DE2111585B2 - Vorrichtung zur Erzeugung eines Arbeitsgasstroms von hoher Temperatur und hohem Druck - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Arbeitsgasstroms von hoher Temperatur und hohem Druck, mit einem Brenner mit einem perforierten Schirm aus hitzebeständigem Werkstoff, gegen dessen eine Seite ein Strom von Brennstoff und Primärluft und gegen dessen andere Seite ein Strom von Sekundärluft gerichtet ist, derart, daß die beiden Ströme am Schirm entlang abgelenkt werden und eine im wesentlichen ringförmige Flamme an dessen Umfang bilden. Die Erfindung betrifft insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, eine derartige Vorrichtung, welche als ein magnetohydrodynamischer Generator zur Erzeugung von elektrischem Strom verwendet werden kann.

Die verwendeten Brenner sind von dem Typ, der in der DK-PS 113 942 beschrieben ist, welcher Brenner eine etwa ringförmige Flamme bildet, deren Temperatur infolge einer nahezu vollständigen Verbrennung des verwendeten Brennstoffes sehr hoch werden kann (mehr als !200⁰C). Dieser Brenner gibt unter möglichst guter Ausnutzung des Wärmeinhalts des Brennstoffs eine scharf abgegrenzte, rirhiungsbestimmte Flamme, welche von der zugeleiteten Luft leicht gesteuert werden kann. Die Flamme wird nach unten gerichtet.

Die Erfindung bezweckt, eine Vorrichtung zur Erzeugung einer großen Energiemenge auf billige und ungefährliche Weise unter Verwendung einer verhältnismäßig kleinen Menge Brennstoff zu schaffen. Die entwickelte Energie kann auf verschiedene Weise verwendet werden, zum Beispiel zur Erzeugung von Dampf in Verbindung mit Kesseln, o.£er sie kann in anderen wärme- oder energieverbrauchenden Aggregaten oder zur direkten Erzeugung von Elektrizität auf magnetohydrodynamischem Wege unter Verwendung von Magneten verwendet werden.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner am oberen Ende eines im wesentlichen senkrechten Kanals mit ringförmigem Querschnitt angeordnet ist. dessen unteres Ende mit einem Abzug verbunden ist, wobei oberhalb des Brenners Mittel vorgesehen sind, um ein gasförmiges Medium mit einem Gehalt an Substanzen zur Erhöhung der Verbrennungsenergie in an sich bekannter Weise in den Kanal an dessen Innenwandung entlang einzuführen.

Dadurch wird erreicht, daß längs der mit Pnmärluft und Sekundärluft brennenden, genau gesteuerten, nach unten gerichteten Flamme ein schnellströmendes, luftförmiges, energieerhöhende Stoffe enthaltendes Medium zugeleitet wird.

Gemäß der Erfindung wird also diese flamme dem Zweck nützlich gemacht, dadurch, daß vom Brenner die Abgase der ringförmigen Flamme durch einen Kanal mit ringförmigem Querschnitt gleitet und dort mit den weiteren, chemisch auszuwertenden Stoffen kontaktiert werden, welche als ein gasförmiges Medium mit einem Gehalt an Substanzen zur Erhöhung der Verbrennungsenergie durch Mittel oberhalb des Brenners eingeführt und in an sich bekannter Weise diesen Kanal entlang an dessen Innenwandung geleitet werden. Durch den ringförmigen Querschnitt dieses Kanals wird einmal der Ringform der Brennerflamme Rechnung getragen, und weiter bilden die Abgase dadurch eine großflächige dünne Schicht, die mit einer entsprechenden Schicht aus weiteren Stoffen zusammengeführt wird, so daß die chemischen Prozesse sich schnell und praktisch restlos entwickeln können.

Em Brenner mit einer derart hohen Flammentemperatur ist geeignet, weitere exothermische chemische Prozesse einzuleiten, bei denen eine hohe Initialtemperatur notwendig ist und die dann die Abgastemperatur noch weiter steigern. Voraussetzung hierfür ist jedoch, daß die heißen Verbrennungsgase und die weiteren Prozeßteilnehmer in dünner Schicht großflächig miteinander in Berührung gebracht werden. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung mit der hochiemperaturigen Flamme des bekannten Brenners eignet sich vorzüglich für diesen Zweck.

