EP0187212B1 - Antriebsaggregat zum aussenluftunabhängigen Verbrennen von Treibstoffkombinationen - Google Patents

Antriebsaggregat zum aussenluftunabhängigen Verbrennen von Treibstoffkombinationen Download PDF

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EP0187212B1
EP0187212B1 EP85113754A EP85113754A EP0187212B1 EP 0187212 B1 EP0187212 B1 EP 0187212B1 EP 85113754 A EP85113754 A EP 85113754A EP 85113754 A EP85113754 A EP 85113754A EP 0187212 B1 EP0187212 B1 EP 0187212B1
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EP
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reaction
drive unit
oxidizer
reaction chamber
alkali metal
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Claus Cohrt
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Erno Raumfahrttechnik GmbH
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Erno Raumfahrttechnik GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C99/00—Subject-matter not provided for in other groups of this subclass
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G OR C10K; LIQUIFIED PETROLEUM GAS; USE OF ADDITIVES TO FUELS OR FIRES; FIRE-LIGHTERS
    • C10L1/00—Liquid carbonaceous fuels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K3/00—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein
    • F01K3/18—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having heaters
    • F01K3/188—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having heaters using heat from a specified chemical reaction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F42—AMMUNITION; BLASTING
    • F42B—EXPLOSIVE CHARGES, e.g. FOR BLASTING, FIREWORKS, AMMUNITION
    • F42B19/00—Marine torpedoes, e.g. launched by surface vessels or submarines; Sea mines having self-propulsion means
    • F42B19/12—Propulsion specially adapted for torpedoes
    • F42B19/14—Propulsion specially adapted for torpedoes by compressed-gas motors
    • F42B19/20—Propulsion specially adapted for torpedoes by compressed-gas motors characterised by the composition of propulsive gas; Manufacture or heating thereof in torpedoes

Definitions

  • the invention relates to a drive unit for combustion of fuel combinations independent of outside air, in particular for underwater use.
  • DE-A 2459556 shows a drive for underwater vehicles with a drive turbine which is driven by the energy released in the catalytic decomposition of hydrazine or a hydrazine / water mixture.
  • this drive which is preferably designed for torpedoes, is able to achieve appropriate drive power for sufficient operating times or ranges of a torpedo, but the operation of such a drive does not guarantee freedom from bubbles. Since the absence of bubbles is a necessary prerequisite for the successful use of torpedoes, it is proposed to pump non-water-soluble gases back into the hydrazine container by means of a compressor.
  • the invention is therefore based on the object of providing a drive unit for use independent of outside air with easily conveyable fuel components and gas-free reaction products during operation. This object is achieved by the characterizing features of claim 1.
  • the measure according to the invention results in an easily controllable drive unit without gaseous reaction products.
  • the water addition of the oxidizer triggers a hypergolic ignition with a fuel component in the reaction chamber, so that the thermal energy released due to this reaction releases the oxygen of the (per) chlorates for a reaction with the other fuel components.
  • This course of the reaction involves binding the carbon dioxide from the reaction of the hydrocarbons with the oxygen formed via alkali metal hydroxide also formed, with the formation of solid and water-soluble alkali metal carbonate, which can be removed without gas.
  • the reaction chamber can be operated at a pressure above the critical pressure of the carbon dioxide and additionally cooled by the working medium of the power process and / or the ambient water.
  • Such a procedure has the result that carbon dioxide, which may occur in gaseous form, liquefies and therefore comes into extremely close contact with the alkali metal hydroxide carried in the combustion water.
  • the drive unit consists of a reaction chamber 1, the cooling system of which includes an evaporator zone, a superheater and a preheating zone for the working medium of the downstream converter process 2.
  • the fuel necessary for the operation of the drive unit is stored in a fuel tank 3 and is fed to the reaction chamber 1 via a feed pump 4.
  • the same applies to the oxidizer which is stored in an oxidizer tank 5 and reaches the reaction chamber 1 via a temperature controller 6 and a feed pump 7. If necessary, water can also be pumped into the oxidizer tank 5 via a water pump 8.
