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Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer in elektrische
Energie unter Vermeidung der sonst in der Technik üblichen Zwischenumformung über
mechanische Einrichtungen.
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Es ist bekannt, zur Erzeugung elektrischer Energie einen Dampf hoher,
durch Erhitzen hervorgerufener Strömungsgeschwindigkeit in einen gekühlten Raum
einströmen zu lassen, wo er sich um Elektronen kondensieren kann. Es entstehen auf
diese Weise elektrisch geladene Nebeltröpfchen großer Geschwindigkeit, die dann
in einem elektrischen Feld abgebremst werden, auf diese Weise ihr Potential erhöhen,
und ihre elektrische Energie an einen als Auffangelektrode dienenden Leiter abgeben.
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Auf die letzte Art der Einrichtungen zur Umwandlung thermischer in
elektrische Energie bezieht sich die Erfindung.' Erfindungsgemäß wird die Geschwindigkeit
der vorzugsweise durch eine Glühkathode erzeugten, als Kondensationskerne dienenden
Elektronen in Richtung des Dampfstromes durch das mittels zweier entsprechend aufgeladener
Gitter erzeugte elektrische Feld der Strömungsgeschwindigkeit des Dampfes angeglichen.
Durch diese Einrichtung wird gegenüber den bekannten Anordnungen der Vorteil erzielt,
daß die Elektronen auch wirklich in ausreichendem Maße als Kondensationskerne dienen.
Bei nicht nahezu übereinstimmender Geschwindigkeit der Teilchen tritt diese Wirkung
nur in sehr unvollkommenem Maße ein.
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Die Erfindung nutzt die bekannte Tatsache aus, daß ein elektrisch
geladenes Teilchen unter der Einwirkung eines elektrischen Feldes seine Geschwindigkeit
vergrößert. Die für die kinetische Energie gültige Beziehung wird durch folgende
Formel dargestellt:
wobei m die Masse, e die Ladung und v die Geschwindigkeit des bewegten
Teilchens bedeutet, während V die in dem elektrischen Feld durchlaufene Spannung
darstellt.
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Als' bewegtes, elektrisch geladenes Teilchen sei ein Elektron angenommen.
Wird dem Elektron nun eine gewisse Geschwindigkeit mitgeteilt und es gezwungen,
sich entgegen der Kraft, welche ein elektrisches Feld auf das Elektron ausübt, zu
bewegen, dann nimmt seine Geschwindigkeit ab, und gleichzeitig vergrößert sich der
Potentialunterschied, den seine Ladung gegenüber der positiven Elektrode des Feldes
besitzt.
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Nimmt die Geschwindigkeit des Elektrons immer mehr ab bis zum Werte
Null, so bestimmt
sich der Wert des dann erhaltenen Potentials
V, auf welchem sich das Elektron befindet, durch die Gleichung
Auf diese Weise läßt sich also kinetische Energie in elektrische umformen. Da die
Masse des Elektrons sehr klein ist (ungefähr 1/zooo der Masse des Wasserstoffatoms),
ist eine ungeheuer große Geschwindigkeit nötig, um eine nennenswerte Erhöhung des
Potentials, zu bewirken. Beispielsweise wird ein Elektron mit einer Anfangsgeschwindigkeit
von 595 km/Sek. sein Potential um nur i Volt erhöhen, wenn es sich in Richtung gegen
ein elektrisches Feld bewegt und dabei seine ganze Geschwindigkeit verliert. Ein
ionisiertes Quecksilberatom dagegen benötigt unter denselben Umständen zur Erhöhung
seines Potentials um i Volt lediglich eine Anfangsgeschwindigkeit von ungefähr r
km/Sek.
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Da jedoch andererseits die zur Ionisierung der Atome oder der Moleküle
erforderliche Energie verhältnismäßig hoch ist (für Quecksilber beträgt die Ionisierungsspannung
ungefähr 10,4 Volt), muß auch hier die Geschwindigkeit die den Ionen zu Anfang mitgeteilt
wird, außerordentlich hoch sein, damit die Umwandlung von kinetischer in elektrische
Energie einen genügenden Wirkungsgrad besitzt. Solch hohe Geschwindigkeit läßt sich
schwerlich erreichen.