Die nach unten gerichtete Flamme wird von dem ständigen Druck der gleichgerichteten Sekundärluft gegen die kontrollierte gleichgerichtete Primärluft gesteuert, und diese beiden kontrollierten Luftströmungen spalten chemisch den zugeführten Brennstoff und

ergeben eine vollständige Verbrennung, durch welche mit einer verhältnismäßig kleinen Menge von flüssigem oder gasförmigem Brennstoff eine sehr hohe Temperatur, zum Beispiel über 1200"C, erreich) werden kann. Diese hohe Temperatur bewirkt, daß ein sehr enger chemischer Kontakt zwischen den zugeführten energieerhöhenden Stoffen stattfinden kann, wodurch eine kräftige Erhöhung der entwickelten Energie in der Form von Wäsme und Druck erreicht wird.

Als zugeführter energieerhöhender Stoff können zum Beispiel verschiedene Salze oder Öl oder Meerwasser oder einfach verunreinigtes Wasser benutzt werden, weil dieses teils Stoffe enthält, die an sich brennbar sind. Meerwasser enthält große Energiemengen wegen seines Gehalts an unier anderem Salzen, Wasserstoff und Deuterium, und verunreinigtes Wasser enthält fein verteilte brennbare Stoffe, wie Kohlenstoff, Feile. Salze und viele andere Stoffe.

In dieser Vorrichtung gemäß dei Erfindung treffen Brennstoffteilchen, die etwa mit der Primärluft unvoll- »o ständig vermischt sind, auf den glühenden perforierten Schirm, wo sie teils verdunstet oder zerkleinert, teils mit der im Gegenstrom auf den Schirm auftreffenden Sekundärluft innig vermischt und somit vollständig verbrannt werden. »5

Infolge der vollständigen Verbrennung der verhältnismäßig kleinen Menge Brennstoff wird die Luftverunreinigung minimal. Durch die erwähnte Verwendung von Wasser, zum Beispiel Abwasser, als energieerhöhendem Stoff kann das Verfahren gemäß der Erfindung dazu beitragen, der ständig zunehmenden Verunreinigung von Gewässern zu begegnen. Ferner ist die Vorrichtung gemäß der Erfindung dadurch vorteilhaft, daß sie ohne Verwendung von Kühlwasser arbeitet. Zusammen mit dem eneigiecrhöhenden Stoff können nötigenfalls neutralisierende Stoffe (zum Beispiel Kalk), welche die Wirkung von etwaigen zugeführten Giftstoffen aufheben, oder leicht ionisierende Metalle, was von Bedeutung ist, wenn die Vorrichtung gemäß der Erfindung als magnetohydrodynamischer Generator /ur Erzeugung von Elektrizität benutzt wird, zugesetzt werden. Die Ionisation in einem solchen Generator wird jedoch vor allem durch eine sehr starke Reibung zwischen der äußeren Schicht des heißen Gasstroms und kalter Schutzluft, die längs den in einem solchen Generator verwendeten Magnetflächen zum Schutz derselben hineingeschickt wird, hervorgerufen. Die Ionisation kann ferner durch Erzeugung von Schockwellen in einem zugeführlen neutralisierenden oder regelnden Medium in IuFlförmigem Zustand, gegebenenfalls in Verbindung mit Dampf, gefördert werden.

Ein neutralisierendes oder regelndes Medium kann gemäß der Erfindung auf äußerst wirksame Weise durch zusätzlich zentral im Inneren des Brenners angeordnete Mittel zugeleitet werden. Hierdurch wird der Strom des Mediums gegen die Zündflamme geführt, wobei das Medium zuerst mit der Flamme, wo die chemische Einmischung stattfindet, in Kontakt kommt. Dieser Vorgang ermöglicht es, die Intensität der chemischen Verbrennung zu erhöhen, nach Programm entweder in Schockperioden oder kontinuierlich.

