DE2943323C2 - - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung energiereicher Wasserstrahlen in Wasser­ strahlantrieben, bei denen dem Wasserstrahl solche Sub­ stanzen untergemischt werden, die mit dem Wasser eine Reaktion eingehen.

Es ist bekannt, Strahlantriebe mit Hilfe von solchen Wasser­ strahlen anzutreiben, denen Alkalimetalle oder Alkali­ metallhydride untergemischt sind. Diese Verbindungen rea­ gieren mit dem Wasser unter Bildung von Waserstoff; die dabei zusätzlich freiwerdende Energie läßt sich zum Be­ treiben von Strahlantrieben einsetzen.

Diese bekannte Verfahrensweise hat den Nachteil, daß die gleichmäßige Zudosierung dieser Substanzen auf folgende Schwierigkeiten stößt: Alkalimetalle liegen bei Raumtem­ peratur in fester und kompakter Form vor; sie lassen sich nicht in eine leicht rieselfähige, pulverige Form überführen, in der sie leicht dosierbar sind. Sie müssen deshalb in aufgeschmolzener Form eingesetzt werden; dies bedingt einen zusätzlichen apparativen Aufwand beim Einsatz dieser Metalle.

Auch Alkalimetallhydride liegen nur in grobpulveriger, fester Form vor, deren genaue Dosierung sehr schwierig ist. Zwar lassen sich diese Verbindungen auch in fein­ pulveriger, rieselfähiger Form herstellen; ein solches Produkt ist jedoch stark pyrophor und kann nur unter Ein­ haltung erhöhter Sicherheitsvorkehrungen eingesetzt wer­ den.

Es ist ferner aus der DE-PS 9 55 030 bekannt, bei Stau­ strahlenantrieben die Energie dadurch zu erhöhen, daß dem System Preßluft zugeführt wird. Diese Maßnahme bewirkt jedoch keine ausreichende Energie-Erhöhung gegenüber dem Zusatz von Metallen oder Metallhydriden, da keine chemi­ sche Reaktion mit Wärmeabgabe stattfindet.

Bei der in der US-PS 29 38 481 beschriebenen Verfah­ rensweise wird zwar auch ein mit Wasser reagierender Stoff hinzugefügt. Der Antrieb erfolgt jedoch pulsierend, so daß entsprechend aufwendige mechanische Ventilsteue­ rungen beim Einsatz dieser Stoffe installiert werden müssen. Nachteilig bei diesen Antrieben wirkt sich zudem noch der Umstand aus, daß diese Antriebe ungewünschte me­ chanische Schwingungen in dem anzutreibenden Gerät aus­ lösen.

Es bestand deshalb die Aufgabe, die Energie von Wasser­ strahlen, die in Wasserstrahltriebwerken eingesetzt wer­ den, auf einfache Art zu erhöhen. Zu diesem Zweck wurden Verbindungen gesucht, die mit Wasser exotherm reagieren, wobei diese Reaktion in Wasserstrahltriebwerken reprodu­ zierbar und vorausberechenbar durchgeführt werden sollte. Weiterhin sollte die gesuchten Verbindungen leicht do­ sierbar sein, damit genau festgelegte Mengen konti­ nuierlich dem Wasser zugeführt werden können.

In Erfüllung dieser Aufgabe wurde nun ein Verfahren zur Erhöhung der Energie von Wasserstrahlen in Wasserstrahl­ triebwerken gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man dem Wasserstrahl vor dessen Austritt aus der Aus­ laßöffnung solche Metallalkyle untermischt, die bei Raum­ temperatur in flüssiger Form vorliegen.

Es ist zwar bekannt, daß z. B. Aluminiumalkyle mit Wasser unter Bildung von Alkanen und Wasserstoff reagieren. Nach Literaturangaben läuft diese Reaktion jedoch spontan und unkontrollierbar ab, so daß es dabei oft zu Explosionen kommt. Es war daher nicht vorhersehbar, daß sich bestimmte Metallalkyle in Wasserstrahlantrieben zur kontrollier­ ten und reproduzierbaren Erhöhung der Energie des Wasser­ strahls einsetzen lassen.

Unter Metallalkylen sollen erfindungsgemäß solche Ver­ bindungen verstanden werden, bei denen mindestens eine Valenz des Metalls durch einen Alkylrest abgesättigt ist. Die Zahl der Kohlenstoffatome der Alkylreste spielt nur eine untergeordnete Rolle; wichtig ist jedoch, daß die eingesetzte Verbindung bei Raumtemperatur, d. h. bei 20°C, in fluider Form vorliegt. Der Ausdruck "fluid" soll hier bedeuten, daß diese Verbindung entweder bei dieser Tem­ peratur flüssig ist oder in einer solchen feinverteilten, rieselfähigen Form vorliegt, daß man sie wie eine Flüssig­ keit dosieren kann.

