DE1145440B

DE1145440B - Device for unsteady thermal acceleration of liquids, especially for ship propulsion

Info

Publication number: DE1145440B
Application number: DEK39042A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Dr Heinrich Weinreich
Original assignee: Klein Schanzlin and Becker AG
Current assignee: Klein Schanzlin and Becker AG
Priority date: 1959-10-29
Filing date: 1959-10-29
Publication date: 1963-03-14

Description

Einrichtung zur instationären thermischen Beschleunigung von Flüssigkeiten, insbesondere für Schiffsantriebe Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur instationären thermischen Beschleunigung von Flüssigkeiten, z. B. für Schiffsantriebe, bestehend aus einem Druckraum, in dem ein oder mehrere Energieträger zur Reaktion gebracht werden, und einer Lavaldüse, in deren austrittsseitigem Teil eine Flüssigkeitssäule hin- und herschwingt.Device for unsteady thermal acceleration of liquids, in particular for ship propulsion systems. The invention relates to a device for non-stationary thermal acceleration of liquids, e.g. B. for ship propulsion, consisting from a pressure chamber in which one or more energy sources are made to react and a Laval nozzle with a column of liquid in the part on the outlet side swings back and forth.

Bei Einrichtungen dieser Alt werden die Flüssigkeitsmassen durch unmittelbare Einwirkung des gas- oder dampfförmigen Energieträgers als Treibmittel beschleunigt. Die Beschleunigung richtet sich nach der Länge der zu beschleunigenden Flüssigkeitssäule. Diese Länge kann durch Benutzung von besonderen Düsenformen gering gehalten werden, so daß sich hohe Frequenzen ergeben. Hohe Arbeitsfrequenzen setzen jedoch voraus, daß die Energieträger im Druckraum schnell reagieren. Eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit ist deshalb auch erforderlich, damit sich eine große Druckspitze aufbaut, welche die Flüssigkeitsmengen beschleunigt. Große Beschleunigungen ergeben nämlich große Vortriebskräfte.In the case of facilities of this age, the liquid masses are through immediate Accelerated action of the gaseous or vaporous energy carrier as a propellant. The acceleration depends on the length of the liquid column to be accelerated. This length can be kept short by using special nozzle shapes, so that high frequencies result. However, high work frequencies require that the energy carriers in the pressure chamber react quickly. A high reaction speed is therefore also necessary so that a large pressure peak builds up, which accelerates the amount of liquid. Because great accelerations result in great ones Propulsion forces.

Bei bekannten Ausführungen werden Kohlenwasserstoffe instationär im Druckraum verbrannt, oder es wird pulsierend liochgespannter Dampf in den Druckraum geleitet. Bei diesen Verfahren ist je- doch die Reaktionsgeschwindigkeit relativ gering bzw. die Auffüllzeit des Druckraumes zu groß. Dadurch bleibt die Druckspitze im Druckraum relativ klein. Andererseits sind dieWärmeverluste, wegen der nur niedrigen möglichen Arbeitsfrequenzen hoch.In known designs, hydrocarbons are burned unsteadily in the pressure space, or pulsating hole-tensioned steam is passed into the pressure space. In these methods, the reaction rate is relatively low but JE or the refilling time of the pressure chamber excessive. As a result, the pressure peak in the pressure chamber remains relatively small. On the other hand, the heat losses are high because of the only possible low working frequencies.

