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Verfahren und Einrichtung zur Umwandlung von Energie.
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Die entstehende Spannung fällt in die Richtung der Gasbewegung und die erzeugten Teilspannungen summieren sich, so dass zwischen einem einzigen Elektrodenpaar des Generators praktisch vorteilhafte Spannungen entstehen.
Bei den bekannten Verfahren ist die erzeugbare Nutzspannung von der Gasgeschwindigkeit, der Stärke des Magnetfeldes und der Breiteabmessung des Generators abhängig und besitzt verhältnismässig niedrige Werte. Im Generator können Teilspannungen nicht in Reihe geschaltet werden.
Bei dem vorliegenden Verfahren ist die zur Gasströmungsrichtung quergerichtete Geschwindigkeit der zur Nutzleistung nicht herbeigezogenen Elektronen mit der je Zentimeter Generatorlänge erzeugten Spannung des statischen elektrischen Längsfeldes proportional.
Da die Geschwindigkeit dieser Elektronen von der Gasgeschwindigkeit unabhängig frei wählbar ist und das Mehrfache der Gasgeschwindigkeit erreichen kann, ist die erzeugte Spannung je Zentimeter Länge unabhängig von der Gasgeschwindigkeit und kann bedeutend grösser sein als bei den bekannten Verfahren. Die Geschwindigkeit gibt bei dem vorliegenden Verfahren nur die verfügbare Energie je Kilogramm des Arbeitsmittels, also die Leistung desselben an. Diese Leistung kann je nach Bedarf beliebig auf Strom (Ampère) und Spannung (Volt) verteilt werden.
Als gasförmige Arbeitsmittel sind alle jene Stoffe verwendbar, die als Träger positiv geladener Teilchen und freier Elektronen dienen können. So kann man Gase, z. B. Luft, Stickstoff, Edelgase, weiters Dämpfe, z. B. Quecksilberdampf, und auch elementare Teilchen von kolloidaler und suspensionaler Grössenordnung enthaltende Gase, z. B. Staubwolken, Nebelwolken usw., verwenden.
Die Fig. 1-4 sind schematische Darstellungen zur Erläuterung des Verfahrens.
Fig. 5 ist ein Längsschnitt durch den Generator.
Fig. 6 veranschaulicht einen waagrechten Querschnitt durch den Kern 31 der Einrichtung nach Fig. 5.
Fig. 7 ist ein Schnitt durch einen Teil einer andern Ausführung des Generators.
Die Fig. 8,9 und 10 sind Querschnitte von Einrichtungen, die Elektronenstrahlen erzeugen.
Durch einen in der Fig. 1 nur in der linken Hälfte dargestellten Kanal 1 mit ringförmigem
Querschnitt, welcher durch den mit den Pfeilen 2 angedeuteten magnetischen Kraftfluss durchsetzt wird, strömt in der Richtung der Pfeile 3 ein gasförmiges Arbeitsmittel. Dieser Kanal ist als Arbeitskanal eines Generators aufzufassen. Man muss dafür sorgen, dass das Arbeitsmittel in dem vor der Einführungsstelle in den Arbeitskanal liegenden Raum 11 positiv geladene Teilchen und freie Elektronen enthält. Dies ist z. B. durch die Einführung von Elektronenstrahlen in den Raum 11 erreichbar. Zufolge der Ionisierung mit Elektronenstrahlen entstehen in dem bisher neutralen Arbeitsmittel zwischen den neutralen Teilchen in grosser Anzahl positiv geladene Teilchen und freie Elektronen.
Die Anzahl der sich bildenden Ionen und Elektronen ist einander gleich, so dass demzufolge auch die sich bildenden positiven und negativen elektrischen Ladungsmengen einander gleich sind. Die Beweglichkeit der positiven Ionen ist gering und dieselben können sich zufolge einer elektrischen Kraftwirkung, wegen ihrer grossen Reibung im Arbeitsmittel, nur verhältnismässig langsam bewegen. Die freien Elektronen haben demgegenüber eine verhältnismässig grosse, einige tausendmal grössere Beweglichkeit als die positiven Ionen, so dass durch dieselbe elektrische Kraftwirkung die Geschwindigkeit der freien Elektronen einige tausendmal grösser ist.