Weiterhin lassen sich nur solche Leichtmetallalkyle ein­ setzen, die mit Wasser reagieren. Demzufolge fallen unter die erfindungsgemäß einsetzbaren Leichtmetallalkyle die Alkyle des Aluminiums und dessen höhere Homologen der 3. Periode des Periodischen Systems der Elemente, die Dialkyle von Zink und Cadmium sowie Bleitetraalkyle. Die bevorzugten Metallalkyle sind diejenigen von Aluminium.

Wenn nicht alle Valenzen des Metalls durch Alkylreste abgesättigt sind, können die übrigen Metallvalenzen z. B. durch Halogen oder Wasserstoff oder einem Alkoxirest abgesättigt sein. Auch Mischungen von Metallalkylen oder gemischte Metallalkyle, wie z. B. die Alkylaluminiumses­ quihalogenide, sind einsetzbar. Die Alkylgruppen sind be­ vorzugt unsubstituiert und haben eine bevorzugte Ketten­ länge zwischen 1 und 8 C-Atomen.

Als Beispiele für einsetzbare Verbindungen seien genannt:

Triäthylenaluminium, Tri-n-butylaluminium, Tri-n-hexylalu­ minium, Tri-n-decylaluminium, Diäthylaluminiumhydrid, Di-i-butylaluminiumhydrid, Dimethylaluminiumchlorid, Di­ äthylaluminiumjodid, Di-t-butylaluminiumchlorid, Diäthyl­ aluminiumäthoxid, Äthylaluminiumdichlorid, i-Butylalumi­ niumdichlorid, Äthylaluminiumsequichlorid, Dimetylzink, Diäthylzink, Dipropylzink, Dioctylzink, Diäthylcadmium, Bis[2-methylpropyl]cadmium, Triäthylthallium, Blei­ tetraäthyl.

Die Metallalkyle werden im allgemeinen dem Wasserstrahl, der in Richtung Auslaßöffnung des Triebwerks strömt, vor dem Erreichen der Auslaßöffnung in an sich bekannter Weise zudosiert. Während des Vermischens mit dem Wasser reagie­ ren sie mit diesem, wobei sich im allgemeinen die korres­ pondierenden Alkane sowie Wasserstoff unter Freiwerden von Energie bilden. Die freiwerdenden Verbindungen strömen zusammen mit dem Wasserstrahl aus der Auslaßöffnung aus.

Die Auslaßöffnung kann, wie z. B. bei Wasserstrahlantrieben, in an sich bekannter Weise aus einer als Düse ausgebildeten Verengung bestehen, die sich anschließend konisch erweitert. Die Auslaßöffnung kann jedoch auch mit einer Turbine oder mit einem an sich bekannten Flüssigkeitsantrieb verbunden sein, bei dem eine Treibstoffkomponente Wasser ist.

Der Energiegewinn, der sich aus der erfindungsgemäßen Verfahrensweise ergibt, ist beträchtlich. Er läßt sich z. B. in einer Reaktionskammer bestimmen, die mit einer Lavaldüse als Auslaßöffnung versehen ist. In einer solchen Versuchsanordnung wurden beispielsweise pro Sekunde 2,2 kg Wasser mit ca. 2,3 kg Triäthylaluminium gemischt. Das Gemisch strömte kontinuierlich aus der Düse aus; die dabei auftretende Rückstoßkraft betrug 3000 N. Wenn die Zufuhr von Triäthylaluminium unterbrochen wurde, fiel die Rück­ stoßkraft auf ca. 170 N ab. Somit betrug der Zuwachs an Rückstoßkraft durch Zugabe von Triäthylaluminium und dessen Reaktion mit Wasser etwa 2830 N.

Die Menge der einzusetzenden Metallalkyle im Verhältnis zum Wasser wird im allgemeinen so gewählt, daß pro einem Gewichtsteil Wasser zwischen 0,25 und 2 Gewichtsteilen Metallalkyle eingesetzt werden. Die bevorzugten Bereiche hängen von dem Molgewicht und der Zahl der Alkylliganden an dem Zentralmetallatom ab. Beim Einsatz von Aluminium­ trialkylen liegt der bevorzugte Bereich zwischen 0,4 und 0,6 Gew.-Teilen Metallalkyl pro Gewichtsteil Wasser. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, die Metallalkyle mit noch größeren Mengen an Wasser zu vermischen; in diesen Fällen ist der Energiegewinn jedoch nicht optimal; bei manchen Anwendungsmöglichkeiten ist jedoch ein solcher maximaler Energiegewinn nicht notwendig oder sogar nicht erwünscht.