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Es erscheint daher nicht vorteilhaft, den Elektronen oder ionisierten
Molekülen eine hohe Geschwindigkeit zu erteilen. Dagegen läßt sich eine Energieumwandlung
für die Technik nutzbringend durchführen, wenn man die Masse der einzelnen Teilchen
vergrößert.
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Es ist bekannt, daß, wenn sich mit Wasserdampf gesättigte und beispielsweise
durch eine radioaktive Substanz ionisierte Luft in einem geschlossenen Gefäß plötzlich
entspannt, ein Nebel entsteht. Jedes der in der Luft vorhandenen Elektronen wird
dabei zum Kondensationskern für ein Nebeltröpfchen, dessen Masse beträchtlich viel
größer als die des Elektrons ist. Erfahrungsgemäß ist der Durchmesser der Kondensationströpfchen
bei Quecksilberdampf ungefähr 1/loooo mm. Das entspricht einer Masse von 7,=.1o-15
g.. Die Masse des Elektrons ist dagegen nur o,9 . 1o-2' g. Die Masse des Quecksilbertröpfchens
ist also ungefähr o,8 # ;o13ma1 größer.
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In Erkenntnis dieser Tatsachen wird nun einem Dampf von einem durch
Beheizen erzeugten Überdruck durch plötzliche Entspannung eine gewisse Geschwindigkeit
mitgeteilt. Durch die durch gleichzeitige Abküh-
lung bewirkte Kondensation
dieses Dampfes um Elektronen als Kondensationskerne werden elektrisch geladene Tröpfchen
erhalten. Ixrch. Abbremsen dieser Tröpfchen hoher @schwindiglceit in einem elektrischen
Feld ä T änn die elektrische Energie gewonnen wer-'#en, und zwar lassen sich bei
einer leicht erzielbaren Anfangsgeschwindigkeit des sich entspinnenden Dampfes von
mehreren hundert Metern "in der Sekunde ohne weiteres sehr hohe Spannungen erreichen.
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In der Zeichnung ist beispielsweise eine Anordnung zur Umwandlung
von thermischer Energie in elektrische gemäß der Erfindung dargestellt. i bedeutet
einen Dampfkessel, der durch Beheizung einen Dampf (beispielsweise Quecksilberdampf)
von gewünschtem Druck und gewünschter Temperatur liefert. Der Dampf wird durch das
Rohr .2 nach dem sich trichterförmig erweiternden Ansatzstück:3 geführt, welches
vakuumdicht an die Kammer 4, angeschlossen ist. Mit Hilfe der Pumpe s wird in der
Kammer 4 ein geeigneter Unterdruck aufrechterhalten. Ferner ist eine -Kühlvorrichtung
6 vorgesehen, durch die in Richtung der Pfeile 6-7 ein Kühlmittel hindurchfließt
und die Kammer 4 stets auf einer bestimmten niedrigen Temperatur hält. Das trichterförmige
Rohr 8 besitzt eine ringförmige Ausbuchtung 9, in welcher irgendeine elektronenemittierende
Substanz angeordnet ist. Vorzugsweise wird eine Art beheizte Oxydkathode vorgesehen.
Die Batterie io liefert in diesem Fall den Heizstrom. Es ist natürlich auch möglich,
zum Emittieren der Elektronen irgendeine andere Anordnung vorzusehen.
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Ein elektrisch leitendes Gitter i i ist an 'der Stelle, an der das
Rohr 3 in die Kammer 4 mündet, vorgesehen. Es ist von den Wänden der Kammer 4 und
des Rohres 3 isoliert und derart angeordnet, daß es praktisch dem Durchtritt des
Dampfes keinen Widerstand entgegensetzt. Es kann beispielsweise aus einem Drahtgitter
mit großen Maschen bestehen.
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Innerhalb der Kammer ist ein zweites sich quer durch die ganze Kammer
erstreckendes leitendes Gitter 12 in einem gewissen Abstand vom Gitter i i ebenfalls
isoliert angeordnet. Den Boden der Kammer 4 bildet eine metallische Wand 13. Diese
Platte 13 ist von den Gittern i i und 12 und der Vorrichtung 9 zum Emittieren der
Elektronen isoliert. Die' Isolation wird zweckmäßig dadurch erhalten, daß nur die
obere Wand 14 und die untere Wand 13 der Kammer aus Metall bestehen, während die
Seitenwand 15 aus irgendeinem isolierenden Material. (beispielsweise Glas oder Quarz)
angefertigt ist.