Das im magnetischen Kraftfeld des Kanals strömende Arbeitsmittel nimmt die positiven Ionen zufolge der grossen Reibung mit sich, wogegen die freien Elektronen bei ihrer Bewegung im magnetischen Feld durch das letztere abgelenkt werden, wobei die Richtung dieser ablenkenden Kraft zu den magnetischen Kraftlinien sowie zur Bewegungsrichtung der Elektronen senkrecht steht. Diese Kraft lenkt also die Elektronen aus ihrer ursprünglichen Richtung ab, ändert aber nicht ihre Geschwindigkeit. Zufolge dieser magnetischen Kraftwirkung weichen die Elektronen von der Strömungsrichtung des Arbeitsmittels ab und erlangen schliesslich, indem sie sich senkrecht zur Strömung- richtung des Arbeitsmittels mit hoher Geschwindigkeit bewegen, entgegen der Wirkung des elektrischen Feldes einen Gleichgewichtszustand.
Die Richtung des elektrischen Feldes ist durch die Pfeile 10 bezeichnet.
Das elektrische Feld entsteht dadurch, dass die positiven Ionen mittels des Gasstromes durch den Generator hindurchgeschleppt werden, während die negativen Elektronen durch das magnetische Feld gezwungen werden, sich in Querrichtung zu bewegen, so dass dieselben in einer gewissen Höhen-
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bildet demnach eine halbdurchlässige Wand, indem er die neutralen Teilchen und die Ionen hindurchlässt, während die negativen Elektronen in demselben zurückgehalten werden. Das dem Generator zuströmende Arbeitsmittel nimmt grosse Mengen von Ionen und negativen Elektronen mit sich. Die Elektronen können durch das magnetische Feld des Generators, wenn in demselben bereits Elektronen kreisen, nicht hindurchdringen, sie sammeln sich vielmehr vor dem Generator und bilden dort die mit 5 bezeichnete Elektronenwolke.
Die positiven Ionen gelangen mit dem Gasstrom durch das magnetische Feld hindurch und treten mit dem neutralen Gasstrom gemeinsam am andern Ende des Generators aus. Die vor dem magnetischen Feld des Generators lagernde negative und die hinter
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sators, zwischen welchen ein elektrisches Feld entsteht, das entgegen der Gasströmung gerichtet ist.
Das elektrische Kraftfeld übt auf die positiven Ionen eine Kraftwirkung entgegen der Richtung des
Gasstromes aus. Zwischen den positiven Ionen und den neutralen Teilchen des Arbeitsmittels besteht eine grosse Reibung, so dass die positiven Ionen der elektrischen Kraftwirkung nicht frei folgen können, sondern diese auf mechanischem Wege auf das gesamte neutrale Arbeitsmittel übertragen. Auf diese Weise übt das elektrische Feld des Generators auf die ganze Menge des strömenden Arbeitsmittels eine verzögernde Wirkung aus.
Zufolge dieser Kraftwirkung wird die kinetische Energie des Arbeitsmittels zur Gewinnung elektrischer Energie nutzbar gemacht, da entgegen der Wirkung des elektrischen Kraftfeldes positive elektrische Ladungen von einer Stelle niedrigeren positiven Potentials zu einer Stelle höheren positiven Potentials gefördert werden. Wenn man also zwei, verschiedene Potentiale aufweisende Stellen des elektrischen Kraftfeldes miteinander leitend verbindet, so wird von der Stelle höheren Potentials zu der Stelle niedrigeren Potentials Strom fliessen oder was damit gleichbedeutend ist, es gelangen von der Stelle niedrigeren positiven Potentials zur Stelle höheren positiven Potentials Elektronen.
Die Energie steht nicht nur in der Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsmittels, also in der gerichteten Bewegung der elementaren Teilchen, sondern auch in Form von Druck-und Wärmeenergie zur Verfügung, welche auch in eine gerichtete Strömung umgewandelt werden kann.
Wenn man also aus dem Arbeitskanal vor dem magnetischen Feld die sich dort stauende Elektronenwolke 5 über den Pol 6 und den äusseren Stromkreis 7 zum Pol 8 führt, und von dort die negativen Elektronen zur Neutralisierung der positiven Ionen 9 in das Arbeitsmittel zurückleitet, so kann man in dem äusseren Stromkreis 7 elektrische Energie gewinnen.
Der geschlossene elektrische Stromkreis ergibt sich dadurch, dass sich die positiven und negativen Ladungsmengen an der Grenze des magnetischen Feldes nach Zurücklegung von gesonderten Bahnen am positiven Pol des Generators wieder vereinigen. In dem einen Zweig besteht demnach eine positive Ionenströmung und im andern Zweig eine Strömung negativer Elektronen, so dass die beiden parallelgeschalteten Strömungen entgegengesetzten Sinnes mit einem geschlossenen elektrischen Stromkreis gleichwertig sind.
Wenn die je Gewichtseinheit zur Verfügung stehende Energie des strömenden Arbeitsmittels und die gewünschte Klemmspannung des Generators gegeben sind, so kann aus dem Gleichgewicht der zur Verfügung stehenden Arbeit und der geleisteten elektrischen Arbeit die je Gewichtseinheit notwendige Ladungsmenge berechnet werden.
