DE2421682A1

DE2421682A1 - Waermekraftmaschine

Info

Publication number: DE2421682A1
Application number: DE2421682A
Authority: DE
Inventors: Peter Rowland Payne
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-05-08
Filing date: 1974-05-04
Publication date: 1974-11-28
Also published as: CA1004045A; IL44746A; FR2228939B1; GB1466187A; US3898800A; IL44746A0; FR2228939A1; AU6869774A; IN142744B; ZA742942B; JPS5031230A

Description

PATENTANWÄLTE MEISSNER & BOLTf

DIPL.-ING. HANS MEISSNER DIPL.-ING. ERICH BOLTE

Anmelder:

Peter Rowland Payne Box 282, Route 5 Annapolis, Maryland, USA

D 28 Bremen, 3.Mai 1974

Sievogtstraße 21 Bundesrepublik Deutschland Telefon 0421 -342019 Telegramme: PATMEIS BREMEN

Unser Zeichen

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Wärmekraftmaschine

(die Priorität aus der USA-Patentanmeldung Serial Fo. 358 232 vom 8.Mai 1973 wird in Anspruch genommen)

Die Erfindung "betrifft eine Wärmekraftmaschine, in welcher sich eine Flüssigkeit in einem Rohr bewegt, welches einseitig verschlossen ist. Das Rohr wird an dem geschlossenen Ende erhitzt und die Flüssigkeit bewegt sich oszillierend über die länge des Rohres. Sobald die Flüssigkeitsgrenzschicht in einen heißen Abschnitt eintritt, verdampft etwas von der Grenzschicht, so daß der Druck in dem Raum zwischen der Grenzschicht und dem Ende des Rohres sich erhöht, wodurch die Grenzschicht in den kühleren Bereich des Rohres zurückgedrückt wird. Der Dampf kondensiert dann, der Druck fällt und die Flüssigkeit bewegt sich rückwärts auf das heiße Ende zu.

Je langer das Rohr im Verhältnis zur Abmessung des heißen Bereiches oder "Boilers" ist, desto größer ist das Moment der Flüssigkeit, wenn diese in den Boiler eintritt und desto höher ist auch das Spitzen-Druckverhältnis, welches sich entwickelt. Hohe Druckverhältnisse sind aber für einen wirksamen Betrieb unbedingt erforderlich. Es ist also allgemein notwendig, daß die

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Boilerwände schwer genug sind, damit sie die Wärme, die für einen vollständigen Zyklus erforderlich ist, "speichern" und während der sehr kurzen Zeit, während welcher die Grenzschicht sich in dem Boiler befindet, an das Wasser abgeben können.

Die beschriebene Maschine ist direkt für den Antrieb von Booten verwendbar. Hit gewissen Abänderungen kann sie auch für andere Anwendungszwecke verwendet werden. Beispielsweise zur Erzeugung einer Wellenleistung (shaft power) sowie zum Pumpen von Blüssig— keiten.

Bei der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine wird also Wasser als Arbeitsflüssigkeit zur Erzeugung von Energie nach dem Impuls-Strahl-Prinzip verwendet.

Beim Antrieb von Booten und Schiffen ist es üblich, beispielsweise von Dieselöl als Energiequelle auszugehen, welches Wärmeenergie liefert,und an das umgebende Wasser kinetische Energie abzugeben, so daß durch die Reaktion das Boot vorwärts getrieben wird, "üblicherweise befindet sich zwischen diesen beiden Extremen ein erheblicher Maschinenaufbau. Beispielsweise erhitzt das öl in einem Boiler befindliches Wasser und verwandelt dieses in Dampf, der seinerseits eine Turbine antreibt, die wiederum über ein Getriebe eine Schraube antreibt, die in dem Wasser den erforderlichen reaktiven Schub entwickelt. Gemäß vorliegender Erfindung wird die Wärme direkt an das umgebende Wasser abgegeben, um denselben Effekt zu erreichen, so daß die dazwischenliegenden Maschinen ausgeschaltet werden., Eine bekannte Antriebseinheit dieser allgemeinen Bauart ist bereits 1916 in der USA-Patentschrift 1 200 960 beschrieben worden;- das Prinzip dieser bekannten Kaschine ist in Figur 1 dargestellt. Geht man von der Annahme aus, daß anfänglich etwas Wasser in dem Boiler vorhanden ist, so verwandelt die Wärme dieses in Dampf und stößt die Grenzfläche des umgebenden Wassers in das Rohr. Sobald alles Wasser in dem Boiler zu Banpf umgewandelt worden ist, kondensiert sich der Dampf

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in dem kälteren Bereich des Rohres, der Druck fällt und die Wassergrenzfläche "bewegt sich gegen den Boiler zurück. Sobald sie den Boiler erreicht, spritzt etwas Wasser in diesen und, weil das Rohr in einer gewissen Höhe über den Boden des Boilers angeordnet ist, ist das eingespritzte Wasser "gefangen" und wird wieder in Dampf verwandelt, der die Grenzfläche in das Rohr treibt. Es wird eine Netto-Schubkraft nach links entwickelt, hauptsächlich dann, wenn das umgebende Wasser in das Rohr fließt; es kommt dann von allen Seiten zu einem "Saugfluß" (sink flow), wogegen beim Aufsteigen des Rohres das Wasser als Strahl austritt, weil die endliche Viskosität der Flüssigkeit einen "Quellfluß" (source flow) aus dem Rohr verhindert (vgl. Figur 4). Zahlreiche andere spätere Patente beschreiben Vorrichtungen, die alle nach dem gleichen Prinzip arbeiten, gemäß welchem eine kleine Menge Wasser in dem Boiler am Ende jeder Induktionsphase eingefangen wird_o

