DE2106592A1

DE2106592A1 - Verfahren zur Gewinnung elektrischer Energie

Info

Publication number: DE2106592A1
Application number: DE19712106592
Authority: DE
Inventors: La Var King Salt Lake City Utah Isaacson (V St A )
Original assignee: University of Utah
Current assignee: University of Utah
Priority date: 1970-02-16
Filing date: 1971-02-11
Publication date: 1971-09-02
Also published as: GB1296309A; FR2080520A1; US3622817A

Description

^r ' " 80 Februar 1971

Gzy/hk

THE UNIVERSITY OF UTAH

Verfahren zur Gewinnung elektrischer Energie

Üblicherweise wird elektrische Energie aus chemischer Energie so gewonnen, da(3 man die chemische Energie in Wärmeenergie umwandelt, die ihrerseits in Form von Dampf eine mechanische Vorrichtung antreibt, weiche den Elektrogenerator bewegt, Die schlechte Wirksamkeit diese? Verfahrens ist. offensichtlich, wenn man bedenkt, daß die ursprüngliche chemische Energie durch verschiedene Stufen hindurch gehen muß, bevor elektrische Energie erzeugt wird Verluste treten ein durch eine schlechte Umwandlung von chemischer Energie in Wärmeenergie. Durch WärmeVerluste und durch Verluste bei der elektromechanischen Erze inning von Strom. Ein wirtschaftlicheres System zur Uravvan· llung von chemischer Energie in elektrische Energie w'ir-Je einen erheblichen Fortschritt mit sich bringen.

Es ist schon vorgeschlagen wurden, chemische Energie dadurch dLrekt in elektrische Energie umzuwandeln, daß man ein ionisiertes Gas durch das magnetische Feld eines magnetohydrodynamischen Elektrogenerators (MHD-Generator) hmdurchgefuhrt und die Elektronen aus dem ionisierten Gas extrahiert Die Ionisation des Gases wird durch Erhitzen auf 01 no hohe Temperatur· erreicht, wobei man das Gas entweder von -iiißen erhitzen kann oder die Verbrennungswärme '/en //errltin kann Wegen do:; Angriffes des Vorrichtung»·»

1 0 9 h ■ , / f! '·) k Ί

BAD ORIGINAL

materials durch sehr hohe Gastemperatüren hat man auch schon vorgeschlagen, die erforderiichen Gas tempera türen dadurch herabzusetzen, daß man da^ Gas mit einem Stoff wie Cäsium "impft", um dadurch ilen Strom der- Elektronen aus dein Gas beim Hindurchströraen durch das magnetische Feld in fordern. Um v/irtschaf ti i-..--h. arbeLreti zu Können, mub hierbei das Impfmaterial tauglichst vollständig v/ieaerirewrmnen werden. Es ist ferner vorgeschlagen worden, das Gas durch ein elektrisches Feld ca fuhren, um dadurch die Temperatur der Elektronen ohne Erhöhung der Temperatur des Gases selbst zu erhöhen und dem Gas eine Leitfähigkeit, die einer erhöhten Gas tempera tür entspricht, mitzuteilen, Bei diesem letzteren Verfahren wird die elektrische Energie ηιΐί sehr un-zuL.L3tändig ausgenutzt, und es treten schwere Erosionen an den Elektroden auf, welche das elektrische Feld Liefert

Hach dtm erfindurigsgernäßen Verfahren können Brennstoffe verv-mndefc werden, die billig im·I leicht erhältlich sind.

Zu diesen Stoffen, gehören fe invert eil te Kohle, Koks, Brennschiefer ο ser Gemische diener Stoffe, die in einem Stiom eines gasförmigen Brennstoffs wie Methan, Wasserstoff ulei Krdgats suspendiert sind, /\ r Sauerstoff für -Ii" Stirbt t-nnung dieser «Stoffe ist enthalten in einem IWr. η ^-.ri ν >r ί'ί h ι t zter l.utt unter- hohem Druck, in welchen die /τι in -nnl i..-hnn .iloffe eingeführt wurden. Um eine vor-