Der Zusammenhang zwischen Klemmenspannung und spezifischer Ladungsmenge ist der folgende :
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Dabei bedeutet E die Klemmspannung des Generators in Volt, q die elektrische Ladung pro 1 kg
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des Arbeitskanals des Generators und g die Erdbeschleunigung.
Der theoretische Wert der Stromstärke der nach obigen Prinzipien arbeitenden Vorrichtung ist :
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wobei G das Gewicht der je Sekunde hindurch strömenden Arbeitsmittelmenge in Kilogramm bedeutet.
Um die im magnetischen Feld aus ihrer ursprünglichen Richtung abgelenkten, in einer gewissen
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dass diese Elektronen in einer geschlossenen Bahn kreisen können. Dies erreicht man z. B. dadurch, dass man den durch magnetische Kraftlinien durchsetzten Kanal mit ringförmigem Querschnitt ausbildet. Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich, veranlasst das auf die Richtung des Arbeitsmittelstromes senkrecht auftreffende magnetische Feld. die Elektronen in der Richtung der durch den Pfeil 4 angedeuteten Bahn zu kreisen.
Durch Umkehrung des oben beschriebenen Verfahrens kann man durch Aufwand elektrischer Energie die Energie des Arbeitsmittels erhöhen. Dies wird erreicht, indem man das Arbeitsmittel im gleichen Sinn mit den elektrischen Kraftlinien strömen lässt, wobei das strömende Arbeitsmittel unter Vermittlung der positiven Ionen aus dem elektrischen Feld Arbeit aufnimmt. In diesem Fall müssen die aus dem Arbeitsmittel herausgeführten Elektronen mit Hilfe einer äusseren elektrischen Energiequelle in das Arbeitsmittel zurückgeführt werden.
Bei dem beschriebenen Verfahren bewegen sich die positiven Ionen in der Strömungsrichtung mit dem Arbeitsmittel gemeinsam entgegen der Wirkung des elektrischen Feldes und liefern die äussere elektrische Arbeit. Die sich vor dem Generator stauenden Elektronen gelangen über einen äusseren Stromkreis zu den positiven Ionen zurück. Im Arbeitskanal bewegen sich die Elektronen senkrecht zur Richtung der Gasströmung und spielen nur eine kraftübertragende Rolle.
Fig. 3 veranschaulicht einen Strömungskanal mit einem einfach zusammenhängenden Querschnitt im Längsschnitt und Fig. 4 zeigt denselben in Querschnitt nach der Schnittlinie A-A.
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Die Arbeitsweise dieser Anordnung ist dieselbe wie diejenige in Fig. 1 und 2 angegebene, jedoch mit dem Unterschiede, dass die Querbewegung der Elektronen im Arbeitskanal nicht durch den ringförmigen Querschnitt des Arbeitskanals, sondern dadurch ermöglicht wird, dass die Elektronen an der Seitenwand des Arbeitskanals durch die Elektroden 12 a, 12 b... aufgefangen und durch je einen äusseren Kurzschlusskreis 13 j & ... zu den emittierenden Elektroden 14 a, 14 b..., die an der
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Die einzelnen Elektronen bewegen sich in der mit den Pfeilen 4 angegebenen Richtung. Der Verlauf der magnetischen Kraftlinien 2 ist aus Fig. 4 ersichtlich.
In diesem Strömungskanal muss man für die beständige Erneuerung der Elektronen sorgen : demgegenüber kann der Generator einfacher gebaut werden und es können sieh die Reibungsverhält- nisse des Arbeitsmittels vorteilhafter gestalten.
Eine Energieumwandlung mit gutem Wirkungsgrad und vorteilhafter Klemmenspannung bedingt eine grosse Ladungsdichte. In diesem Falle können sieh aber die im Arbeitsmittel überall in gleichen Mengen und in grosser Anzahl vorhandenen positiven Ionen und Elektronen leicht wieder vereinigen und demzufolge die Ionisation verringern.
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kann aber, wie gesagt, nicht vollkommen erreicht werden, und wenn man im Generator die Werte der positiven und negativen Ladungsmengen beständig gleichhalten will. muss man für die Ergänzung der Ionen und Elektronen sorgen. Es muss daher ausser der vor dem Eintritt in den Generator erfolgenden Ionisierung des Arbeitsmittels noch für eine zusätzliche Ionisierung im Arbeitsraum gesorgt werden.