Die in der USA-Patentschrift 1. 200 960 beschriebene Wärmekraftmaschine war insbesondere für ein Spielzeugboot entwickelt worden und die meisten Vorrichtungen, die in späteren Patentschriften beschrieben sind, sind für denselben Verwendungszweck gedacht. Man ging von der Annahme aus, daß sich das Prinzip nicht auf "ausgewachsene", d.h. normale Boote und Schiffe übertragen ließ, und zwar hauptsächlich deshalb, weil alle Versuche dieser Art, insbesondere in den frühen 20er Jahren ohne Erfolg geblieben waren. Es gab zwei Gründe für die Unfähigkeit, das Phänomen in einen größeren Maßstab zu übertragen. Erstens wurde die Dampf-Wasser-Grenzfläche, die in Figur 1 dargestellt ist, durch die Oberflächenspannung aufrechterhalten und dies ist nur in Rohren mit sehr kleinem Durchmesser mögliche In größeren Rohren entwickelte sich keine stabile Grenzfläche und der Dampf trat blasenförmig in das umgebende Wasser ein und wurde kondensiert, ohne die Masse des Wassers in dem Rohr zu bewegen=, Wichtiger noch war die Tatsache, daß - selbst wenn das erstgenannte Problem lösbar gewesen wäre - die entwickelten

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Drucke inhärent niedrig waren, so daß es keine Möglichkeit zur Erzielung eines wirksamen Betriebes gab.

Erfindungsgemäß ist, wie in den Figuren 2 und 3 dargestellt, der "Boiler" ein fester Teil des Rohres; man geht davon aus, daß das durch die Viassersäule erreichte Moment bei der Bewegung auf den Boiler zu die Grenzfläche lange genug in dem Boiler halten kann, damit eine ausreichende Menge Dampf mit hohem Druck erzeugt werden kann. Eine Stabilität der Grenzfläche zwischen Dampf und Wasser wird erreicht, weil für den Hauptteil des Zyklus die Wassersäule auf den Boiler hin beschleunigt wird. Sie wird nur dann von dem Boiler weg bewegt bzw„ beschleunigt, wenn sie nahebei oder direkt in demselben ist, so daß für die dann instabile Grenzfläche nur sehr wenig Zeit für eine Disintegration bleibt.

Ein Druck-Yolumen-Diagramm vom Betrieb der Einheit ist in Figur 14 dargestellt. Für den Hauptteil des Zyklus kondensiert sich der Dampf und die Grenzfläche verlangsamt sich nach ihrem anfänglich raschen Ausstoß aus dem Boiler. Ein "Kondensationsbereich" ist formal erforderlich, ist jedoch in vielen praktischen Fällen unnötig, weil der kondensierende Dampf seine Wärme an die in der Fähe liegende Rohrwand abgibt, die die Wärme wiederum an die nachfolgende Charge eintretenden Wassers gibt.

Da die Flüssigkeitsgrenzschicht nur eine sehr kurze Zeitspanne in dem Boiler verweilt, ist es wichtig, daß die für einen Zyklus ausreichende 'Wärmemenge einerseits in dem Material der Boilerwand "gespeichert" und andererseits rasch an das Wasser abgegeben werden kann. Das erfordert, daß das Material eine hohe Leitfähigkeit und eine hohe spezifische Wärme oder eine hohe Leitfähigkeit und ein erhebliches Gewicht besitzt.

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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.In den Zeichnungen bedeuten:

Figur 1 eine schematische Darstellung einer

bekannten Wärmekraftmaschine nach dem Impuls-Strahl-Prinzip;

Figur 2 eine schematische Darstellung der Wärmekraftmaschine nach dem Impuls-Strahl-Prinzip gemäß vorliegender Erfindung;

Figur 3 eine weitere schematische Darstellung der Yfärmekraftmaschine gemäß vorliegender Erfindung in Anwendung beim Antrieb eines Schiffskörpers;

Figur 4 eine Darstellung des Einflusses und des

Ausflusses in das offene Ende bzw. aus dem offenen Ende des Rohres;

Figur 5 eine schematische Darstellung einer Form des Luftaustrittes;

Figur 6 einen Querschnitt durch das Austrittsende des Rohres mit glockenförmiger Mündung;

Figur 7 eine schematische Darstellung mechanisch betriebener Flügel zur Ableitung des austretenden Strahles;

Figur 8 eine schematische Darstellung der Verwendung eines Ventiles zur Modulierung der Schubkraft gemäß der Erfindung;

Figur 9 eine schematische Darstellung einer Wärmekraftmaschine nach dem Wasser-Impuls-Strahl-Prinzip, mit welchem ein Preßdruck hoher Geschwindigkeit erzielbar ist;

Figur 10 eine schematische Darstellung der Verwendung eines inneren Brenners;

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Figur 11 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei welcher ein Kondensator oder kühlmantel im Inneren der Schiffshülle angeordnet ist;

Figur 12 - eine schematische Darstellung eines Boilers

mit hoher spezifischer Wärme, an dessen rechter cieite eine Schubdüse angeordnet ist;

Figur 13 eine schematische Darstellung eines Boilers zur vergrößerten Dampferzeugung;

Figur 14 ein Druck-Volumen-Diagramm des Zyklus gemäß der Erfindung.

In Figur 1 ist eine typische Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik dargestellt, bei welcher Wärme in einem Boiler erzeugt wird und sich das Rohr aufwärts in den Boiler erstreckte Die Nachteile einer solchen Konstruktion und die durch sie'gegebenen Begrenzungen einschließlich der Unmöglichkeit einer Übertragung des Prinzips in einen größeren Maßstab sind weiter vorn bereits erläutert.