1, ·■

BAD ORIGINAL

zeitige Entzündung des Brennptoffgeiriisoh.es zu verhüten, werden die beiden Systeme in der Nähe der Mündung einer Expansionsdüse gemischt Da;: strömende Gemisch expandiert in der Düse und erreicht eine Stönnungsgeschwindigkeit von etwa 3 - ^cj Mach Beim Austritt aus der Expansionszone der Düse erhält der Strom eine Geschwindigkeit unter der Scha} 1 geschwindigkeit Hierdur-h entsteht eine Zone hoher Kompression oder eine Stoßwelle, welche die beiden Stromungszcnen voneinander irenni Beim Hindurchführen durch die Stoßwelle erhält der Brennstoff eiiibii thermischen Schock, der seine Verbrennung initiiert. Bei dieser Verbrennung bei hoher Temperatur wird das Gasgemisch icnisicrt, so 1ai3 elektrische Energie beim Hindurch! (-.1 ten des Verbrennungsgemisches durch das magnetische Feld eines MHD-Generators extrahiert werden kann- Da die Verbrennung der teilchenförmigen Stoffe eine gewisse Zeit beansprucht, erstreckt sich die Verbrennungszene durch die ganze L^nge des MHD-Generators hindurch, wo zusätzliche Elektronen aus dem ionisierten Strom extrahiert werden= Der durch die Stoßwelle erzeugte thermische Schock auf der Oberfläche der teilchenförmigen Feststoffe erzeugt oft sehr große Mengen von Elektronen, und zwar das 10 -fache bis 10 -fache derjenigen Elektronenmengen, die auf den gleichen Teilchen beim thermischen Gleichgewicht entstehen wurden Auch diese zusätzlichen Elektronen werden beim Durchgang des teilchenförmigen Feststoffes durch das elektrische Feld des MHD-Generators extrahiert.

10 9 - / · Λ 3
BAD

Ziel der Erfindung ist ein Verfahren für die Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie durch Ionisieren von leicht erhältlichen fossilen oder rezenten Brennstoffen durch eine Verbrennung, welche durch Stoß induziert ist, und anschließendes Hindurchleiten der ionisierten Verbrennungsprodukte durch das Magnetfeld eines MHD-Generators. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Erzeugung von elektrischer Energie, dadurch, daß man teilchenförmige Feststoffe in dem Gasstrom in einem MHD-Generator einem nicht im Gleichgewichtszustande stehenden thermischen Impuls unterwirft, um zusätzliche Elektronen freizusetzen,= Noch ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Verwendung von verbrennlichen teilchenförmigen Feststoffen, die an ihrer Oberfläche einem thermischen Schock unterworfen werden, um zusätzliche freie Elektronen zu erzeugen und die Verbrennungszone durch die ganze Länge des MHD-Generators zu verlängern= I

Die Zeichnungen zeigen beispielsweise eine Aueführungsform der Erfindung» .

Figur 1 ist ein Querschnitt durch die Expaneionsdüse und die Zone der Stoßwelle im MHD-Generator. Dort ist auch gezeigt, was wahrscheinlich in diesen Zonen vor

sich geht. I

Figur 2 zeigt schematisch das System des HHD-Qtneriitore ♦

1098 3 6/0943 *

Nach Figur 1 wird der teilchenförraige Feststoff in einem Strom des gasförmigen Brennstoffes durch die Leitung 10 in die Zone 11 der Düse eingeführt. Dort vermischt sich dieser Strom mit hochkomprimierter hocherhitzter Luft und/oder einem gasförmigen Brennstoff aus der Leitung 12. Pfeile geben die Strömungsrichtungen an.

In der Zone 13 der Düse expandiert das Gemisch. Hierdurch wird dem Gemisch aus teilchenförmigen Feststoffen, dem Brennstoff und der Luft eine Störmungsgeschwindigkeit von etwa 3 bis 5 Mach erteilte Nach dem Austritt aus der Expansionszone 13 der Düse erhält das strömende Gemisch

eine Strömungsgeschwindigkeit unter der Schallgeschwindigkeit=, Hierdurch entsteht eine stehende Stoßwelle 14 zwischen den zwei Strömungszonen₀ Beim Hindurchgang durch diese stehende Stoßwelle 14 erhält das Gemisch einen thermischen Schock, der die Verbrennung einleitet. Es entsteht eine Verbrennungsfront 15 stromabwärts von der stehenden Stoßwelle 14o Durch den thermischen Schock der stehenden Stoßwelle und durch die Verbrennung des Brennstoffes-dn dem Gemisch wird dieses ionisiert. Aus diesem ionisierten Gemisch werden Elektronen beim Durchgang durch einen üblichen MHD-Generator 16 extrahiert. Die weitere Verbrennung der verbrennlichen Feststoffe stromabwärts von der Verbrennungsfront 15 verlängert die ionisierte Zone über die ganze Länge des MHD-Generators, so daß auch dort zusätzliche Elektronen extrahiert werden können.