Zur Vermeidung dieser Nachteile wird bei einer Einrichtung zur instationären thermischen Beschleunigung von Flüssigkeiten, insbesondere für Schiffsantriebe, bestehend aus einem Druckraum, in dem ein oder mehrere Energieträger zur Reaktion gebracht werden, und einer Lavaldüse, in deren austrittsseitigem Teil eine Flüssigkeitssäule hin- und herschwingt, erfindungsgemäß als Energieträger Wasserstoffperoxyd (H20.) in Verbindung mit einem Alkalimetall verwendet, derart, daß das Alkahmetall stetig in einen innerhalb des Druckraumes befindlichen Tiegel gedrückt und Wasserstoffperoxyd oder dessen Lösung periodisch eingespritzt wird.In order to avoid these disadvantages, a device is designed to be unsteady thermal acceleration of liquids, especially for ship propulsion, consisting of a pressure chamber in which one or more energy carriers are used to react are brought, and a Laval nozzle, in the outlet part of which a column of liquid swings back and forth, according to the invention as an energy carrier hydrogen peroxide (H20.) used in conjunction with an alkali metal such that the alkali metal is continuous pressed into a crucible inside the pressure chamber and hydrogen peroxide or the solution of which is injected periodically.

Es ist zwar schon bekanntgeworden, Wasserstoffsuperoxyd als Energieträger in einem Rückstoßantrieb für Wasserfahrzeuge in der Weise zu verwenden, daß dasselbe kontinuierlich unter anderem mit Zusatz von Zündöl in einen innerhalb des Druckraumes befindlichen Tiegel eingespritzt wird, der gegebenenfalls beheizt wird. Des weiteren ist es an sich bekannt, an Stelle einer therinischen Zersetzung des Wasserstoffsuperoxyds eine katalytische Zersetzung durch Natriumpermanganat vor sich gehen zu lassen, und ebenso ist es bekannt, Alkahmetalle als Energieträger für Rückstoßantriebe intermittierend in einen Druckraum einzubringen, gegebenenfalls unter Zusatz von Erdöl.It has already become known that hydrogen peroxide as an energy carrier to use in a recoil drive for watercraft in such a way that the same thing continuously with the addition of ignition oil in one of the pressure chambers located crucible is injected, which is optionally heated. Further it is known per se, instead of a thermal decomposition of hydrogen peroxide to allow catalytic decomposition by sodium permanganate to take place, and it is also known to intermittently use alkali metals as energy carriers for recoil drives to be brought into a pressure chamber, if necessary with the addition of petroleum.

Letzten Endes ist es auch noch bekannt, die, eutektische Legierung von Natrium und Kalium zu verwenden.After all, it is also known as the eutectic alloy of sodium and potassium to use.

Nach der Erfindung werden jedoch zwei Energieträger gemeinsam für den instationären Schiffsantrieb benutzt, wobei der besondere Vorteil dieser Maßnahme darin liegt, daß das Hilfsmittel zur Einleitung des Zerfalls des Wasserstoffperoxyds (das Alkalimetall) hier gleichzeitig Energieträger ist. Allen bekannten Verfahren, die Wasserstoffperoxyd als Ene.rgieträger besitzen, liegen andere Mittel zur Einleitung des Zerfalls zugrunde, wie z. B. Natriumpermanganat (nicht reines Natrium) als Katalysator. Das Natriumpermanganat ist also hier kein zusätzlicher Energieträger und nimmt infolgedessen nicht an der Reaktion teil (Walter-Verfahren).According to the invention, however, two energy sources are common for the unsteady ship propulsion used, the particular advantage of this measure lies in the fact that the aid to initiate the decomposition of the hydrogen peroxide (the alkali metal) is also an energy source here. All known processes which have hydrogen peroxide as an energy carrier, there are other means of introduction of decay, such as B. Sodium permanganate (not pure sodium) as a catalyst. The sodium permanganate is therefore not an additional energy source and therefore takes does not take part in the reaction (Walter method).