In Figur 2 ist eine Vorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt; man erkennt ein Rohr 16 mit einem geschlossenen Ende 18 und einem offenen Ende 21. In der Nähe des Bereiches des geschlossenen Endes 18, welches auch als Boiler 20 bezeichnet werden kann, wird Wärme zugeführt. Die Wärme verwandelt das Wasser in dem Rohr 16 in Dampf und schiebt die G-renzflache 22 nach rechts. Sobald sich der Dampf kondensiert, weil er sich unter der Oberfläche des Wassers 24 befindet, zieht er sich zusammen und verschiebt sich nach links, so daß weiteres Wasser in dem Boiler erwärmt werden kann.

In Figur 3 ist die Vorrichtung gemäß Figur 2 in Anwendung auf eine Schiffshülle 26 und beim Betrieb im Wasser 24 dargestellt. Auch hier weist das Rohr ein geschlossenes Ende 18 auf, an

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welches in dem Boilerbereich 20 v/ärme zugeführt wird; das Rohr weist weiterhin - wie bei Figur 1 - ein offenes Ende 21 für den Austritt der Schubkraft auf.

In Figur 4 sind die Probleme dargestellt, die sich an dem offenen Ende 21 des Rohres 16 während des Einfließens und des Ausfließens ergeben. Während des Einfließens ergibt sich ein getrennter Einflußbereich in der dargestellten Weise, es sei denn, die Düse weist eine solche Gestalt auf, daß dieses Problem vermieden wird_o

Erfindungsgemäß sind verschiedene Mittel vorgesehen, um eingeschlossene Luft oder andere Gase aus dem geschlossenen Ende des Rohres zu entfernen. Ein mögliches Mittel ist in Figur 5 dargestellt.

Das Problem ergibt sich, wenn Luft oder ein anderes Gas in dem oder in der Iahe des Boilerbereiches der Wärmekraftmaschine eingeschlossen wird. Dies kann darauf zurückzuführen sein, daß das Austrittsende des Rohres kurzzeitig aus dem wasser herauskommt j auf eine Leckstelle in der Verbindung zwischen dem Rohr und dem Boiler oder an anderer Stelle in dem System oder weil Gas aus der Wassergrenzfläche heraussiedet. Bei einigen Ausführungsformen der Maschine sammelt sich die Luft bzw. das Gas, die bzw. das an Leckstellen eintritt oder aus der Grenzfläche stammt, in der Iahe des Boilerendes und verhindert so eine vollständige Durchdringung des Boilers durch die eintretende Grenzschicht. Hat sich genügend Gas angesammelt, so kommt es schließlich zu einem vollständigen Stillstand der Wirkungsweise der Einheit, weil das Eindringen der Grenzfläche in den Boiler so klein geworden ist, daß nur eine unzureichende Dampfmenge erzeugt wird_s die die Arbeitsverluste, die sich beim Ausstoßen des Abwassers ergeben, nicht überwinden kann« Eine Lösung dieses Problems besteht darin, die Einheit so auszurichten, daß sich der Boiler in der Iahe der untersten Ebene

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"befindet und der Hauptteil des Rohres sich zum Austrittsende hin nach oben erstreckt. In der direkten Nähe des Austrittsendes kann das Rohr dann wieder nach unten geneigt sein. Infolge der Schwerkraft müssen sich die Gasblasen ihren Weg nach oben zum Austrittsende hin "erarbeiten" und können dort in das umgebende Wasser austreten.

Eine weitere Lösung des Problems besteht in der Verwendung eines Druckentepannungsventils an dem Boiler, welches feder_ beaufschlagt ist, so daß das Ventil unterhalb eines bestimmten Druckes geschlossen bleibt, Dampf und luft aber austreten können, wenn dieser Druck überschritten wird_o Das Ausmaß des Austritts von Dampf und Luft wird durch die Kraft des sich öffnenden Ventiles bestimmt.

Ein weiterer Weg zur Entfernung des eingeschlossenen Gases ist in Figur 5 dargestellt. Dieser Weg besteht in der Anordnung eines Röhrchens 28 mit sehr kleinem Durchmesser vom oberen Ende des Boilers bis in das umgebende Y/asser. Dieses Röhrchen kann an der Außenseite oder auch im Inneren des Hauptrohres - wie dargestellt - verlaufen. Gas am oberen Ende des Boilers fließt in das Röhrchen, wenn der Druck über dem Umgebungsdruck liegt und aus dem Röhrchen, wenn der Druck unter dem Umgebungsdruck liegt. Da die Strömung in einem Rohr mit geringem Durchmesser laminar ist und weil die Wasser-Luft-Grenzfläche durch Oberflächenspannung stabilisiert wird, ergibt sich eine Gasströmung aus dem Boiler heraus und in das umgebende Wasser, so lange die Einheit eine Schubkraft erzeugt, d.h. so lange, als das Integral des Überdruckes mit Bezug auf die Zeit positiv ist.

Mit Hilfe der Erfindung kann auch Abdampf für hilfsweise Energiezwecke erzeugt werden. In einem solchen Jail sieht man ein Einweg-Ventil vor, welches sich oberhalb eines bestimmten Innendruckes öffnet, so daß Dampf (oder ein beliebiges

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anderes Gas) unter Druck .entweichen kann sowie Mittel zur Energiesniinahme (nicht dargestellt). Dampf oder Gas können in einer üblichen Kolben-Zylinder-Anordnung entspannt werden, so daß man direkt lineare Energie oder Wellenenergie an einem Flügelrad gewinnt. Sie kann durch eine Düse abgegeben werden und zum Antrieb eines Pelton-Rades oder einer anderen Turbine dienen. Die auf diese Weise gewonnene mechanische Energie kann auch zum Antrieb eines elektrischen Generators zum Wiederaufladen von Batterien oder für andere "Zwecke benutzt werden.