Durch die Pumpe 16 wird der in die Kondensationskammer
eingeströmte und kondensierte Dampf abgesaugt und durch das Rohr i; in den Trog
18 zurückgeführt, von wo er mittels Pumpe ig wieder dem Dampfkessel i zugeführt
werden kann.
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Das Gitter ii wird durch irgendeine beliebige Stromquelle 2o auf ein
in bezug auf die Elektronen aussendende Vorrichtung 9 positives Potential gebracht.
Zur Begrenzung des Gitterstromes ist der regelbare Widerstand 2i vorgesehen.
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An das Gitter 12 wird ein in bezug auf das erste Gitter i i positives
oder negatives - Potential gelegt, beispielsweise mittels der Batterie 22 und dem
Potentiometer 23 oder irgendeiner anderen ähnlichen Anordnung. Die metallische Platte
13 wird vorzugsweise von vornherein in bezug auf die Elektronen aussendende
Anordnung 9 negativ aufgeladen. Es kann dazu die Batterie 24. dienen. Auch Gleichrichter
oder Generatoren oder andere elektrische Stromquellen lassen sich verwenden. Die
durch die Anordnung erzeugte Energie läßt sich über die Leiter 25, 26 den Bedarfsstellen
zuführen.
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Die Anordnung arbeitet folgendermaßen: Der dem Dampfkessel i entnommene
Dampf (Wasserdampf, Quecksilberdampf o. ä.), der eine gewünschte Spannung und eine
gewünschte Temperatur besitzt, dehnt sich in der Düse 3 vorzugsweise adiabatisch
aus, wodurch der größte Teil seiner Wärmeenergie in kinetische Energie umgesetzt
wird. Der Dampf strömt dann durch das Gitter i i in die Kammer q. und erfährt hier
wegen der plötzlichen Raumvergrößerung eine nochmalige Entspannung. Er kühlt sich
dadurch wesentlich ab. Zur Unterstützung dieser Abkühlung dient außerdem die beispielsweise
von. Wasser durchströmte Kühlvorrichtung 6.
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Durch die Abkühlung ist der Dampf in den Zustand der Übersättigung
gekommen und kondensiert sich um die in dem Raum vorhandenen Elektronen.
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Diese Elektronen, die von der bei 9 beispielsweise vorgesehenen Glühkathode
emittiert worden sind, werden durch das Gitter i i angezogen. Das Gitter i i besitzt
ein in bezug auf die Elektronen aussendende Vorrichtung positives Potential. Die
Elektronen besitzen so viel kinetische Energie, daß im wesentlichen alle durch das
weitmaschige Gitter hindurchwandern und in den Raum zwischen den beiden Gittern
i i und 12 kommen, in welchem der Dampf seine höchste Sättigung besitzt. Hier findet
die Kondensation statt.
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Nach der Kondensation besitzt also jedes Teilchen die elektrische
Ladung eines Elektrons, die Masse des Tröpfchens und ferner die Geschwindigkeit
des einströmenden Dampfes.
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Damit sich möglichst aller Dampf um die Elektronen kondensiert, darf
deren Geschwindigkeit nicht zu verschieden von der des Dampfes sein. Zur Ausgleichung
der Elektronengeschwindigkeit an die Dampfgeschwindigkeit dient das Gitter 12, dessen
Aüfladung verändert werden kann (mittels des Potentiometers 23).
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Die Nebeltröpfchen wandern mit den ihre Kondensationskerne bildenden
Elektronen auf die Metallplatte 13 zu und durchströmen dabei wegen ihrerTrägheit
das zahlreiche Öffnungen besitzende Gitter 12. Liegt an der Platte 13 ein negatives
Potential, so bildet sich ein elektrisches Feld aus, daß der Bewegung der elektrisch
geladenen Tröpfchen entgegenwirkt. Als Potentialquelle für dieses zwischen dem Gitter
12 und der Platte 13
sich ausbildende Feld kann beispielsweise die Batterie
24. dienen. Wird die Platte 13 nicht gleich bei Inbetriebnahme der Anordnung
an ein Potential gelegt, so wird sich aber doch die Potentialdifferenz zwischen
12 und 13
(oder auch 3 und 13) allmählich von Null bis zu dem gewünschten
Wert vergrößern, da die auf die Platte 13 auftreffenden elektrisch geladenen
Nebeltröpfchen ihre Ladung dort abgeben.