  • the reaction products formed in the reaction between the fuel and the oxidizer in the reaction chamber 1 are discharged via a heat exchanger 9 and possibly a pump 10.
  • the fuel pump 4 conveys the fuel, consisting for example of a mixture of hydrocarbons and metal compounds, for example alkali metal hydrides in pasty form, into the reaction chamber 1 with a mass flow rate adapted to the converter process 2 , where the water addition of the oxidizer supplied via the feed pump 7 triggers a hypergolic ignition. Since fuel and oxidizer are liquid, both components of this fuel combination can be easily conveyed and metered accordingly to control the downstream converter process 2.
  • the hypergolic ignition of the fuel combination offers the possibility of interrupting the reaction in the reaction chamber and re-igniting, so that the drive unit also has an additional control option in this regard.
  • reaction in the reaction chamber takes place as follows in the case of a hydrocarbon / alkali metal hydride fuel mixture and aqueous metal (per) chlorate solution as oxidizer:
  • Equations 1 to 4 show that the final reaction products are solid or liquid and thus the demand for a reaction without gaseous reaction products.
  • the reaction chamber 1 can also be operated at a pressure above the critical pressure of the carbon dioxide and additionally cooled by ambient water. In this way, the optionally gaseous carbon dioxide can be liquefied and come into intensive contact with the solid and water-soluble alkali metal hydroxide.
  • the hydrocarbon / alkali metal hydride / oxidizer mixing ratio is selected during operation so that excess gas fractions (oxygen, hydrogen, carbon oxides or hydrocarbon compounds) do not result in the reaction in reaction chamber 1.
  • the course of the reaction in the reaction chamber 1 requires longer dwell times for the reactants, for example several minutes, which guarantees the stability of the reaction products via the intensive cooling of the reaction mixture to ambient temperature. Therefore, thermal dissociations cannot occur.
  • reaction chamber in such a way that reaction products formed during the reaction remain in the reaction chamber either in solid and / or dissolved form. After a drive mission has ended, it is possible to wash out the reaction chamber 1, that is to say to make it ready for use again. Another possibility is to pump the reaction products that arise during operation back into the fuel tanks, in particular for volume compensation of the used fuel components.
  • the oxidizer When the drive unit is operating, the oxidizer can be prepared for delivery into the reaction chamber by supplying water via the water pump 8 and can also be maintained during operation.
  • the concentration of the oxidizer is controlled during operation by the temperature control at the outlet of the oxidizer tank 5.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Antriebsaggregat zum aussenluftunabhängigen Verbrennen von Treibstoffkombinationen, insbesondere für den Unterwassereinsatz.
  • Für den Antrieb von Unterwasserfahrzeugen ist es bekannt, Elektro- und Pumpenstrahlantriebe, aber auch aussenluftunabhängige Verbrennungs- oder Reaktionsantriebe einzusetzen. So zeigt zum Beispiel die DE-A 2459556 einen Antrieb für Unterwasserfahrzeuge mit einer Antriebsturbine, welche durch die bei einer katalytischen Zersetzung von Hydrazin bzw. einem Hydrazin-Wassergemisch freiwerdende Energie angetrieben wird. Dieser vorzugsweise für Torpedos konzipierte Antrieb ist, je nach Auslegung, in der Lage, entsprechende Antriebsleistungen für hinreichende Betriebszeiten bzw. Reichweiten eines Torpedos zu erzielen, aber der Betrieb eines solchen Antriebes gewährt keine Blasenfreiheit. Da eine Blasenfreiheit für einen erfolgreichen Einsatz von Torpedos eine notwendige Voraussetzung ist, wird dort vorgeschlagen, nichtwasserlösliche Gase mittels eines Verdichters in den Hydrazinbehälter zurückzupumpen.