Das Austrittsende 21 des Rohres 16 kann glockenförmig gestaltet sein, wie dies bei 30 in Figur 6 dargestellt ist; es können weiterhin Löcher 32 in den Seiten vorgesehen sein, um so Verluste während des Einflußtaktes zu verringern« Ist das Austrittsende nicht glocken-förmig gestaltet, so kommt es bei dem Einströmen, welches in Figur 4 dargestelrt ist, zu einer Trennung gerade innerhalb des Rohres, was zu einem Energieverlust und zu einer Verminderung der Geschwindigkeit führt, mit welcher die Grenzschicht sich dem Boiler nähert, wodurch eine geringere Eindringung erzielt wird. Bei einigen anderen Ausführungsformen der Maschine kann dieser Verlust auf den Gesamtzyklus einen günstigen Effekt haben, der so weit gehen kann, daß der Schub durch die Düse 33, vergleiche Figur 12, erhöht (mehr als verdoppelt) wird.

Zur Lenkung und Umkehrung dienen mechanisch oder elektrisch betriebene Hügel 34, 36, die in Figur 7 dargestellt sind und eine Ableitung des Abdampfes erlauben. Diese Flügel sind weit genug - in Richtung stromabwärts - von der Düse angeordnet, so daß sie nicht den Einströmvorgang beeinträchtigen können. Eine Entfernung, die dem einfachen Durchmesser entspricht, ist im allgemeinen ausreichend. Figur 7 stellt eine Draufsicht dar, wobei die ausgezogen gezeichneten Flügel sich in einer Stellung befinden, in welcher der austretende Strom so abgeleitet wird, daß sich das Boot nach links wendet» Treffen sich beide Flügel

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achtern hinter der Austrittsstelle, so wird ein Rückwärtsschub erzielt. Am Markt sind viele S teue rungs systeme dieser Art, die in Verbindung mit üblichen Wasserstrahl-Sehiffsantriebsvorriehtungen (im allgemeinen mit Benzin- oder Dieselmotoren als Energiequelle) verwendbar sind, erhältlich.

In Figur 8 ist ein Schubmodulationsventil 38 dargestellt, welches gegebenenfalls verwendet werden kann. Das Ventil ist in geschlossenem Zustand dargestellt; unter Dampfdruck ist es offen. Angenommen, die Einheit ist betriebsbereit, so ist das Wasser über dem Tentil eingeschlossen, bis der Dampfdruck über einen bestimmten vorgegebenen Wert ansteigt. Dieser vorgegebene Wert kann beispielsweise durch eine Feder festgesetzt sein, bobald der Druck diesen Wert übersteigt, öffnet der Kolben 40 das Ventil und die Einheit "entlädt" sich. In der Praxis lädt sie sich im allgemeinen selbst wieder auf, bevor die Feder Zeit hat, das Yentil wieder zu verschließen; in manchen Fällen jedoch, wenn Trägheit und Reibung des Ventiles sehr gering sind, ist es notwendig, eine Dämpfungs- oder Verzögerungsvorrichtung an dem Ventil anzubringen. Der Vorteil eines solchen Ventiles liegt darin, daß die Einheit auch dann noch in Betrieb bleibt, wenn die Wärmezufuhr zum Boiler für den üblichen (ventillosen) Betrieb bereits zu gering ist oder wenn der Boiler zu leicht ist, um die für einen Zyklus erforderliche Wärmemenge zu "speichern".

Das Wasserstrahl-Triebwerk gemäld der Erfindung kann eine nach vorn gerichtete Ansaugöffnung aufweisen=, In Figur 9 ist eine Einheit dargestellt, in welcher das wasser durch die Öffnung angesaugt wird und achteraus austritt, so daß die Wasserschubkraft In der Ansaugphase voll genutzt werden kann.

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Bin Zweiwegventil 44 (selbsttätig) kann als Schuberholungsventil verwendet werden. Es ist auch möglich, ein System mit einem Dreiwegventil zu verwenden, welches von einem äußeren Motor über Signale von einem Computer gesteuert wird, der die optimale "Ventilstellung bestimmt. Der Computer ist mit einem oder mehreren Druck- oder Temperaturfühlern in der Einheit verbunden, so daß die Lage der Grenzschicht bekannt ist_o Ein solches Yentil ergibt die Charakteristika, die in den Figuren 8 und 9 dargestellt sind. Eine besonders einfache Version des in Figur 9 dargestellten Systems erhält man, wenn das Klapp- bzw. Flügelventil 44 weggelassen wird und zwei getrennte Einwegventile, und zwar jeweils eins in jeder Leitung, eingebaut werden. Das Einlaßventil erlaubt nur den Zufluß; das Auslaßventil erlaubt nur das Ausfließen.

In Figur 10 ist eine Ausführungsform der Erfindung mit interner Heizvorrichtung dargestellt, d.h. ein Strahl-Triebwerk, in welchem die Wärme von einer Flamme in dem Boiler zugeführt wird. Wegen seiner Lage muß dem Brenner 46 sowohl Luft als auch Treibstoff zugeführt werden. Dies kann erreicht werden, in-dem man Luft und Treibstoff durch die Rohre 48 bzw. 50 unter Druck zuführt oder indem man Luft und Treibstoff durch den niedrigen Druck, welcher während eines Teiles des Zyklus in der Einheit herrscht, durch die Einwegventile ansaugen läßt. Die unlöslichen Gase, die bei der Verbrennung entstehen, werden nach außen abgeführt, wobei zum Abführen eine der weiter vorn beschriebenen Methoden angewandt wird; bei bestimmten Ausführungsformen der Vorrichtung treten die Gase auf natürliche Weise durch die Austrittsdüse aus.