Des weiteren besitzen Ausführungen, bei denen intermittierend eingespritzte Alkalimetalle als Euergieträger verwendet werden, den Nachteil, daß sich AlkaIhnetalle schwierig fördern und sich aus diesem Grunde nicht so fein dosieren lassen, um die bei einem instationären Antrieb notwendige exakte Steuerung zu gewährleisten. Dieser Nachteil ist durch die Erfindung jedoch dadurch vermieden, daß das Alkaliinetall kontinuierlich zugeführt wird und die Reaktion durch die Einspritzung von Wasserstoffperoxyd ausgelöst wird. Mit dieser Maßnahme sind die bisher bestehenden technischen Schwierigkeiten behoben. Bei Ausführungen, bei denen ein Katalysator für die Zersetzung benutzt wird, besteht außerdem der Nachteil, daß der Katalysator einen beachtlichen Platz innerhalb des Verbrennungsraumes beansprucht und dadurch die absolute Größe des Reaktionsraumes zu große Dimensionen benötigen würde. Da für die Entwicklung der Vortriebskraft nur eine bestimmte Menge Brünnstoff nötig ist, würde also der Druck im Arbeitsraum kleiner werden, wenn letzterer aus irgendwelchen konstruktiven Gründen zu groß ausgeführt wäre. Der sogenannte schädliche Raum der Verbrennungskammer muß so klein wie möglich gehalten sein, weil der instationäre thermische Schiffsantrieb eine möglichst große Druckspitze benötigt.They also have designs in which intermittently injected Alkali metals are used as energy carriers, the disadvantage that they are alkali metals difficult to convey and for this reason cannot be so finely dosed in order to achieve the to ensure the exact control required for a transient drive. This The disadvantage is avoided by the invention in that the alkali metal is fed continuously and the reaction by the injection of hydrogen peroxide is triggered. With this measure they are so far existing technical difficulties resolved. For versions in which a catalytic converter is used for the decomposition, there is also the disadvantage that the catalyst takes up a considerable amount of space within the combustion chamber and thereby the absolute size of the reaction space would require too large dimensions. There only a certain amount of fuel is required to develop the propulsive force is, so the pressure in the working area would be smaller if the latter were to come out of any would be too large for design reasons. The so-called harmful space of the Combustion chamber must be kept as small as possible because of the unsteady thermal ship propulsion requires the greatest possible pressure peak.

Bei der Ausführung nach der Erfindung zerfällt das Wasserstoffperoxyd unter Energieabgabe in Wasser und Sauerstoff nach der Gleichung 2 H202 = 2 H20 + 02 + 46 kcal Gl. 1 Dieser Zerfall verläuft in zwei Phasen: H202 = 2 H + 0, Gl. 2 2 H + H202 = 2 H2 0 Gl. 3 Die zweite Reaktion verläuft mit sehr hoher Geschwindigkeit.In the embodiment according to the invention, the hydrogen peroxide decomposes with the release of energy into water and oxygen according to the equation 2 H202 = 2 H20 + 02 + 46 kcal Eq. 1 This decay takes place in two phases: H202 = 2 H + 0, Eq. 2 2 H + H202 = 2 H2 0 Eq. 3 The second reaction is very rapid.

Zur Einleitung der Zersetzung wird ein Alkalimetall benutzt. Dieses reagiert mit dem Wasser der Lösung unter Wärmeentwicklung zu Hydroxyd und Wasserstoff. Für Natrium beispielsweise gilt folgende Reaktionsgleichung: 2 Na + 2 H20 = 2 NaOH +H2 + 88,2 keal Gl. 4 Der Wasserstoff liegt im »status nascendi« atomar vor und ist daher sehr aktiv. Er bewirkt die Zersetzung des Wasserstoffperoxyd gemäß der obengenannten Gleichung 3. Es wird wegen der hohen Reaktionsgeschwindigkeit eine Druckspitze erzielt, die nach den oben beschriebenen bekannten Verfahren nicht erreicht werden kann.An alkali metal is used to initiate decomposition. This reacts with the water in the solution to form hydroxide and hydrogen, generating heat. For sodium, for example, the following reaction equation applies: 2 Na + 2 H20 = 2 NaOH + H2 + 88.2 keal Eq. 4 Hydrogen is atomic in the »status nascendi« and is therefore very active. It causes the decomposition of the hydrogen peroxide according to the above-mentioned equation 3. Because of the high reaction rate, a pressure peak is achieved which cannot be achieved by the known processes described above.