  • Neben den auf Hydrazinbasis betriebenen aussenluftunabhängigen Antriebsaggregaten ist es auch bekannt, Festbrennstoffe, zum Beispiel Lithiumaluminiumhydrid oder mit Wasser reagierende Metalle in einer Reaktionskammer für Antriebszwecke zu verbrennen. Die DE-B 2127046 beschreibt zum Beispiel einen Festbrennstoff für ein Triebwerk, aber dieser Brennstoff hat den Nachteil einer spontanen Reaktionsfähigkeit mit Wasser und anderen Oxidatoren. Ausserdem ist ein derartiger Festbrennstoff praktisch nicht transport- bzw. pumpfähig, so dass die Regelung eines mit solch einem Brennstoff betreibbaren Antriebsaggregates allein von der Regelungsmöglichkeit des Oxidators abhängt.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Antriebsaggregat für einen aussenluftunabhängigen Einsatz mit leicht förderbaren Treibstoffkomponenten und gasfreien Reaktionsprodukten im Betrieb zu schaffen. Diese Aufgabe ist durch die Kennzeichenmerkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Durch die erfindungsgemässe Massnahme ergibt sich ein gut regelbares Antriebsaggregat ohne gasförmige Reaktionsprodukte. Hierbei löst der Wasserzusatz des Oxidators eine hypergole Zündung mit einer Brennstoffkomponente in der Reaktionskammer aus, so dass die aufgrund dieser Reaktion freiwerdende thermische Energie den Sauerstoff der (Per-)Chlorate für eine Reaktion mit den übrigen Brennstoffkomponenten freisetzt. Dieser Reaktionsablauf schliesst eine Bindung des Kohlendioxides aus der Reaktion der Kohlenwasserstoffe mit dem entstandenen Sauerstoff über ebenfalls entstehendes Alkalimetallhydroxid ein mit der Bildung von festem und wasserlöslichem Alkalimetallcarbonat, welches gasfrei abführbar ist.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Antriebsaggregates kann die Reaktionskammer mit einem oberhalb des kritischen Druckes des Kohlendioxids liegenden Druck gefahren und zusätzlich durch das Arbeitsmedium des Kraftprozesses und/oder das Umgebungswasser gekühlt werden. Eine solche Verfahrensweise hat zur Folge, dass sich gegebenenfalls gasförmig auftretendes Kohlendioxid verflüssigt und daher in äusserst engen Kontakt zum im Verbrennungswasser mitgeführten Alkalimetallhydroxid kommt.
  • Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Ansprüchen 5 bis 9 zu entnehmen.
  • Die Erfindung wird durch ein in der Zeichnung dargestelltes Ausführungsbeispiel näher erläutert.
  • Wie die Prinzipdarstellung des abgebildeten Ausführungsbeispiels zeigt, besteht das erfindungsgemässe Antriebsaggregat aus einer Reaktionskammer 1, deren Kühlsystem eine Verdampferzone, einen Überhitzer und eine Vorwärmzone für das Arbeitsmedium des nachgeschalteten Wandlerprozesses 2 einschliesst. Der für den Betrieb des Antriebsaggregates notwendige Brennstoff ist in einem Brennstofftank 3 gespeichert und wird über eine Förderpumpe 4der Reaktionskammer 1 zugeführt. Das gleiche gilt für den Oxidator, der in einem Oxidatortank 5 gespeichert ist und über einen Temperaturregler 6 und eine Förderpumpe 7 zur Reaktionskammer 1 gelangt. Dem Oxidatortank 5 kann im Bedarfsfall auch Wasser über eine Wasserpumpe 8 zugepumpt werden. Die bei der Reaktion zwischen Brennstoff und Oxidator in der Reaktionskammer 1 entstehenden Reaktionsprodukte werden über einen Wärmetauscher 9 und gegebenenfalls eine Pumpe 10 abgeführt. Beim Betrieb des erfindungsgemässen Antriebsaggregats, zum Beispiel zum Antrieb eines Torpedos, fördert die Brennstoffpumpe 4 mit einem auf den Wandlerprozess 2 entsprechend angepassten Massendurchsatz den zum Beispiel aus einem Gemisch von Kohlenwasserstoffen und Metallverbindungen, zum Beispiel Alkalimetallhydriden in pastöser Form, bestehenden Brennstoff in die Reaktionskammer 1, wo der Wasserzusatz des über die Förderpumpe 7 zugeführten Oxidators eine hypergole Zündung auslöst. Da Brennstoff und Oxidator flüssig sind, lassen sich beide Komponenten dieser Treibstoffkombination leicht fördern und zur Steuerung des nachgeschalteten Wandlerprozesses 2 entsprechend dosieren. Das hypergole Zünden der Treibstoffkombination bietet hierbei die Möglichkeit, die Reaktion in der Reaktionskammer zu unterbrechen und wieder neu zu zünden, so dass das Antriebsaggregat auch in dieser Hinsicht eine zusätzliche Regelungsmöglichkeit erhält.