Wenn Treibstoff und Luft unter Druck zugeführt werden, läßt sich eine Verbesserung der Wirkungsweise dadurch erreichen, daß man sie pulsierend zuführt, so daß wenig oder gar keine Wärme zugeführt wird, wenn die Grenzschicht von dem Boiler entfernt ist, wogegen die Flamme ihre maximale Wärmewirkung erreicht, wenn sich die Grenzschicht in dem Boiler befindet.

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Damit sehr schnelle "Starts" erreicht werden können, kann es vorteilhaft sein, in den ersten wenigen Sekunden des Betriebes des Strahl-Triebwerkes anstelle von Luft Sauerstoff zu verwenden, so daß sehr schnell Dampf gebildet wird. Der Ersatz von Luft durch Sauerstoff kann auch eine Zusatzmaßnahme darstellen, wenn es erforderlich ist, die Schubkraft der Einheit zeitweilig, d.h. vorübergehend zu erhöhen. Bei dieser -lusführungsform werden Wärmespeicherrippen 52 benutzte

Ein Kondensator oder Kühlmantel, der in Figur 11 dargestellt ist, kann dazu dienen, die Kondensierung zu fördern,, Die Kaltwasserzufuhr 54 zu dem Wassermantel 53 kann von einer Pumpe hergeleitet werden; die Kühlwasserversorgung kann auch durch die Bewegung des Bootes durch das Wasser erreicht werden» Durch Verschieben eines solchen Wasserkühlmantels in Richtung auf den Boiler erzielt man im allgemeinen eine Erhöhung der Betriebsfrequenz, wobei sich jedoch der Schub der Einheit vermindert; man hat auf diese Weise also eine Methode zur Schubregulierung in der Hand.

Wenn sich ein Teil des Kondensationsbereiches des Rohres in dem umgebenden Wasser befindet, kann man mehrere federbeaufschlagte Einweg-Einlaßventile verwenden, was die Zuführung kleiner Mengen kalten Wassers von außen in die Einheit durch die Seiten des Rohres erlaubt, wenn der Druck unter dem Umgebungsdruck liegt, wodurch das Ausmaß der Kondensation erhöht wird.

Bei allen äußeren Heizvorgängen und bei inneren Heizvorgängen, wenn die Flamme nicht "pulsiert" wird, muß die Hauptmenge der ',lärme für einen Zyklus in der'Boilerwand gespeichert und während einer sehr kurzen Periode, in der die Grenzschicht in dem Boiler ist, abgegeben werden. Metalle mit hohen spezifischen Wärmewerten (C- ) sind infolgedessen erforderliche Beispiele sind Zinn (C = 0,55) und Lithium (C = 0,79), wobei diese Metalle

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mit Kupfer zu vergleichen sind, welches einen O -Wert von nur 0,1 aufweist. Wegen der niedrigen Schmelzpunkte der genannten Metalle erfordert deren Verwendung in einem Boiler jedoch einen Kühlmantel. Eine idealisierte Vorrichtung ist in Figur 12 dargestellt, in welcher ein Metall 56 mit hoher spezifischer Y/ärme durch ein Metall 58 mit hoher Leitfähigkeit bedeckt ist.

Wie auch in allen anderen Ausführungsformen kann der Boiler auch hier Rippen aufv/eisen (in Figur 12 nicht dargestellt), um so eine bessere Wärmeleitung von dem heißen Boilermaterial zu dem Wasser und dem Dampf zu erreichen.

Zur Dampferzeugung können Mittel zum Einschließen einer kleinen Wassermenge in dem Boiler, nachdem die Grenzschicht diesen verlassen hat, vorgesehen sein; es kann sich dabei um Nute (siehe Figur 13) handeln. Auf diese Weise wird Dampf auch noch erzeugt, nach dem die Grenzschicht den Boiler verlassen hat_o Die Größe der "Wasserfallen" wird so bemessen, daß alles eingeschlossene Wasser verdampft ist, bevor der erste Teil des Kondensationszyklus abgeschlossen ist und die Grenzschicht in den Boiler zurückkehrt. In bestimmten Ausführungsformen können solche Wasserfallen den Schub der Einheit bei einer gegebenen .Wärmezufuhr erhöhen.

In Figur 14 ist ein idealisiertes Druck-Volumen-Diagramm für den Zyklus der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Wenn der Dampf kondensiert, führt die Trägheit des gegen die Heizzone zurückfließenden Wassers dieses in die Heizzone, wo es verdampft, so daß sich sehr rasch der Druck aufbaut, der auf der linken Seite der Figur 14 dargestellt ist. Der hohe Dampfdruck hemmt die Bewegung des Wassers und treibt es rasch zurück in die andere Richtung, was als Expansionsphase anzusehen ist» Die Expansion liegt et?/as über dem adiabatischen Wert, weil dem Dampf durch den Boiler noch Wärme zugeführt wird. Sobald die Wassergrenzschicht den Kondensationsbereich

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erreicht, beginnt der Dampf zu kondensieren, wodurch der Druck fällt. Trotz des raschen Druckabfalles trägt das Moment des Wassers dieses in den Konäensatxonsbereich, so daß praktisch der gesamte Dampf kondensiert, was zu einem sehr niedrigen Druck führt.

