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1 mit einer Ionenquelle, gekennzeichnet durch eine Leitung mit einem Schlitz parallel zur Achse der Leitung, aus welchem ein keilförmiger Dampfstrahl austritt, einen Korona-Draht in der Nähe dieses Schlitzes und parallel zu diesem inner-

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   sammelt und zu einer Flüssigkeit kondensiert wird, die Flüssigkeit in überhitzten Dampf dadurch surückverwandelt wird, daß wärmeenergie zugeführt und der überhitzte Dampf von neuem in das Trägergas eingeleitet wird.

   Io· Elektrethermodynamiseher Qasschwungrad-Energleumwandler, gekennzeichnet durch die Verwendung des geladenen Aero*· sols als Arbeitsmedium nach Anspruch 1 In einem Ranklne-Prozeß, ·

   11. Elektrothermodynamischer eaoschwungrad-Energieurowandler, gekennzeichnet durch die Verwendung des gHadnen Aerosols als Arbeltsmedium nach Anspruch 1 in einem Brayton-Prozeß»

   12. Elektrothermodynaraiecher Gasschwungrad-Energieumwandler, gekennzeichnet durch die Verwendung des geladenen Aerosols als Arbeltsmedium nach Anspruch 1 in einem Mehrschlei· fen-Prozeß.

   15. ElelctrothermcdynainiBcher Gasschwungrad-Energieuinwandler,

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   BADORIQINAL

   M 659* (φ

   halb des DAsapf strahle und Ladeelsktroden untersuroaneltlg des erwähnten Drahtes·

   17. Vorrichtung nach Anspruch 1» dadurch gekennzeichnet, daß die unterstromseitigen Ladeelektroden swei Drahtsiebe von dem gleichen Potential bilden, von denen das eine weiter unterstromseitig als das andere ist und die Quer*

   schnittsveränderung der zweiten Düse an der die Leitung bildenden Wand vorgesehen ist.

   18. Elektrothermodynaia&sches Erayton-Proaeß-Gasschwungrad

   mit geladenem Aerosol nach Anspruch 1, dadurch gekenneeiehnet, d& die Heiz- und KÜhlahsohnltte des Rekuperator* In der Kanalschleife vorgesehen sind und der Verdichtungeteil des Brayton-Prozesses dadurch erzielt wird, daß ein Anteil der elektrischen Ausgangsenergie aus dem EnergleuiBwandlerabschnitt für das geladene Aerosol einer Pumpe für geladenes Aerosol als Verdichter des Trfigergases zugeführt wird»

   Für Alvon M, H a r k s

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   909846/0A30 BADORIGtNAL

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