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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung eines Sauerstoff
und Brennstoff enthaltenden inhomogenen fluiden Stromes für einen MI-ID-Generator
mit einer gepulsten Eingabe des Brennstoffes in zwei Stufen.
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Es ist bei NIHD-Generatoren bereits bekannt, einen inhomogenen fluiden
Strom herzustellen, der abwechselnde Abschnitte unterschiedlicher Temperaturen aufweist,
wobei diese Abschnitte in dünnen Schichten auftreten und sich senkrecht zur Strömungsrichtung
erstrecken.
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So ist ein MHD-Generator bekannt, bei dem der Brennstoff mit Luft
in einer Brennkammer verbrannt wird und bei dem die Verbrennungsgase sich in einer
konvergenten-divergenten Düse ausdehnen und dabei durch ein Magnetfeld hindurchgehen.
Bei diesem bekannten MHD-Generator ist in der Verbrennungskammer an einer Stelle,
in der die Hauptverbrennungsgase voll brennen und stromauf vom konvergenten Teil
der Düse ein doppeltes Gitterrohr vorgesehen, welches sich durch die Verbrennungskammer
hindurch erstreckt und durch dessen Öffnungen geringe gepulste Sauerstoffmengen
und Mengen eines flüssigen Brennstoffes eingegeben werden. Hierbei wird der Sauerstoffträger,
der in der zweiten Stufe zugeführt wird, in Wärmeaustauschern erwärmt, bei denen
die Wärme die Dicke einer Wandung durchsetzt, so daß die gesamten Wärmeaustauscher
sich auf hoher Temperatur befinden. Hierbei treten in nachteiliger Weise sehr starke
Korrosionen auf. Man könnte diesen Nachteil nur dadurch ausschalten, daß man einen
mit Sauerstoff angereicherten Sauerstoffträger verwendet. Jedoch ist eine derartige
Anreicherung sehr teuer und führt ferner zu nachteiligen chemischen Veränderungen
der Abgase.
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Es ist ferner ein MHD-Generator bekannt, bei welchem die gewünschte
Schichtbildung des fluiden Stromes dadurch erreicht wird, daß HF-Entladungen verwendet
werden. Beispielsweise ist es bekannt, periodische Hochfrequenzentladungen im gesamten
Gasstrom mittels Spulen auszubilden. Hierbei wird je-
doch ein wesentlicher
Teil des erzeugten elektrischen Stromes in nachteiliger Weise verbraucht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung
eines inhomogenen geschichteten, fluiden Stromes von hoher elektrischer Leitfähigkeit
unter verbesserten thermodynamischen Bedingungen bei gleichzeitiger Verminderung
des Aufwandes an Wärmeaustauscheinrichtungen zu schaffen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei dem vorausgesetzten Verfahren
dadurch gelöst, daß in der ,ersten Stufe der Brennstoff lediglich in bestimmte Abschnitte
eines homogenen Sauerstoffträgerflusses eingegeben wird, daß der so entstandene
inhomogene fluide Strom partiell zwischen den zwei Stufen entspannt wird und der
Brennstoff in der zweiten Stufe in diejenigen Abschnitte des fluiden Stromes eingegeben
wird, in welche in der ersten Stufe kein Brennstoff eingeleitet wurde.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden in vorteilhafter Weise
lediglich bestimmte Abschnitte des fluiden Stromes in der ersten Stufe aufgeheizt
und nicht der gesamte Strom, und ferner st eine Zwischenstufe zwischen der ersten
und der zweiten Stufe vorhanden, in der ein Wärmeaustausch zwischen den aufgeheizten
Abschnitten und den nicht aufgeheizten Abschnitten stattfindet, und zwar über die
Grenzflächen dieser Zwischenstufe hinweg, und ferner wird in vorteilhafter Weise
lediglich Brennstoff zugeführt und nicht zugleich Brennstoff und Sauerstoff.
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Es kann vorteilhaft sein, daß in der ersten Stufe an mehreren längs
der Bahn des fluiden Stromes verschobenen Stellen teilweise Brennstoff eingegeben
und der fluide Strom zwischen diesen Stellen teilweise entspannt wird. Die Brennstoffeingabe
kann mit solchen Phasenverschiebungen erfolgen, daß nacheinander verschiedene nebeneinanderliegende
Einzelabschnitte des fluiden Stromes gespeist werden, deren Gesamtheit den in der
ersten Stufe zu ionisierenden Abschnitt bildet.
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In vorteilhafter Weise kann in der ersten Stufe Impfstoff mit gleicher
Stoßfolge wie der Brennstoff, jedoch mit einer solchen Phasenverschiebung in den
Trägerfluß eingegeben werden, daß diejenigen Ab-
schnitte des fluiden Stromes
getroffen werden, die in dieser Stufe keinen Brennstoff erhalten. Der Impfstoff
kann in der zweiten Stufe mit gleicher Stoßfolge wie der Brennstoff und in Phase
mit diesem eingegeben werden.