Der Startvorgang bei einem Wasserstrahl-Triebwerk (welches nicht - wie einige - selbststartend ist) verläuft wie folgt: wenn.sich der Boiler in dem höchsten Teil des Systems befindet, kann das Starten der Einheit einige Schwierigkeiten bereiten. Der Boiler erwärmt sich, Dampf wird erzeugt und die Grenzschicht bewegt sich von dem Boiler weg, bis eine Gleichgewichts stellung erreicht ist, in welcher die Wärme durch die Wärmeabgabe ausgeglichen wird. Tritt dieser Fall ein, so ist es notwendig, die Grenzschicht in irgendeiner Weise zu zerstören, damit die Einheit zu oszillieren bzw. zu pulsieren beginnt. Ein kleiner Kolben, der in das Ausstoßrohr gestoßen und rasch herausgezogen wird, ermöglicht dies; man kann auch andere Hilfsmittel verwenden, wie dies für den lachmann ohne weiteres ersichtlich ist. So kann man beispielsweise auch eine kleine Menge kalten YiTassers in der Nähe des Boilers zuführen, die Außenseite des Rohres mit kaltem Wasser kühlen, eine pyrotechnische Ladung verwenden usw_o.

Im Vorstehenden sind die Anforderungen im einzelnen beschrieben worden, die für den Boiler gelten; es ist nun noch notwendig zu definieren, welches das beste Material für das Rohr selbst ist. Im allgemeinen sollte für den Teil des Rohres, welcher entweder mit Dampf oder Wasser in Berührung kommt - in Abhängigkeit von der lage der Grenzschicht - das heißt für den Teil, der sich direkt vom Boiler über wenigstens die Hälfte des Rohres erstreckt, ein Material verwendet werden, welches

1) eine schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweist, so daß die Wärme nicht von dem Boiler weggeführt

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und nutzlos an das Wasser hinter der Grenzschicht abgegeben wird, und

2) eine schlechte Wärmeabsorption aufweist, so daß es die Wärme aus dem Dampf nicht - zu rasch ableitet.

Eine Möglichkeit zur Vermeidung von Boiler-Wärmeverlusten über die Länge des Rohres besteht darin, in der Iahe des Boilers einen isolierten Abschnitt vorzusehen, der in wirksamer Weise ein Abströmen von Wärme verhindert. Sine einfachere Lösung, die jedoch auch weniger wirksam ist, besteht in der Verwendung eines dünnwandigen Rohres aus rostfreiem Stahl, da ein solches Rohr ein verhältnismäßig schlechter Wärmeleiter ist. Eine v/eitere Lösung könnte darin bestehen, die Innenseite des Rohres mit einem Keramikmaterial zu überziehen, welches die gewünschten niedrigen Absorptions- und Leitfähigkeitseigenschaften aufweist.

Sobald die Grenzschicht in den Boiler eintritt und festgehalten wird, kann sich ein sehr hoher Spitzendruck enty/ickeln; bei einigen Ausführungsformen kann dieser Druck so hoch sein, daß eine Zerstörung des Boilers oder der Verbindung zwischen dem Boiler und dem Rohr eintreten kann. Die Spitzendrucke sind prinzipiell mit der Grenzschicht, die das obere Ende des Boilers trifft, assoziiert. Man kann hierfür eine Abhilfe schaffen, indem man

1) die Länge des Boilers erhöht, so daß genügend Dampf die Grenzschicht zum Stillstand bringt, bevor diese das Ende des Boilers erreicht,

2) eine Gasmenge in den Boiler einbringt, die dort festgehalten wird,

3) entweder den Boiler oder die gesamte Sinlieit bezüglich der Vorrichtung, an welcher sie befestigt ist, elastisch montierte

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Ein Beispiel für die letztgenannte Möglichkeit ist die Verwendung eines kurzen Stückes eines Gummischlauches zynischen der Austrittsöffnung und dem Hauptteil des Strahltriebwerkrohres. Jedesmal, wenn auf die Einheit der Spitzenwert des Druckstoßes trifft, dehnt sich der Schlauch aus, so daß sich die gesamte Einheit vorwärts "bewegt und der Schock abgedämpft wirdo

Die Wasserstrahltriebwerke, die bisher gebaut worden sind, hatten der Einfachheithalber runde Rohre und Boiler₀ Grundsätzlich kann das Rohr jede beliebige Gestalt und jeden beliebigen Querschnitt haben; jedoch werden bei dem Boiler und in der Nähe des Boilers Rohre mit kreisförmigem Querschnitt bevorzugt, weil sich sehr hohe Drucke entwickeln«, Das Rohr kann auch gewunden sein, wenn hierdurch eine kompaktere Installation erreicht τ/erden soll oder in beliebiger V/eise gebogen sein, solange hierbei beachtet wird, daß scharfe Krümmungen einen Verlust im Wirkungsgrad nach sich ziehen. In einigen Fällen kann die gyroskopische Bewegung, die mit der Wasserströmung in gewundenen Rohren verbunden ist, eine stabilisierende Wirkung auf das Boot im Seegang haben. Die Querschnitte des Rohres und des Boilers können sich außerdem über die Länge derselben verändern.

Ist die Austrittsöffnung 21 offen (beispielsweise bei einer Bewegung des Bootes im Wasser bei Wellengang), so wird im allgemeinen etwas Wasser aus der Einheit austreten oder luft eingesaugt werden, je nach dem zu welchem Zeitpunkt des Zyklus dieses Ereignis eintritt. Drei Möglichkeiten zur Erleichterung dieses Problems sind folgende:

1) Ein Fühler für die Wasserhöhe, welcher, wenn

sich die Einheit in einer bestimmten kritischen Distanz von der Oberfläche befindet, einen elektrischen Motor anläßt, so daß von der Seite Wasser in das Strahltriebwerk gesaugt wird, so daß sich ein konstanter Ausfluß ergibt und kein

Raum vorhanden ist, durch den Lust eintreten könnteο

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2) Ein Auslaßventil, welches mit einem Auftriebslement verbunden ist, welches normalerweise das Ventil offen hält, es jedoch verschließt, wenn die Wasseroberfläche sich der Strahltriebwerksaustrittsöffnung nähert.