Ein solcher magnetohydrodynamischer Generator arbeitet bekanntlich nach dem Prinzip, daß ein kräftiger Strom von ionisiertem Gas sich an den Polen eines kräftigen Magneten vorüberbewegt, wodurch eine elektromagnetische Kraft im Gas winkelrecht zum Magnetfeld und zur Bewegungsrichtung des Gases erzeugt wird, und die Elektrizität wird von den Elektroden, die in dem Gasstrom angebracht sind, entnommen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung in Ausgestaltung als magnetohydrodynamischer Generator, wobei in der Kanalwandung Magnetpole und Elektroden vorgesehen sind, welche letztere in einem elektrischen Stromkreis liegen, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetpole und Elektroden in der äußeren Wandung des im Querschnitt ringförmigen Kanals angeordnet sind und daß oberhalb des Brenners Mittel vorgesehen sind, um ein gasförmiges Kühlmittel in der Gestalt eines zweiten, den ersten Gasstrom mit den hinzugegebenen Substanzen vorhangähnlich umschließenden Stroms in den Kanal einzuführen.

Bei dieser Vorrichtung ist ein magnetohydrodynamischer Generator mit einem offenen System ausgestaltet, in welchem das Verbrennungsgas, dem leicht ionisierende Stoffe zugesetzt sind, zur Erzeugung von Elektrizität benutzt wird, welche aus einem Gasstrom entnommen wird, der sich mit großer Geschwindigkeit an den Polen eines kräftigen Magneten vorüberbewegt, indem die Elektrizität mit Hilfe von in dem warmen Gasstrom angebrachten Elektroden entnommen wird. Das abkühlende Medium kann vorzugsweise atmosphärische Luft sein.

Ein solcher magnetohydrodynamischer Generator zeichnet sich gegenüber den Atomreaktoren durch die verhältnismäßig einfache und sichere Steuerung der entwickelten Energie und durch die Beseitigung der Strahlungsgefahr aus.

Es sei bemerkt, daß die Vorrichtung gemäß der Erfindung jedoch auch einfach als ein öl- oder gasbeheizter Kessel oder eine Brennkammer ausgebildet werden kann. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann gegebenenfalls auch mit einem elektrischen Heizaggregat zur Anwärmung der Verbrennungsluft versehen werden. Des weiteren kann die im Kessel oder in einer Brennkammer erzeugte kräftige Wärme und Druckenergie in einer hinter der Vorrichtung angeordneten Turbine ausgenutzt werden, die zum Beispiel auf bekannte Weise einen oder mehrere Kompressoren für Zuführung von Verbrennungs- und/oder Kühlluft oder anderen gasförmigen Medien mit den genannten energieerhöhenden oder neutralisierenden Stoffen antreiben kann.

Um jede Gefahr eines Eindringens von Falschluft auszuschließen, das die sichere Flammensteuerung und die Führung der ionisierten Gasströmungen und des K.iihlluftstroms vereiteln könnte, kann die Vorrichtung gemäß der Erfindung unter der Erdoberfläche angebracht sein. Der zylindrische Aufbau der Vorrichtung bewirkt, daß die Energieentwicklung trotz des entwikkclten kräftigen Drucks im Gleichgewicht ist, und der symmetrische Aufbau bewirkt, daß gemäß der Erfindung innerhalb des Innenmantels des Kanals ein Schacht angeordnet ist. welcher Speiseleitungen für den Brenner enthält und den Zugang zu demselben gewährleistet.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erklärt, welche die Erfindung in Form eines magnetohydrodynamischen Generators darstellt, wobei man verstehen wird, daß ein Hochdruckkessel oder eine Brennkammer nach demselben Prinzip aufgebaut werden kann, nur unter Weglassung der verwendeten Magnete. Die große Geschwindigkeit und der Druck im Gasstrom können in Gasturbinen ausgenutzt werden.