Das Arbeitsmittel kann vor dem Eintritt auf zweierlei Arten ionisiert werden. Es kann dies durch Einführung von Elektronenstrahlen oder aber derart erfolgen, dass das Arbeitsmittel durch ein hochgespanntes elektrisches Feld geleitet wird. Es werden dann durch das Zusammenstossen der im Arbeitsmittel vorhandenen, beschleunigten Elektronen und Ionen weitere freie Elektronen und positive Ionen entstehen.
Es wäre also dafür zu sorgen, dass die durch Rekombination verschwindenden positiven Ionen und die negativen Elektronen im Arbeitsraum des Generators gleichmässig verteilt ersetzt werden.
Hiefür besteht aber tatsächlich keine Notwendigkeit, da mit Hilfe der Elektronenstrahlen im strömenden
Gas konzentriert erzeugte Ionen und Elektronen zufolge der ungleichen elektrischen Bremswirkung Wirbel erwecken, wodurch die zusätzlichen Ionen und Elektronen gleichmässig verteilt werden.
Die die zusätzliche Ionisierung herbeiführenden Elektronenstrahlen besitzen bei praktisch durchführbaren Bedingungen eine freie Weglänge von einigen Metern. In Querriehtung des Generators stehen den Elektronenstrahlen Weglängen von bloss einigen Dezimetern zur Verfügung. Um die gesamte Energie der Elektronenstrahlen für die Ionisierung verwenden zu können, ohne dass die Elektronen an die Wand des Generators stossen würden, wodurch dieselben für die Ionisierung verloren gehen würden, werden die Elektronenstrahlen in den Generator zur Richtung der magnetischen Kraftlinien unter einem Winkel eingeführt. Die Elektronenstrahlen winden sich um die magnetischen Kraftlinien, so dass die Elektronen ihre volle Energie auf langem Wege auslaufen können, bevor sie an die Wände des Generators stossen.
Eine beispielsweise Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist in den Fig. 5-10 gezeigt.
In den Verbrennungsraum 20 mündet die Luftleitung 21 und die den Brennstoff führende Rohrleitung 22. An den Verbrennungsraum 20 ist weiters der sich nach Art einer Lavalschen Düse verengende und wieder erweiternde Kanal 23 angeschlossen, der sich in dem ebenfalls erweiternden Arbeitskanal 24 fortsetzt. Die Aussenwand 25 des Arbeitskanals 24 besteht aus voneinander durch Isolationen 25'getrennten Eisenringen 25". In der neutralen Zone der Magnete befinden sich die aus unmagnetischem Metall bestehenden Ringe 56. Der Arbeitskanal wird von Wicklungen 26,27 zur Erregung des magnetischen Flusses umgeben, die von einem Eisenmantel 28, 29 umschlossen sind.
Die den magnetischen Fluss erregenden Wicklungen sowie ihre Eisenmäntel sind von der Wand 25 des Arbeitskanals durch den isolierenden Luftspalt 30 getrennt, welcher vom Luftstrom zur Kühlung des Arbeitskanals 25 durchspült wird. Im Inneren des Arbeitskanals liegt der Kern 31, welcher aus durch Isolierschichten 31'voneinander getrennten Scheiben 31"aus magnetisierbarem Metall besteht. Der Kern 31 wird von einer Tragvorrichtung gehalten, die am Träger 32 desselben angreift, aus den Armen 33 und 34 besteht, gegenüber der Wärmeausdehnung nachgiebig und gelenkig befestigt ist. Der Kern 31 wird durch einen mittleren sowie durch mehrere nahe zur Oberfläche ausgebildete Kanäle 35 bzw. 36 durchsetzt, die miteinander durch die am oberen Ende des Kernes aufgesetzte hohle Metallkappe 37 in Verbindung stehen.
Die Metallkappe 37 ist durch die Leitung 38 mit dem Isolator 39 verbunden. Die Leitung 38 ist über die Verbindungsleitung 40 an den äusseren Stromkreis angeschlossen.
An den Rohrteil 23 schliesst sich die Vorrichtung 41 zur Erregung der Elektronenstrahlen an, welche mit dem Innenraum 23'des Rohres 23 über die Öffnung 42 in Verbindung steht. Am Arbeitskanal sind ebenfalls Vorrichtungen angeordnet, mit deren Hilfe zusätzliche Elektronen eingeführt werden. Eine derselben ist bei 43 angedeutet. Am Ende des Arbeitskanals sind die die Elektronen emittierenden Glühkathoden 44 vorgesehen, die mit der Leitung 45 verbunden sind.