3) Ein Ventil in der Einheit, und zwar in der Hahe der Austrittsöffnung, welches die Einheit vollständig nach Empfang eines Signales von einem Fühler, der die örtliche Wasserhöhe mißt, abschließt, sowie ein zweites Yentil, welches (bei Druck) den Boilerdampf abläßt, bis die Austrittsdüse wieder im Wasser ist. Die logische Schaltung, die mit dem Wasserhöhenfühler verbunden ist, kann auch den Heizölzufluß zu dem Brenner während dieser Abschaltperiode verringern.

Ein synthetisches Schwerkraftventil kann in der Nähe der Autrittsstelle aus einem Einrohr-Strahltriebwerk oder in der Fähe der geteilten Eintritts-Austrittsstelle - wie in Figur 9 dargestellt - einer solchen Einheit verwendet werden, welches die Bewegung des Wassers in einer der beiden Richtungen verzögert, bis ein bestimmter vorgegebener Druckabfall erreicht worden ist. In Abwandlung dieses Gedankens ist es möglich, ein Yentil zu benutzen, welches nur den Ansaugtakt zurückhält, bis der Dampf in der Einheit sich auf einen sehr niedrigen Druck kondensiert hat, so daß, wenn sich das Yentil öffnet, das Wasser sich mit der größtmöglichen Geschwindigkeit dem Boiler nähert und so die maximal mögliche Eindringtiefe erreicht wird. Ein solches Ventil kann auch das Problem der Luftdurchlässigkeit in rauhem Wasser lösen helfen, wie dies weiter vorn beschrieben worden ist.

An dem Boiler kann über seine Länge ein Yentil angeordnet

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sein, so daß nur ein !Beil des Boilers für das ¥asser erreichbar ist, wenn das Triebwerk mit niedrigem Schub oder bei geringer Yorwärtsgeschwindigkeit fährt. Wenn sich die Maschine mit hoher Geschwindigkeit bewegt, so liefert die Schubkraft (vergl. beispielsweise Pig. 9) einen höheren Antrieb (impetus) für die eintretende Flüssigkeit, worauf das Yerfcil geöffnet werden kann, so daß die gesamt länge des Boilers zur Dampferzeugung zur Yerfügung steht.

Es ist möglich, mehrere Yentile der genannten Art zu verwenden, so daß jeweils bei der optimalen Boilerlänge bei verschiedenen Geschwindigkeiten durch das Wasser gefahren werden kann.

Es ist weiterhin vorteilhaft, in dem Boiler einen Bimetallstreifen zu verwenden, der mit eiaem Brennstoff-Eontrollventil in der Weise verbunden ist, daß eine konstante Boilertemperatur aufrecht erhalten werden kann. Die Ausnutzung eines Ausdehnungsgefälles (Expansionsdifferential) zwischen dem Boiler und der Brennerabdeckung oder einem anderen !eil des Brenners kann ebenfalls zur Erzielung desselben Ergebnisses dienen.

Die Yerwendung einer abMtenden Ummantelung um die Abgasöffnung ist vorteilhaft, um den Schub bei geringer Geschwindigkeit zu erhöhen.

Anstelle der vorstehend beschriebenen Brenner können auch verschiedene andere Mittel zum Aufheizen verwendet werden. So ist es beispielsweise möglich, eine Linse zu benutzen und damit die Sonnenstrahlen zu bündeln und auf den Boiler zu lenken und so ganz oder teilweise die notwendige Wärme für den Betrieb des intermittierenden Strahltriebwerkes zu erzeugen.

Anstelle der bisher schriebenen und erläuterten Boiler kann auch ein Wärmeaustauscher verwendet werden, in welchem das Kühlmittel eines Atomreaktors seine Wärme jedesmal an das Wasser abgibt, wenn das Wasser in den Wärmeaustauscher eintritt.

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Ein solches System wäre insbesondere vorteilhaft in Atomunterseebooten.

Einige Isotope können Temperaturen im Bereich von 149 bis 316 (500 bis 600⁰P) über einen Zeitraum von mehr als einem Monat aufrechterhalten und so die notwendige Energie für ein Strahltriebwerk liefern. Die Isotope können im Inneren des Boilers angeordnet werden oder die Boilerwand selbst kann mit dem Isotop beschichtet oder aus dem Isotop hergestellt werden.

Im vorstehenden ist im einzelnen die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Schiffsantrieb erläutert worden. Es ist jedoch auch möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das in dieser Vorrichtung angewandte Prinzip an anderen Stellen einzusetzen und zwar sowohl um Strömungsenergie als auch um mechanische Energie aus Wärme zu gewinnen. Die Vorrichtung kann also sowohl als Pumpe als auch als Motor wirken. Wird Wasser oder eine andere geeignete Flüssigkeit mittels eines Kolbens in ein Strahltriebwerk mit entsprechend angeordnetem Wasserkühlmantel für den Kondensationsbereich eingeschlossen, so bringt dieses den Kolben zur Hin- und Herbewegung und zur Arbeitsleistung. Dieselbe Anordnung kann auch dazu dienen, um eine Ramme herzustellen. An einer geteilten Ansaug-Ausstoß-Einheit, wie sie in Figur 9 dargestellt ist, kann man ein Flüssigkeitsreservoir mit der Ansaugöffnung verbinden und das intermittierend arbeitende Wasserstrahltriebwerk dazu verwenden, die Flüssigkeit durch die Ausstoßöffnung zu pumpen. Eine Vorrichtung dieser Art könnte beispielsweise mit Vorteil zur Erzeugung eines Wasserstrahles zur Feuerbekämpfung benutzt werden. Kleinere Einheiten der genannten Art, die mit Wasserreservoiren ausgestattet sind, können als Wasserpistolen verwendet werden. Die Düsengeschwindigkeit kann dabei in mehreren Stufen erhöht werden, derart, daß ein Strahlelement seine Flüssigkeit in ein zweites Element abgibt und dieses in ein drittes, wobei in jedem Zyklus kinetische Energie addiert wird, bis die Flüssigkeit schließlich ausgestoßen wird. Ein Strahl-

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triebwerk mit getrennten. Eintritt-Austritt kann als Pumpe wirken und sowohl heizen als auch Wasser um ein Heißwasserheizsystem pumpen. Beim Betrieb der Wassersäule gegen Luftfedern oder eine andere Feder kann das Wasserstrahltriebwerk auch als Dampfgenerator verwendet werden.