Bei der Verwendung von Alkalimetallen zur Einleitung der Zersetzung des. H,02 hat man gegenüber den bekannten Verfahren noch den Vorteil, daß infolge des Heizwertes- des Metalls die Wärmetönung des Gemisches höher ist als die der Zerfallswärnie von konzentriertem H202, Mit Rücksicht auf das stöchionietrische Gleichgewicht ist es, sinnvoll und stellt somit eine zweckmäßige weitere Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn das Wasserstoffperoxyd. als 39,2%ige Lösung benutzt wird. Hierdurch entfällt die Notwendigkeit, das stark zum Zerfall neigende H,02 mit besonderen Mitteln, zu stabilisieren. Die Möglichkeit ungewoRter Explosion bei der Lagerung und dem Transport von H,02 ist daher ausgeschaltet.When using alkali metals to initiate decomposition des. H, 02 has the advantage over the known method that as a result of the calorific value of the metal, the calorific value of the mixture is higher than that of the Heat of decay of concentrated H202, with consideration of the stoichiometric Balance is to be sensible and thus represents an expedient further refinement of the invention when the hydrogen peroxide. is used as a 39.2% solution. This eliminates the need to treat the H, 02, which has a strong tendency to decay, with special Means to stabilize. The possibility of unexpected explosion in storage and the transport of H, 02 is therefore switched off.

Als noch weitere zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung können außer den reinen Alkallmetallen wegen der Schmelzpunkterniedrigungen auch ihre eutektischen Legierungen, beispielsweise die von Natrium und Kalium genommen werden, was den Vorteil hat, daß diese schon bei Raumtemperatur in flüssigem Zustande sind.As yet another useful embodiment of the invention, besides the pure alkali metals also have their eutectic ones because of the lowering of the melting point Alloys, for example those of sodium and potassium, are what the The advantage is that they are in a liquid state even at room temperature.

Eine beispielsweise Ausführung der Erfindung für den Antrieb eines Schiffes ist in der Zeichnung dargestellt. In dem Druckraum 1 befindet sich ein Tiegel 2, in den das Alkalimetall stetig durch die Rohrleitung 3 gedrückt wird. Durch die Düse 4 wird Wasserstoffperoxyd periodisch eingespritzt, wodurch sich spontan Wasserdampf bildet. Die Expansion erfolgt durch die Lavaldüse 5. Über einen Verdichtungsstoß gibt der Dampf seine Energie an die Wassersäule 6 ab, die aus der Mündung 7 der Lavaldüse ausgestoßen wird, wobei ein schuberzeugender Drucksprung entsteht, der den Vortrieb des Schiffes 8 bewirkt. Der Vorgang wiederholt sich in schneller Folge, wodurch die Wassersäule 6 in dem austrittsseitigen Teil der Lavaldüse periodisch zum An example embodiment of the invention for propelling a ship is shown in the drawing. In the pressure chamber 1 there is a crucible 2 into which the alkali metal is pressed continuously through the pipeline 3. Hydrogen peroxide is injected periodically through the nozzle 4, as a result of which water vapor is formed spontaneously. The expansion takes place through the Laval nozzle 5. The steam releases its energy to the water column 6 via a compression shock, which is ejected from the mouth 7 of the Laval nozzle, creating a thrust-generating pressure surge which causes the ship 8 to propel. The process is repeated in quick succession, whereby the water column 6 in the outlet-side part of the Laval nozzle periodically to

Claims

PATENT CLAIMS:

Documents considered: German Patent No. 841 552; British Patent Nos. 734 486, 602 807; Zeitschrift des VDI, Volume 97 , No. 24 (August 21 , 1955), p. 823, No. 21 (July 21 , 1955), pp. 712, 713; Flight, Volume 70 , No. 2501 (December 28, 1956), p. 998.