Die gezeigte Vorrichtung besteht aus einem kräfti-

gen zylindrischen Gehäuse 1, das vorzugsweise von wärmeisolierendem Material oder Beton umgeben ist und in der Erde versenkt angebracht sein kann. Oben im Gehäuse ist in einem Kreis eine Anzahl Brenner 2 regelmäßig verteilt in einem solchen Abstand voncinander angebracht, daß sie einen kontinuierlichen Flammenring bilden können, zum Beispiel können drei Brenner je Meter des Umfanges angebracht sein. Die Brenner können öl- oder gasbeheizte Brenner mit einer nach unten gerichteten, genau gesteuerten Flamme sein. Die Steuerung erfolgt mit Hilfe einer geregelten Zuführung von gleichgerichteter Primärluft 3. indem die mit dieser Primärluft angezündete Flamme an einem perforierten Schirm 4 mit von einem pilzförmigen Körper 5 ausströmender, gleichgerichteter Sekundärluft 6 zusammentrifft, wodurch der zugeführtc Brennstoff gespalten wird und dadurch eine sehr hohe Temperatur mit einer verhältnismäßig kleinen Menge Brennstoff erreicht wird. Die nach unten gerichtete Flamme brennt in einer schmalen ringförmigen Verbrennungskammer 7 mit einer Temperatur von mehr als 120O⁰C Von einer oben in der Vorrichtung angebrachten Ringdüse 8 wird ein Kegel 9 von zerstäubtem Meerwasser oder verunreinigtem Wasser oder von einem luft- oder dampfförmigen, energieerhöhende as Stoffe, zum Beispiel Salze oder öl in zerstäubter Form, enthaltenden Medium ausgesandt. Der pilzförmige Körper 5 schließt die Gefahr aus. daß Wasser zu den Brennern 2 heruntcrdring^n kann. Diesen wärmeerhöhenden Stoffen wird ferner vor oder in der Ringdüse ein erwärmter Luftstrom oder ein Dampf-Luftstrom zugeführt, was nicht nur ein sehr kräftig ionisierte«. Gas gibt, sondern auch bewirkt, daß das mit zerstäubtem Wasser oder Dampf vermischte verunreinigte Wasser brennen kann. Der kegelförmige Strahl 9 von energie-' erhöhenden Stoffen strömt an der Außenseite der Flamme in die ringförmige Verbrennungskammer 7. und wenn sie mit der hohen Temperatur in derselben zusammentreffen, wird eine chemische Verbrennung der energieerhöhenden Stoffe hervorgerufen, wodurch eine sehr kräftige Wärme- und Druckentwicklung erreicht wird. Die nach unten gerichtete Flamme von dem Reaktionsbrenner, die eine Temperatur von etwa 1200 bis 1500'C hat. dient somit zur Erhaltung der Flamme bei der kräftigen Wärmeentwicklung während des chemischen Verbrennungsvorganges, durch welchen Temperaturen in der Größenordnung 3000 bis 4000⁰C erzeugt werden können.

Zeniral im Innern der Vorrichtung ist eine höhenverstcllbare doppelwandige Leitung 10 durch den pilzförmigen Körper 5 hochgeführt Durch diese Leitung wird dem Kegel 9 von energieerhöhenden Stoffen e:n regelndes Medium Il in Verbindung mit warmer Luft oder Dampf zugeführt. Dieses regelnde Medium kann dazu dienen, etwaige Giftstoffe unter den energieerhöhenden Stoffen im Kegel 9 zu neutralisieren oder deren Wirkung aufzuheben, oder es kann dazu dienen, die elektrische Leitfähigkeit in der Strömung in der Verbrennungskammer 7 zu erhöhen oder einfach die Verbrennung in dieser zu regeln, in welchem Falle das regelnde Medium auch kalte Luft oder ein flüssiger oder fester, pulverisierter brennbarer Stoff, wie zum Beispiel Kohlenstaub oder Holzmehl, sein kann. Schließlich kann das regelnde Medium zur Erzeugung von kurzdauernden .Schockimpulsen zur Erhöhung der Temperatur und der elektrischen Leitfähigkeit in der Verbrennungskammer 7 benutzt werden.

Wenn die Vorrichtung als ein magnetohydrodynamischer Generator funktioniert, so wie dies in der dargestellten Ausführungsform der Fall ist. besteht die Wand der Verbrennungskammer 7 aus einem kräftigen Magnet 12. zwischen dessen Polen ein isolierendes Material angebracht ist. so daß dies zusammen mit dem Magnet einen geschlossenen Zylinder bildet. In diesem isolierenden Material sind Elektroden zur Entnahme von elektrischem Strom angebracht. Tie Wand kann auch aus ringförmigen Magneten von hufeisenförmigem Querschnitt aufgebaut werden. Um den Magnet gegen die gewaltige Wärmebeanspruchung zu schützen und zugleich die Geschwindigkeit der Gasströmung zu steigern, wird ein stark gekühlter Luftstrom 13 längs der Wand zwischen den Magneten und den warmen Gasstrom geleitet.