Bei der vorstehenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung wurde auf Wasser als Arbeitsflüssigkeit verwiesen. Es ist jedoch auch möglich, beliebige andere Flüssigkeiten als Arbeitsflüssigkeiten zu verwenden, die sich bei Zufuhr von Wärme aus dem flüssigen Zustand in den dampfförmigen Zustand überführen lassen. Weiterhin ist es möglich, ein eingeschlossenes Gas als Arbeitsflüssigkeit zu benutzen, wobei es dann nicht notwendig ist, die Flüssigkeit zu verdampfen.

Im Vorstehenden ist eine einzelne Wärmekraftmaschine beschrieben worden. Es ist erfindungsgemäß auch möglich, mehrere solcher Maschinen zu kombinieren und deren Ausstoß bzw. deren Leistung zu synchronisieren.

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Claims

Patentansprüche

1) j Yifärmekraftmas chine, gekennzeichnet durch ein rohrförmiges

Teil, welches an einem Ende offen und am anderen Ende geschlossen ist, einer Quelle für eine Arbeitsflüssigkeit im Innern des Rohres, Mitteln zum Erhitzen des Rohres in der Iahe des geschlossenen Endes desselben sowie Mitteln zum Kühlen des Rohres in der Iahe des offenen Endes desselben, so daß die Arbeitsflüssigkeit in dem Rohr oszilliert bzw. pulsiert in dem Maße wie sie abwechselnd beim Aufheizen verdampft und beim Abkühlen kondensiert.

2) Wärmekraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe auf der Basis des Druck-Yolumen-Zyklus gemäß Figur 14 arbeitet.

3) Wärmekraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsflüssigkeit aus Tiasser besteht_o

4) Wärmekraftmaschine gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände des rohrförmigen Teiles bzw. des Rohres genügend Energie für einen Zyklus speichern können.

5) Wärmekraftmaschine gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmig« Teil einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.

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6) Wärmekraftmaschine gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände des rohrförmigen Teiles in der Nähe des geschlossenen Endes aus einem Material bestehen, welches eine hohe Leitfähigkeit und eine hohe spezifische Wärme oder ein erhebliches Gewicht besitzt.

7) Wärmekraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die den Austritt von Luft ermöglichen, die in dem geschlossenen Ende des rohrförmigen Teiles eingeschlossen ist.

8) Wärmekraftmaschine gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mittel, welches den Austritt der eingeschlossenen Luft erlaubt, aus einem Röhrchen mit geringem Durchmesser besteht, welches sich in dem rohrförmigen Teil von dem geschlossenen Ende zum offenen Ende desselben erstreckt.

9) Wärmekraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das offene Ende des rohrförmigen Teiles eine glockenförmige Gestalt aufweist.

10) Wärmekraftmaschine gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in dem glockenförmig gestalteten offenen Ende Löcher vorgesehen sind.

11) Wärmekraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Steuer- und Umkehrflügel, die selektiv einstellbar sind, in der Bähe des offenen Endes des rohrförmigen Teiles vorgesehen sind.

12) Wärmekraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ventil in dem rohrförmigen Teil in der Nähe der Enden vorgesehen ist, wobei geeignete Hilfsmittel zur Regulierung des Ventiles in Abhängigkeit von dem Dampfdruck

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am geschlossenen Ende des Rohres dienen.

13) Wärmekraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem rohrförmigen Teil eine Lorinantriebseintrittsöffnung sowie ein Ventil, welches die Lorinantriebseintrittsöffnung steuert, vorgesehen sind.

14) Y/ärmekraftmas chine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erhitzen des rohrförmigen Teiles aus einem in dem letzteren angeordneten Brenner bestehen.

15) Wärmekraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Kühlen des rohrförmigen Teiles aus einem Kühlmantel bestehen, welcher in Längsrichtung des Rohres bzw. rohrförmigen Teiles bewegbar ist.

16) Wärmekraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Teil um das geschlossene Ende ein Metall aufweist, welches eine hohe spezifische Wärme besitzt.

17) Wärmekraftmaschine gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß über dem Metall mit hoher spezifischer Wärme ein Deck- oder Mantelmaterial mit hoher V/ärmeleitfähigkeit angeordnet ist.

18) Wärmekraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe in einem Boot oder Schiff angeordnet ist, wobei Mittel vorgesehen sind, die einen unbeabsichtigten Lufteintritt in die Austrittsöffnung des Rohres verhindern.

19) Wärmekraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr elastisch montiert ist.

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20) Wärmekraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Mittel zur Erhöhung der Dampferzeugung in dem geschlossenen Ende des Rohres vorgesehen sind.

21) Wärmekraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Mittel zur wirksamen Veränderung der länge des "beheizten !Teiles des Rohres vorgesehen sind,

22) Wärmekraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Regulierung der Wärmezufuhr vorgesehen sind.

23) Wärmekraftmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das offene Ende des rohrförmigen !Beiles die Form einer Düse aufweist.

Für den Anmelder

Peter Rowland Payne Box ZB2, Route 5, Annapolis, Maryland, USA

Meissner & Bolte Patentanwälte

Bremen, den 3.Mai 1974

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