An den Arbeitsraum des Generators schliesst sieh der Luftkühler 46 und der Wasserkühler 47 an, die über die Leitung 48 mit dem Kompressor 49 in Verbindung stehen. Die den elektromagnetischen Fluss führenden Mäntel 28 und 29 sind in je zwei Teile geteilt und voneinander und vom Maschinengestell durch die Isolierungen 50 bzw. 50'getrennt. Die einzelnen Mantelteile können ebenfalls isoliert werden. Die aus einzelnen, ringförmigen Elementen bestehende Wand 25 des Arbeitskanals ist durch Federn 51 belastet und in ihrer Lage festgehalten. Die Wand 20'des Feuerungsraumes 20 ist durch einen Mantel 52 unter Belassung eines Zwischenraumes 53 umhüllt, wobei dieser Raum mit dem Luftkompressor 54 in Verbindung steht. Der Kompressor liefert zur Kühlung des Verbrennungsraumes Luft in den Raum 53, welche durch die Leitung 59 in die Leitung 21 gelangt.
Die Wand 20'des Verbrennungsraumes ist an der Aussenseite mit Kühlrippen 55 versehen. Die Austrittenden 36'der Kühlkanäle 36 sind mit dem Kompressor 54 in einer in der Zeichnung nicht dargestellten Weise verbunden.
Die Einrichtung arbeitet wie folgt :
In den Verbrennungsraum 20 wird über die Brennstoffzuführung 22 Öl oder Kohlenstaub geblasen, welcher Brennstoff mit der durch die Leitung 21 eingeführten vorgewärmten Luft verbrannt wird. Die Verbrennungsprodukte hoher Temperatur und hohen Druckes gelangen in der Richtung
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des Pfeiles 57 in die im Querschnitt sich zuerst verjüngende und dann sich erweiternde Lavaische Düse, wo sie unter Druck-und Temperaturverringerung adiabatisch expandieren, so dass ein grosser Teil der Wärmeenergie der Gasmenge zu Beginn des magnetischen Feldes in Form gerichteter kinetischer
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Elektronen mit grosser Geschwindigkeit, stossen an die strömenden Verbrennungsgasmoleküle und erzeugen grosse Mengen positiver Ionen und Elektronen.
In dem ionisierten, in den Generatorraum 24 des Arbeitskanals gelangenden Gasstrom staut sieh infolge der Wirkung des magnetischen Feldes in dem um die Kappe 37 liegenden Raum eine Elektronenwolke auf. Der aus dem Generatorraum austretende Gasstrom bildet in gleicher Höhe mit den Kathoden 44 eine positive Ionenwolke. Wird der negative Pol 37 mit dem positiven Pol 44 über den Stromkreis 38, 40, 45 und den Nutzwiderstand geschlossen, so strömen die Elektronen aus dem den Pol 37 umgebenden Raum über die Glühkathode 44 zur Neutralisierung der positiven Ionen in das Arbeitsmittel. Die auf diese Weise im äusseren Strom- kreis erhaltene elektrische Energie kann zur Arbeitsleistung herangezogen werden.
Im Verbrennungsraum der beschriebenen Einrichtung kann zweckmässig bei einer Temperatur von 1500 bis 2000" C und bei einem Überdruck von 6 bis 15 Atm. gearbeitet werden, wobei am Ende der Lavalschen Düse 2. 3 die Geschwindigkeit der Gase 2000-2200 rnjsek die Temperatur 600-700 C und der Druck 0-02-0-05 Atm. betragen können.
Die mit dem negativen Pol 37 verbundene Leitung 38 kann nicht nur zur Ableitung der Elek- tronen, sondern auch dazu benutzt werden, um die einzelnen Bestandteile des aus ringförmigen
Elementen zusammengesetzten Kernes 31 zusammenzuhalten. Die mit der Kappe 37 verbundene
Leitung 38 dient auch dazu, die zwischen der Kappe und dem Isolierträger angeordneten Scheiben 31',
31"zusammenzuhalten.
Im Raum 53 wird zweckmässig ein ähnlicher Druck aufrechterhalten, wie im Feuerungsraum 20. so dass auf diese Weise die einer hohen Temperatur ausgesetzten Feuerraumwände 20'von den merha- nischen Beanspruchungen des inneren Druckes entlastet werden.
Bei der beispielsweisen Ausführungsform werden zwei Einrichtungen verwendet, die miteinander nicht gekoppelt sind und geschlossene magnetische Flüsse erregen. Die die Wicklungen 26 und 27 umschliessenden, die magnetischen Flüsse führenden Eisenmäntel 28 und 29 werden aus je zwei Teilen zusammengesetzt, die ungleich grosse Querschnitte haben, so dass sie sich an die Wand des Arbeits- kanals mit verschieden grossen Polflächen anschliessen. Den verschieden grossen Polflächen entsprechend werden auch die den Arbeitskanal durchsetzenden magnetischen Feldstärken verschieden sein.