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Mit besonderem Vorteil kann die Phasenverschiebung der Brennstoffeingabe
in der zweiten Stufe auf die maximale Temperatur des fluiden Stromes am Ausgang
dieser Stufe eingestellt werden.
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Weitere Einzelheiten des Verfahrens und durch diese erzielte Vorteile
gehen aus der nachfolgenden Beschreibung einer für seine Durchführung geeigneten
Anlage hervor, die in der Zeichnung in einer beispielsweise gewählten Ausführungsform
blockschaltbildartig dargestellt ist.
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Die für einen solchen Wärmekreisprozeß vorgesehene, in offenem Kreislauf
betriebene Anlage eines magnetohydrodynamischen Generators besitzt einen Umwandlungskanal
1, der von dem in zwei Verbrennungsstufen erzeugten fluiden Strom durchströmt
wird. Die erste dieser Stufen ist mit 2, die zweite Stufe mit 3 bezeichnet.
Die bei 4 aus dem Kanal 1 entweichenden Gase kühlen sich an den Wärmetauschern
5, 6 und 7 ab, bevor sie bei 8 in die Außenluft ausgestoßen
werden. Der Wärmetauscher 7
bildet, wie bekannt, Teil eines Wärinekraftwerks
üblicher Bauweise, das unter anderem eine Tuibine 9
und einen Wechselstromgenerator
10 besitzt. Der Wärmetauscher 6 dient in bekannter Weise der Vorwärmung
der Sauerstoffträgerluft der Anlage am Ausgang des Verdichters 11 und vor
seiner Eingabe in Form eines stetigen Flusses bei 12 in die erste Verbrennungsstufe
2. Der Wärmetauscher 5 wird zur Bereitung des Brennstoffs vor seiner Eingabe
über die Rohrleitung 13 in die Verbrennungsstufen verwendet. Diese Vorbereitung
besteht darin, daß der bei 14 ankommende Rohbrennstoff mit einer oxydierenden Strömung
oder einer Mischung von oxydierenden Strömen, wie Wasser, Wasserdampf, Kohlensäuregas
usw., gemischt wird. Diese Beigabe tritt über die Leitung 15 zu. Die Mischung
wird auf eine solche Temperatur gebracht und gehalten, daß sich endotherme Reaktionen
der Verdampfung, des Krackens und der Umformung der Kohlenwasserstoffverbindungen
und des Kohlenstoffs einstellen können, wobei die notwendige Wärme in dem Wärmetauscher
5
durch die Ausstoßgase des Kanals 1 geliefert wird.
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Die Anwendung der bekannten Technik der Vergasung, vorzugsweise nach
einem Verfahren mit äußerer Heizung und ohne Mischung mit den Heizgasen,
gestattet
es, ohne zusätzliche Vorwärmung des Sauerstoffträgers, also ohne Vergrößerung der
technologischen Schwierigkeiten, eine bedeutende Wärme-C menge den Verbrennungsmitteln
zu übertragen. Da nun, wie es in dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Fall
ist, die verwendeten Gase des magnetohydrodynamischen Generators als Wärmequelle
dienen, tritt zu der Erhöhung der Verbrennungstemperaturen stromaufwärts vom Kanal
noch der bekannte Vorteil der Wiedergewinnung einer Wärmeenergie.
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Der Brennstoff wird stoßweise in die erste Stufe 2 derart eingegeben,
daß die Verbrennung nur in bestimmten Abschnitten des bei 12 eingegebenen steten
fluiden Stromes stattfindet. Diese Eingabe kann gleichzeitig bei 16 am Eingang
der Verbrennungskammer 17 erfolgen, wobei der fluide Strom sodann teilweise
in einer Vorentspannungsrohrleitung 18 beschleunigt wird, bevor er in die
zweite Stufe 3 eintritt. Diese Vorentspannung gestattet es, unmittelbar die
chemische Energie in mechanische Energie umzuwandeln und demzufolge den die Verbrennung
in der ersten Stufe begleitenden Temperaturpunkt für eine gleiche Gesamttemperatur
am Eingang der zweiten Stufe 3 zu begrenzen.
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Man kann auch die Temperaturerhöhung noch mindern, indem man die Brennstoffeingabe
auf mehrere weitere Stellen 19, 20, 21 und 22 längs des Durchflusses des
fluiden Stromes verteilt. Sämtliche Eingaben erfolgen stoßweise mit der gleichen
Stoßfolge wie bei der Eingabe 16, jedoch mit Phasenverschiebungen, zur nächsten
Eingabe; die Verbrennung kann somit nacheinander die einander benachbarten Einzelabschnitte
des Stromes treffen, deren Gesamtheit den in der ersten Stufe aufgeheizten
Ab-
schnitt bildet, wobei der in der zweiten Stufe aufzuheizende Abschnitt
praktisch unbeeinflußt gelassen wird.