Es sei bemerkt, daß die stark wärmestrahlcnde. zylinderförmige flamme in der Verbrennungskammer 7 sich abwärts bewegt, von Luftströmungen mit verschiedenen Temperaturen umgeben, und zwar der kalten Kühlluft, welche die von dem zylindrischen Magnet gebildete Wand bestreicht, sowie Sekundärluft und dem Strom von energieerhöhendem Stoff auf der einen Seite und dem Strom von Primärluft auf der anderen Seile der F lamme.

Die Zuführungsleitungcn für Primärluft und Sekundärluft sowie für Brennstoff sind im Innern des Gehäuses 1 hochgeführt worden und können dadurch einigermaßen von der Verbrennungskammer vorgewärmt ■werden, und der innen im Gehäuse gebildete Schacht 14 ist unter allen Umständen so von der Verbrennungskammer wärmeisoiert, daß man sich darin aufhalten kann. Der Schacht kann mit einem Fahrstuhl 15 versehen sein, mit dem Monteure, die die Brenner beaufsichtigen sollen, zu denselben gelangen können. Das Verbrennungsgas kann an der Außenseite des Gehäuses 1 entlang ins Freie oder zu einer energieverbrauchenden Maschine hochgeführt werden. Auf Wunsch kann das Verbrennungsgas auch unten an der Vorrichtung abgeleitet werden, aber in beiden Fällen ist es zweckmäßig, daß es in Sternform abgeleitet wird so daß ein Ausbalancieren des Reaktionsdrucks und der Verbrennung erreicht wird. Übrigens zeichnet sich die Vorrichtung gemäß der Erfindung wie erwähnt durch die sichere Steuerung der Verbrennung aus. die von Organen im Innern der Vorrichtung selbst kontrolliert werden kann. Es besteht keine Gefahr, daß atmosphärische Luft in das System dringen und die Verbrennung beeinflussen kann, und es besteht bei dieser Form von Entwicklung hoher Wärme- und Druckenergie keine Strahlungsgefahr.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

2 IiI Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Erzeugung eines Arbeitsgasstroms vyon hoher Temperatur und hohem Druck, mit einem Brenner mit einem perforierten Schirm aus hftzebeständi^eni Werkstoff, gegen dessen eine Seite ein Strom von Brennstoff und Primärluft und gegen dessen andere Seite ein Strom von Sekundärluft gerichtet ist, derart daß die beiden Ströme am Schirm entlang abgelenkt werden und eine im wesentlichen ringförmige Ramme an dessen Umfang bilden, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (2) am oberen Ende eines im wesentlichen senkrechten Kanals (7) mit ringförmigem Querschnitt angeordnet ist, dessen unteres Ende mit einem Abzug verbunden ist, wobei oberhalb des Brenners (2) Mittel (8) vorgesehen sind, um ein gasförmiges Medium (9) mit einem Gehalt an Substanzen zur Erhöhung der Verbrennungsenergie in an ao sich bekannter Weise in den Kanal an dessen äußerer Innenwandung entlang einzuführen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz zur Erhöhung der Verbrennungsenergie Meerwasser oder verunreinigtes as Wasser ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch zusätzliche, zentral im Innern des Brenners angeordnete Mittel (10) zum Zugeben von Substanzen zur Beeinflussung der Verbrennung zum gasförmigen Medium.

4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, als magnetohydrodynamischer Generator ausgebildet, wobei in der Kanalwandung Magnetpole und Elektroden vorgesehen sind, welch letztere in einem elektrischen Stromkreis liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetpole (12) und Elektroden in der äußeren Wandung des im Querschnitt ringförmigen Kanals (7) angeordnet sind und daß oberhalb des Brenners (2) Mittel vorgesehen sind, um ein gasförmiges Kühlmittel (13) in der Gestalt eines zweiten, den ersten Gasstrom mit den hinzugegebenen Substanzen vorhangähnlich umschließenden Stroms (13) in den Kanal (7) einzuführen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Innenmantels des Kanals (7) ein Schacht angeordnet ist, welcher Speiseleitungen für den Brenner (2) enthält und den Zugang zu demselben gewährleistet.