Durch diese Abstufung der magnetischen Feldstärke kann das magnetische Feld zum Zwecke der Erreichung eines guten Wirkungsgrades dem für die Strömung vorteilhaften Querschnitt des Kanals angepasst werden. Aus der beispielsweisen Ausführung geht hervor, dass der Arbeitskanal am Anfang desselben - dort, wo die Geschwindigkeit des Gasstromes am höchsten ist-vom stärkeren Feld durchsetzt ist, während an dem von einem Gasstrom geringerer Geschwindigkeit durchsetzten Teil des Arbeitkanals eine geringere magnetische Feldstärke herrscht.
Die in den einzelnen magnetischen Abschnitten erregten elektrischen Teilfelder sind verschieden gross, desgleichen die durch die einzelnen Teilabschnitte erregten Teilspannungen, wodurch es möglich wird, dem Kanal eine strömungstechnisch vorteilhafte Form zu verleihen.
Die aus dem Arbeitsraum des Generators herausströmenden, bereits neutralisierten Verbrennungs- produkte gelangen in den Luftkühler 46, in den Wasserkühler 47, in den Verdichter 49 und von dort in die Atmosphäre. Der in den Luftkühler geführte Kühlluftstrom kann durch den Kühlraum des
Generators oder den Kühlraum des Verbrennungsraumes vorgewärmt und verdichtet werden, z. B. über die Leitung 59 in den Verbrennungsraum.
Bei der beschriebenen Einrichtung verbrennen die Brennstoffe im Feuerraum 80 vollständig und die entstehende Wärme-und Druckenergie wird in dem Rohr 23 in Strömungsenergie umgewandelt.
In gewissen Fällen ist es vorteilhaft, wenn die Verbrennung isothermisch geleitet wird, also wenn man während des Verbrennens Wärmeenergie unmittelbar in Gesehwindigkeitsenergie umwandelt. Dies ist erreichbar, wenn der Verbrennungsraum bzw. der der Lavalschen Düse zugekehrte Teil desselben derart ausgebildet wird, dass der Rauminhalt des Rohres zwischen zwei beliebigen Querschnitten desselben zur Erzeugung einer so hohen Verbrennungswärme genügt, als die Differenz der Bewegungsenergie des Arbeitsmittels zwischen den beiden Querschnitten beträgt. Auf praktischem Wege erzielt man dies dadurch, dass man denjenigen Teil der Lavalschen Düse, welcher zwischen dem kleinsten Querschnitt desselben und dem Feuerraum liegt, länger ausführt.
Der Energiegehalt der Verbrennungsprodukte wird auf diese Weise zuerst durch isothermische Verbrennung und dann anschliessend durch adiabatische Expansion in gerichtete kinetische Energie der elementaren Gasteilchen umgewandelt.
Die Leistung des Generators kann durch Einstellung der Brennstoffzufuhr sowie der zur Verbrennung notwendigen Luft geregelt werden, so dass die Zusammensetzung und daher auch der spezifische Wärmeinhalt des Gases sich nicht ändert. Da die Menge des in der Zeiteinheit durch die Lavalsche Düse strömenden Gases bei gleicher Temperatur praktisch wesentlich nur eine Funktion
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des vor dem Rohr herrschenden Druckes ist, kann die in den Generator eingeführte Wärmemenge durch Änderung des Druckes im Feuerungsraum geregelt werden. Bei geänderter Leistung ändert sich also die Temperatur und Geschwindigkeit des Gases im Generator nicht : der Druck im Feuerraum kann durch Erhöhung der Drehzahl des Luftkompressors 54 erhöht werden.
Die Drehzahl des Vakuumkompressors 49 wird bei höherem Betriebsdruck, also bei höherer Leistung verringert, da man in diesem Falle eine kleinere Druckdifferenz zu erzeugen hat, um das Gas auf atmosphärischen Druck komprimieren zu können.
Die Regelung der Klemmspannung auf einen beständigen Wert kann durch proportionale Änderung der Stromstärke mit der Leistung, also durch proportionale Einstellung der Leistung des ionisierenden Elektronenstrahles erreicht werden, da sich die Gasgeschwindigkeit in der Maschine bei veränderlicher Belastung nicht ändert.
Zur selbsttätigen Regelung der Ionisierung kann man die Ausströmungsgeschwindigkeit der Gase am Ende des Generators (in der Höhe der Kathode 44) bzw. die Änderung derselben und sonstige hiemit zusammenhängende Vorgänge, z. B. Druekänderung, Änderung des elektrischen Feldes und zur selbsttätigen Regelung der Brennstoffzufuhr, die Klemmspannung verwenden. Durch eine derartige selbsttätige Regelung dieser Werte passt sich die Leistung der Maschine bei unveränderter Klemmen- spannung den jeweiligen Anforderungen selbsttätig an. Bei verringerter Belastung kann die magnetische Feldstärke in gleichem Sinn mit der Belastung verringert werden, um ein geringeres Sinken des Wirkungsgrades zu erzielen.