Die erfindungsgemäße Verfahrensweise wird bevorzugt in Unterwasserstaustrahltriebwerken eingesetzt. Diese dienen zum Betreiben von Unterwasserfahrzeugen. Anhand der Zeichung wird ein solcher Einsatz näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt ein Unterwasserfahrzeug mit zylin­ drischem Rumpf 1 mit sich konisch verjüngendem Heck 2 und Stabilisierungsflächen 3, an denen Ruder 4 gelenkig be­ festigt sind. Der vordere Teil 5 ist hydrodynamisch günstig geformt und ist als Druckgasbehälter ausgebildet. Der Treibstofftank 6, der z. B. Triäthylaluminium enthält, wird auf der einen Seite durch einen Kolben 7 und auf der anderen Seite durch den Boden 8 begrenzt. Der Kolben 7 wird durch Dichtringe 9 und 10 gegenüber dem Rumpf 1 und einem Rohr 11 abgedichtet. Dieses Rohr 11 besitzt einen als Diffusor ausgebildeten Einlauf 12 und eine als Düse ausgebildete Verengung 13 mit sich anschließender koni­ scher Erweiterung 14. Einlauf 12, Rohr 11, Verengung 13 und Erweiterung 14 bilden zusammen ein Staustrahltriebwerk. Vom Boden 8 des Treibstofftanks 6 führen Rohrleitungen 15 zu Ventilen 16 und weiter in das Rohr 11.

In dem sich verjüngenden Teil 2 des Rumpfes 1 befinden sich die in bekannter Weise ausgeführten Elemente und Einrich­ tungen zur Stabilisierung und Lenkung des Wasserfahr­ zeuges sowie zur Betätigung der Ruder 4.

Nachdem das Unterwasserfahrzeug durch z. B. eine Start­ rakete auf die für den Betrieb des Staustrahltriebwerkes erforderliche Geschwindigkeit gebracht wurde, werden die Ventile 16 geöffnet. Dadurch wird über den unter Gasdruck stehenden Kolben 7 das Metallalkyl in das Rohr 11 ge­ fördert, wo es mit dem durch den Einlauf 12 einströmenden Wasser reagiert und unter anderem Gas bildet. Dieses sowie eventuell andere Reaktionsprodukte und Wasser bzw. Wasser­ dampf entweichen durch die Verengung 13 und die konische Erweiterung 14, wobei sie einen entsprechenden Schub erzeugen, der das Unterwassergerät antreibt. Anschließend steigt das Gas an die Wasseroberfläche.

Die erfindungsgemäße Arbeitsweise läßt sich auch dazu verwenden, unreine Metallalkyle oder Abfälle von Metall­ alkylen zu vernichten. Die Vernichtung von solchen Abfällen stieß bisher auf die Schwierigkeit, daß die bei der Reak­ tion der Alkyle mit Wasser entstehende Wärme nicht schnell genug abgeführt werden konnte, wodurch Explosionen mit den bei der Reaktion entstehenden Gasen möglich sind. Bei der erfindungsgemäßen Arbeitsweise sind die Gase, die nach ihrer Expansion aus dem Strahltriebwerk austreten, soweit abgekühlt, daß sie sich nicht mehr selbst entzünden.

Die Arbeitsweise eignet sich demzufolge auch zur kon­ trollierten Vernichtung von Abfällen, die Metallalkyle enthalten.

Claims (4)

1. Verfahren zur Erhöhung der Energie von Wasserstrahlen in Wasserstrahlantrieben durch Vermischen der Wasserstrahlen mit Substanzen, die mit Wasser reagieren, dadurch gekennzeichnet, daß man dem Wasserstrahl vor dessen Austritt aus der Auslaßöffnung solche Metall­ alkyle untermischt, die bei Raumtemperatur in flüssiger Form vorliegen.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man dem Wasserstrahl Aluminium- und/oder Zinkalkyle un­ termischt.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Metallalkyle dem strömenden Wasserstrahl im Gewichtsverhältnis 1 : 0,5 bis 2 zudosiert werden.

4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß es in Unterwasserstaustrahltriebwerken eingesetzt wird.