  • Die Reaktion in der Reaktionskammer läuft, wie auch in der Zeichnung dargestellt, bei einem Brennstoffgemisch Kohlenwasserstoff/Alkalimetallhydrid und wässeriger Metall-(per-)chloratlö- sung als Oxidator wie folgt ab:
    Figure imgb0001
    Figure imgb0002
    Figure imgb0003
    Figure imgb0004
  • Aus diesen Gleichungen kann man erkennen, dass der Wasserstoff nach Gleichung 1 mit dem Sauerstoff nach Gleichung 2 zu Wasser gemäss Gleichung 3 reagiert. Das Lithiumhydroxid LiOH nach Gleichung 1 reagiert mit dem Kohlendioxid nach Gleichung 4, so dass Wasser und Lithiumcarbonat entstehen. Da darüber hinaus jede Reaktion praktisch exotherm, das heisst freisetzend, abläuft, entsteht auch genügend Wärmeenergie für den nachgeschalteten Wandlerprozess 2. Ausserdem kann man aus den Gleichungen 1 bis 4 erkennen, dass die endgültigen Reaktionsprodukte fest oder flüssig sind und damit die Forderung nach einer Reaktion ohne gasförmige Reaktionsprodukte erfüllen. Der der Reaktionskammer 1 nachgeschaltete Wärmetauscher 9, welcher beim Unterwassereinsatz vorzugsweise mit Aussenwasser gekühlt wird, kann entfallen bzw. die dort anfallende Wärme kann auch weiterverwertet werden.
  • Die Reaktionskammer 1 kann auch mit einem oberhalb des kritischen Druckes des Kohlendioxides liegenden Druck betrieben und durch Umgebungswasser zusätzlich gekühlt werden. Auf diese Weise kann das gegebenenfalls gasförmige Kohlendioxid verflüssigt werden und in einen intensiven Kontakt mit dem festen und wassergelösten Alkalimetallhydroxid kommen. Selbstverständlich wird beim Betrieb das Mischungsverhältnis Kohlenwasserstoff/Alkalimetallhydrid/ Oxidator so gewählt, dass sich bei der Reaktion in der Reaktionskammer 1 überschüssige Gasanteile (Sauerstoff, Wasserstoff, Kohlenstoffoxide bzw. Kohlenwasserstoffverbindungen) nicht ergeben.
  • Der Ablauf der Reaktion in der Reaktionskammer 1 bedingt für die Reaktionspartner längere Verweilzeiten, zum Beispiel mehrere Minuten, wodurch über die intensive Kühlung des Reaktionsgemisches bis auf Umgebungstemperatur die Stabilität der Reaktionsprodukte garantiert wird. Thermisch bedingte Dissoziationen können daher nicht auftreten.
  • Es ist möglich, die Reaktionskammer so auszulegen, dass bei der Reaktion entstehende Reaktionsprodukte entweder in fester und/oder gelöster Form in der Reaktionskammer verbleiben. Nach Beendigung einer Antriebsmission ist es möglich, die Reaktionskammer 1 auszuwaschen, das heisst, für einen Wiederbetrieb einsatzbereit zu machen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die beim Betrieb entstehenden Reaktionsprodukte in die Treibstofftanks, insbesondere zum Volumenausgleich der verbrauchten Treibstoffkomponenten, zurückzupumpen.