Der kalorische Kreislauf der beschriebenen Einrichtung entspricht vollkommen dem thermo- dynamischen Kreislauf, bei welchem aus Wärme mechanische Energie erzeugt wird. Für diese Energie umwandelnde Einrichtung ist es kennzeichnend, dass, während bei den bisher gebräuchlichen Maschinen, z. B. Dampfturbinen, Motoren, die Energie unter Vermittlung sich bewegender Maschinenteile umgewandelt wurde, im Sinne der Erfindung die Energieumwandlung ohne Vermittlung solcher sieh bewegender Maschinenteile, unmittelbar in elektrische Energie erfolgt.
Der untere Teil des Generators bzw. die mit dem positiven Pol verbundene Leitung, kann über die Leitung 60 geerdet werden. Wenn man zwei oder mehrere Generatoren in Reihe zu schalten wünscht, so bleibt diese Erdung fort und die metallischen Bestandteile des Generatorarbeitsraumes werden vom Kühler 46 und den Tragteilen isoliert. In diesem Falle wird der positive Pol des Generators mit dem negativen Pol des nächsten Generators verbunden.
Als Beispiel sei ein Generator angegeben, welcher nach der beschriebenen Weise mit aus einer Kohlenstaub-oder Ölfeuerung gewonnenen Verbrennungsgasen arbeitet und auf 33.000 kW bemessen ist.
Die kennzeichnenden Daten dieses Generators sind die folgenden : Im Feuerungsraum herrscht ein Druck von 13-6 alla, dite Temperatur beträgt 2000 ? C. Die Verbrennungsprodukte enthalten 10% Wasserdampf.
Die Verbrennungsgase besitzen beim Eintritt in das magnetische Feld, an der Eintrittsstelle
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Die spezifische Leistung des Arbeitsraumes ist 31. ss kW/dm3.
Der Wirkungsgrad der Umwandlung der mechanischen Arbeit zu elektrischer Energie beträgt 85, 2%.
Zur Erzeugung der notwendigen Ionisation durch Elektronenstrahlen ist eine Leistung von 250 kW aufzuwenden.
An der Austrittsstelle 44 aus dem magnetischen Feld des Generators ergeben sich folgende Daten :
Temperatur 700 C.
Druck 0. 0234 ata. -
Geschwindigkeit 350'ln/seTe.
Der Austrittsquerschnitt beträgt dabei 7-25 mon2.
Die elektrische Feldstärke ist 6-2 Volt/cm.
Die magnetische Feldstärke ist 0#379.10-4 Volt/sek/cm2.
Der Wirkungsgrad beträgt zu
Bei Umwandlung der kalorischen Energie des Brennstoffes in elektrische Energie ergibt sich ein Gesamtwirkungsgrad von 52. 50 o.
In der oben beschriebenen Einrichtung wurde als Arbeitsmittel Verbrennungsgas angenommen.
Der Generator kann aber auch in der Weise betätigt werden, dass statt dem Feurrungsraum 20 ein von aussen beheizter Kessel angewendet wird. In diesem wird Dampf erzeugt, welcher in das Rohr 23 eingeführt und zur Erzeugung elektrischer Energie nutzbar gemacht wird. Der aus dem Arbeitskanal austretende Dampf wird in Kühlern kondensiert und fortlaufend zwecks neuer Arbeitsleistung dem Heizkessel zugeführt. Bei diesem Verfahren werden Verdichter nicht benötigt.
Bei äusserer Feuerung sind nicht nur in Dampfform überführbare Stoffe, sondern auch permanente Gase, so z. B. Edelgase, als Arbeitsmittel verwendbar. In diesem Falle sind Verdichter notwendig.
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Als Arbeitsmittel können auch Gase verwendet werden, welche feste Stoffteilchen von kolloidaler oder suspensionaler Grössenordnung enthalten, welche Teilchen auf hohe Temperatur erhitzt Elektronen emittieren und selbst positive Ladung erhalten. In diesem Falle erübrigt sich eventuell eine äussere Ionisierung des Gasstromes, so dass die beschriebene, die Elektronenstrahlen erzeugende Vorrichtung 47 auch wegfallen kann.
Statt der thermischen Elektronenemission (Kathoden 44) kann man auch andere bekannte Elektronen ausstrahlende Vorrichtungen verwenden.