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Die durch das Feld zwischen den Elektroden i2 und 13 hervorgerufene
Abbremsung der strömenden Nebelteilchen bewirkt, daß diese allmählich ihre Geschwindigkeit
verlieren und in entsprechendem Maße ihr Potential erhöhen. Ist beispielsweise die
Anfangsgeschwindigkeit der Nebeltröpfchen v und ihre Geschwindigkeit bei Erreichen
der Auffangelektrode 13v" so beträgt die Vergrößerung ihrer Potentialdifferenz gegenüber
dem Gitter 12 bei einer mitgeführten Ladung e _
Das Potential, auf welches die Platte 13 aufgeladen wird, wird also einmal durch
die Geschwindigkeit v1, mit welcher die Tröpfchen die Platte erreichen, bestimmt.
Sie muß möglichst gering sein. Ferner ist das Potential aber auch abhängig von der
Anfangsgeschwindigkeit der Nebeltröpfchen.
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Da der Dampf, bei Erreichen der Elektrode 13 bereits kondensiert ist,
besitzt er ein nur kleines Volumen. Es läßt sich also leicht eine kleine Auftreffgeschwindigkeit
erhalten und somit der größte Teil der kinetischen Energie des eingeströmten Dampfes
zurückgewinnen.
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In der in der Abbildung dargestellten Anordnung` bewegen sich die
Elektronen von
oben nach unten; die Richtung des erzeugten elektrischen
Stromes ist also die der Pfeile27.
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Um eine genügende elektrische Isolierung der den Dampf führenden Rohre
2 von den die Flüssigkeit von der Platte 13 abführenden Rohren 7i zu erhalten, wird
zweckmäßig ein Stück der Rohranlage, beispielsweise das Rohrstück 28, isoliert ausgeführt.
-In diesem Falle muß jedoch die Flüssigkeit selbst isolierend sein (beispielsweise
aus destilliertem Wasser bestehen). Dient als dampferzeugender Stoff eine elektrisch
leitende Flüssigkeit, wie Quecksilber, so werden zweckmäßig an Stelle des einen
Troges 18 zwei getrennte, voneinander isolierte Gefäße vorgesehen: das eine zur
Aufnahme der kondensierten Flüssigkeit und das andere zur Aufnahme des zur Speisung
des Dampfkessels i dienenden Flüssigkeit. Die überführung der Flüssigkeit von dem
einen Trog in den anderen kann in diesem Falle beispielsweise durch ein Schöpfwerk
aus Isoliermaterial bewerkstelligt werden. Aber auch durch Ausführung des Rohres
z aus Isoliermaterial läßt -sich bei Verwendung nur eines Troges und Quecksilberdampf
eine genügende Isolierung erreichen..
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Der Dampfkessel, das Rohrsystem mit der Düse 3 und ein Punkt der Glühkathode
(oder überhaupt die Elektronen aussendende Vorrichtung) werden zweckmäßig an Erde
gelegt. Die Platte 13 bildet in diesem Falle den anderen (negativen) Pol der Anlage.
Es ist natürlich auch möglich, die Platte 13 allein an Erde zu legen oder aber beide
Pole der Anordnung (Düse 3 bzw. Glühkathode g und Elektrode 13) von der Erde zu
isolieren.
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Die Stärke des erzeugten elektrischen Stromes und die Spannung hängt
von der Art des Dampfes ab, ferner auch von der Masse der Nebeltröpfchen und ihrer
Geschwindigkeit. Durch Verändern dieser Größen kann man die Stärke des Stromes und
die Spannung ändern.
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Der mittels des vorliegenden Verfahrens erzeugte Gleichstrom läßt
sich selbstverständlich auch umformen, und zwar (beispielsweise durch rotierende
Umformer, Wechselrichter uswr.) in eine beliebige Stromart von beliebiger Spannung.