  • Neben den zuvor geschilderten Möglichkeiten kann es auch sinnvoll sein, die Reaktionsprodukte blasenfrei ins Aussenwasser, insbesondere bei Unterwassereinsätzen, abzupumpen.
  • Beim Betrieb des Antriebsaggregates kann die Aufbereitung des Oxidators zur Förderung in die Reaktionskammer durch Zuführung von Wasser über die Wasserpumpe 8 erfolgen und während des Betriebes auch dadurch aufrecht erhalten werden. Die Konzentration des Oxidators wird während des Betriebes durch die Temperaturregelung am Ausgang des Oxidatortanks 5 gesteuert.

Claims (9)

1. Antriebsaggregat zum aussenluftunabhängigen Verbrennen von Treibstoffkombinationen, insbesondere für den Unterwassereinsatz, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoff der Treibstoffkombination aus einem Gemisch von Kohlenwasserstoffen und Metallhydriden, zum Beispiel Alkalimetallhydriden in pastösem und pumpfähigen Zustand besteht und dass der Oxidator ein Metallchlorat oder Metallperchlorat, vorzugsweise Alkalimetall, ist, der durch Zugabe von Wasser zu einer förderbaren, hochkonzentrierten sauerstoffabgebenden Lösung gemischt ist.
2. Antriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserzusatz des Oxidators mit dem Alkalimetallhydrid eine hypergole Zündung in einer Reaktionskammer (1) (Brennkammer) auslöst und dass die aufgrund dieser Reaktion freiwerdende thermische Energie den Sauerstoff der (Per-)Chlorate für eine Reaktion mit dem entstandenen Wasserstoff sowie den Kohlenwasserstoffen freisetzt.
3. Antriebsaggregat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlendioxid aus der Oxidation der Kohlenwasserstoffe mit dem entstandenen Alkalimetallhydroxid der Reaktion Alkalimetallhydrid/Wasser ein festes und wasserlösliches Alkalimetallcarbonat bildet.
4. Antriebsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionskammer (1) mit einem oberhalb des kritischen Druckes des Kohlendioxides liegenden Druck gefahren und durch Umgebungswasser und/oder das Arbeitsmedium des angeschlossenen Wandlerprozesses (2) gekühlt wird.
5. Antriebsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischungsverhältnis Kohlenwasserstoff/Alkalimetallhydrid/Oxidator derart eingestellt ist, dass sich bei der Reaktion in der Reaktionskammer (1) keine überschüssigen Gasanteile (Sauerstoff, Wasserstoff, Kohlenstoffoxide bzw. Kohlenwasserstoffverbindungen) ergeben.
6. Antriebsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionskammer (1) derart ausgebildet ist, dass die bei der Reaktion entstehenden Reaktionsprodukte in fester und/oder gelöster Form in der Reaktionskammer (1) verbleiben.
7. Antriebsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Reaktion in der Reaktionskammer (1) entstehenden Reaktionsprodukte zum Ausgleich des in den Treibstofftanks (3, 5) freiwerdenden Volumens in diese zurückgefördert werden.
8. Antriebsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Reaktion in der Reaktionskammer (1) entstehenden Reaktionsprodukte, insbesondere bei Unterwassereinsätzen, blasenfrei in das Aussenwasser abgepumpt werden.
9. Antriebsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderung des Oxidators durch Zuführung von Wasser in den Oxidatortank (5) erfolgt und dass die Konzentration der Oxidatorlösung durch eine Temperaturregelung der vom Oxidatortank (5) abgepumpten Oxidatorlösung gesteuert wird.
EP85113754A 1984-12-01 1985-10-29 Antriebsaggregat zum aussenluftunabhängigen Verbrennen von Treibstoffkombinationen Expired EP0187212B1 (de)

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