Der oben beschriebene Generator kann auch so ausgebildet werden, dass die das magnetische Feld erregenden Wicklungen nicht nur ausserhalb des Arbeitskanals, sondern auch innerhalb desselben liegen. Diese Anordnung ist in Fig. 7 schematisch dargestellt.
Eine beispielsweise Ausführung der Einrichtung zur Erzeugung von Elektronenstrahlen ist in den Fig. 8,9 und 10 dargestellt. In der Röhre 101 befindet sich die Kathode 102, welche gegenüber der Anode 103 angeordnet ist. Die Wand der Anode ist durch eine Öffnung 104 durcigebrochen. \11
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Elektronenstrahlen dient. Die Glühkathode 102 sowie die Anode 103 werden an hochgespannten
Gleichstrom angeschlossen. Von der Glühkathode 102 tritt ein Elektronenstrahlenbündel mit grosser
Geschwindigkeit durch die Öffnung 102'gegen die Anode. Dieses Elektronenbündel wird durch den Elektromagneten 116 auf die Öffnung 104 konzentriert.
Die von der Kathode ausgehenden Elektronen treten also in gerader Richtung durch die Öffnung 104, ferner durch die mit der letzteren in einer
Geraden liegenden Öffnung 109 hindurch und gelangen in den mit Arbeitsmittel durchsetzten Innenraum 23'des Generators. Das in die Räume 107 bzw. 105 gelangende Arbeitsmittel wird durch die Vakuumpumpen 111 und 112 abgesaugt und über die Leitung 115 wieder in den Arbeitskanal des
Generators zurückgeführt. Durch die Anwendung der Vorkammer erreicht man in der Röhre 101 ein zur Erzeugung von Elektronenstrahlen genügend hohes Vakuum.
Die Fig. 9 und 10 weichen von der Einrichtung nach Fig. 8 dem Wesen nach nur darin ab, dass statt Luftpumpe Diffusionspumpen verwendet werden. Der mit 106 bezeichneten Vorkammer der Fig. 8 entspricht in Fig. 9 die Vorkammer 117, welche als ein Bestandteil der Diffusionsvakuumpumpe ausgebildet ist. Im unteren Teil der Kammer 117 sammelt sich die dampfbildende Flüssigkeit 118 an, durch deren Sieden in der Richtung des Pfeiles 119 ein Dampfstrom erzeugt wird. Am oberen Teil der Kammer 117 befindet sich der Kühler 120. Die Leitung 121 führt zur Vakuumpumpe, welche die mit dem Dampfstrom mitgerissenen, nichtkondensierenden, aus dem Arbeitsraum des Generators stammenden Arbeitsmittelteilehen, zweckmässig in der vorher beschriebenen Weise, in den Arbeitskanal des Generators zurückführt.
Die in das Innere der Elektronenröhre gelangenden Dämpfe werden durch den Kühler 122 verflüssigt. Der verflüssigte Stoff gelangt über die Leitung 123 in den unteren Teil der Kammer 117.
Bei der Einrichtung nach Fig. 10 werden die Dämpfe der Diffusionspumpe im Siederaum 124 erzeugt. Diese Dämpfe strömen in der Richtung des Pfeiles 125 in die Vorkammer 126 und wirken dort in der Richtung des Pfeiles 127 dem einströmenden Arbeitsmittel entgegen. Die Richtung des einströmenden Arbeitsmittels deuten die Pfeile 128 an. Bei dieser Anordnung ist die Anode 103 kegelig ausgebildet.
Die Diffusionsvakuumpumpe kann z. B. mit Quecksilberdampf, oeldampf betätigt werden.
Die Elektronenstrahlen erzeugende Vorrichtung kann auch mit mehreren miteinander in Reihe geschalteten Vorkammern versehen werden. In diesem Falle ist ein höheres Vakuum erzielbar.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Umwandlung von Energie, bei welchem der Strom eines gasförmigen Arbeitsmittels, welcher Teilchen mit positiver Ladung und freie Elektronen enthält, durch ein die Strömungs-
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teilnehmenden Elektronen aus dem Gasstrom herausgeführt und unter Umgehung des an der Erregung der Nutzspannung teilnehmenden magnetischen Feldes, über einen Aussenstromkreis an einer in der Richtung des Arbeitsmittelstromes versetzten Stelle wieder in den Gasstrom eingeführt werden, wobei dafür zu sorgen ist, dass die im Magnetfeld vorhandenen, zur Nutzleistung nicht herbeigezogenen Elektronen sich zur Aufrechterhaltung ihres Gleichgewichtszustandes in Querrichtung in bezug zum Arbeitsmittelstrom bewegen können.