109 8 3 6/0943

Beim Durchgang durch die stehende Stoßwelle 14 wird der teilchenförmige Feststoff an seiner Oberfläche einem nicht im Gleichgewichtszustande stehenden thermischen Impuls unterworfen, wobei große Mengen freier Elektronen auf der Oberfläche der Teilchen entstehen, die durch den MHD-Generator 16 extrahiert werden können.

Eine Strömungsgrenze 17» eine refelektirte Stoßwelle 18 und eine zwischenliegende Stoßwelle 19 sind in gestrichelten Linien in Beziehung zu der Stoßwelle 14 und der Verbrennungsfront 15 dargestellt» Diese Beziehungen treffen zu bei einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit» Eine Änderung der Störmungsgeschwindigkeit bewirkt natürlich auch eine Änderung aller Grenzflächen und Wellen=

Nach der Figur 2 werden die teilchenförmigen Feststoffe mit dem gasförmigen Brennstoff so gemischt, daß beide gemeinsam in die Expansionsdüese eintreten, sich dort mit der vorerhitzten komprimierten Luft vereinigen und dann in die Expansionszone der Düse gelangen» Die Luft kann in einem Kompressor 23 komprimiert werden, wo sie durch das Verdichten erwärmt wird. Zusätzlich wird sie erwärmt beim Hindurchleiteh durch den Wärmeaustrauscher 24. Vor dem Einführen in diese Düse wird die Luft durch eine Verteiler kammer 25 geleitet.

Der MHD-Generator ist durch die Bezugsziffer 16 angedeutet.

109836/0943

Die Verbrennungsprodukte verlassen die Zone des MHD-Generators, wo die Elektronen extrahiert worden sind, und gelangen durch einen Dampferzeuger 26, wo Dampf erzeugt wird, der dann in üblicher Weise einen nicht abgebildeten Elektrogenerator betreibt„ Feste Abfallstoffe als Asche und Schlacke werden in der Vorrichtung 27 abgetrennt. Vor dem Austritt in die Atmosphäre erwärmen die Abgase im Wärmeaustauscher 24 die eingeführte Luft.

109836/0943

Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Gewinnung elektrischer Energie, dadurch gekennzeichnet, daß man wenigstens einen Strom eines erhitzten, unter Druck befindlichen, wenigstens 20 Volumenprozent Sauerstoff enthaltenden Gases mit wenigstens einem unter Druck befindlichen, einen gasförmigen Brennstoff und einen teilchenförmigen Feststoff enthaltenden Strom mischt, die Strömungsgeschwindigkeit in der Expansionszone einer Düse auf mehr als Schallgeschwindigkeit erhöht, unter Herabsetzung der Strömungsgeschwindigkeit auf Unterschallgeschwindigkeit eine Stoßwelle quer durch das strömende Gemisch erzeugt, den Brennstoff durch Hindurchführen durch die Stoßwelle entzündet und dadurch das strömende Gemisch ionisiert, das inonisierte strömende Gemisch durch das magnetische Feld eines magnetohydrodynamischen Elektrogenerators hindurchführt, und aus dem strömenden ionisierten Gemisch elektrische Energie extrahiert»

Verfahren nach Anspruch 1 _t dadurch gekennzeichnet, daß man zur zusätzlichen Erzeugung von Elektronen dsn in dem strömenden Gemisch enthaltenen teilchenförmigen Feststoff einem nicht im Gleichgewichtszustande stehenden thermischen Impuls unterwirft.

10 9 8 3 6/0943

3c Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als teilchenförmigen Feststoff Kohle, Brennschiefer, Koks, einen nicht verbrennlichen Feststoff oder ein Gemisch von zwei oder mehreren dieser Stoffe verwendete

4„ Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als Brennstoff Methan, Wasserstoff, Erdgas oder ein Gemisch von zwei oder mehreren dieser Stoffe verwendet.

109836/0943

Leerseite