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Die erste Stufe (2) gestattet es, die Verbrennung des Brennstoffs
in denjenigen Abschnitten des fluiden Stromes hervorzurufen, der in dieser Stufe
aufgeheizt werden muß, um die Gesamtheit des fluiden Stromes zu beschleunigen und
die Wärme der warmen Abschnitte des fluiden Stromes auf die kalten Abschnitte ohne
nennenswerte Diffusion der Gase züi übertragen. Dieses letztere Ergebnis läßt sich
gewünschtenfalls noch dadurch verbessern, daß man die Rohrleitung 18 in mehrere
einander parallele Kanäle aufteilt, wodurch das Verhältnis zwischen der Wärmeaustauschfläche
der Wände der Kanäle und dem Querschnitt des fluiden Stromes wächst.
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Unter diesen Bedingungen nehmen am Eingang der zweiten Stufe
(3) die nicht aufgeheizten Abschnitte eine Temperatur an, die nahe bei der
Mischtempera-1 ur des Gesamtstromes liegt, nämlich derjenigen Temperatur, die die
Verbrennung des in der ersten Stufe verwendeten Brennstoffs in dem gesamten Sauerstofftr-#i#l,er
annehmen könnte; diese Abschnitte behalten jedoch demgegenüber ihre ursprüngliche
chemische Zusammensetzung bei, und zwar mit einem Gehalt ,in praktisch unverändertem
oxydierendem Gas. Bei den aufgeheizten Abschnitten ist die Temperatur auf einen
Wert gefallen, der jedoch höher ist. Seine chemische Zusammensetzung ist von derjenigen
des reinen Sauerstoffträgers auf die eines von freiem Sauerstoff praktisch freien
Verbrennungsgases über-gegangen.
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Auf Grund dieser Vorkehrunaen kann die Verbrennung in der zweiten
Stufe 3 in einem bereits teilweise beschleunigten, an Sauerstoff nicht ärmer
gewordenen Sauerstoffträger erfolgen, der auf eine höhere Temperatur erwärmt worden
ist, die sonst nur weder in einem Wandwärmetauscher unter Inkaufnahme des Temperaturabfalls
in der Zwischenwandung, der technologischen Grenzen der Abdichtung uncT des mechanischen
Strömungswiderstandes oder in einem Regenerator bei maximaler und notwendigerweise
höherer Temperatur des heißen Fluids zu erzielen wäre.
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Die Brennstoffeingabe 23 in die zweite Stufe 3 erfolgt
stoßweise in die Verbrennungskammer 24 mit gleicher Folge wie in der ersten Stufe
2, jedoch mit einer solchen Phasenverschiebung, daß die getroffenen Abschnitte des
fluiden Stromes diejenigen sind, die in der ersten Stufe 2 nicht aufgeheizt worden
sind. Die Regelung dieser Phasenverschiebung kann auf einfache Weise dadurch erfolgen,
daß die Temperatur des fluiden Stromes am Ausgang der zweiten Stufe 3 beispielsweise
mittels eines Strahlungspyrometers markiert und die Phasenverschiebung unter Erzielung
der Maximaltemperatur gesteuert wird.
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Die endgültige Beschleunigung des flulden Stromes erfolgt in einer
Rohrleitung 25. Seine Eingabe in den Kanal 1 liegt so nahe wie möglich
an der zweiten Stufe 3. Gegebenenfalls können Beschleunigung und Verbrennung
in der zweiten Stufe 3 gleichzeitig durchgeführt werden. Es ist gewünschtenfalls
ferner möglich, die Verbrennung in dem Kanal 1 zu verlängern.
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Der Impfstoff, der auch mit dem Brennstoff im Zeitpunkt seiner Bereitung
gemischt werden könnte, wird bei der hier beispielsweise dargestellten Anlage in
der gleichen Stoßfolge wie der Brennstoff eingebracht, und zwar entweder bei
26 in die erste Stufe 2 oder bei 27 in die zweite Stufe
3. Bei 26 erfolgt diese Einbringung mit Phasenverschiebung gegenüber
der Brennstoffeingabe der ersten Stufe 2, so daß sie auf die Abschnitte des fluiden
Stromes trifft, die in der zweiten Stufe 3 aufgeheizt werden. Bei
27
erfolgt diese Einbringung in Phase mit der Brennstoffeingabe in der zweiten
Stufe 3; sie kann sogar einfach unter Mischung des Impfstoffs mit dem in
der zweiten Stufe einlangenden Brennstoff erfolgen.