Opublikowano dnia 15 marca 1962 r. l y"'».\ UBLIOTEKAf POLSKIEJ RZECZYPOSPOLITEJ LUDOWEJ OPIS PATENTOWY Nr 44634 Stefan Grudziecki Gdansk, Polska Generator eleklrohydrodynamiczny Patent trwa od dnia 2 sierpnia 1960 r.KI. 21 g, 36 Zamiana energii cieplnej na prace mecha¬ niczna, wedlug dotychczasowych metod tech¬ nicznych, nie pozwala na uzyskanie duzych sprawnosci. Przetwarzanie jej na energie elek¬ tryczna wymaga, poza tym, szeregu urzadzen jak turbiny parowe lub gazowe, pradnice, trans¬ formatory. W ostatnim czasie czynione sa rózne próby podniesienia wspólczynnika sprawnosci, m. in. przez odhiór czesci energii cieplnej, przed skierowaniem gazów do normalnie sto¬ sowanych urzadzen w generatorze, w którym zjonizowane termicznie gazy przelatuja z wielka predkoscia miedzy biegunami silnych magne¬ sów. Wymagana tu jest wysoka predkosc (po- naddzwiekowa), silne pole magnetyczne oraz wysoka temperatura rzedu 3000° K, co po¬ ciaga za soba pewne trudnosci, szczególnie ma¬ terialowe.Istniejace generatory elektrostatyczne, jak np. Van de Graafa, moga dostarczac tylko nie¬ wielkie prady.Generator, wedlug wynalazku, posiada zbior¬ nik 1, w którym odbywa sie wytwarzanie ga¬ zów o temperaturze T± i cisnieniu plt lub do którego doprowadzane sa takie gazy lub pary, uzyskiwane w procesie spalania lub tez ogrzane w wymienniku ciepla. Temperatura Ti moze wynosic do tysiaca (kilkuset) stopni K. Paliwo moze byc gazowe, plynne lub stale. Mozna tez zastosowac inne zródla energii cieplnej.Gazy przeplywaja przez szczeline 3 o odpo¬ wiednim, zmiennym przewaznie przekroju, utworzona przez dwie plyty 2 z materialu izolacyjnego, odpornego na wysokie tempera¬ tury i o temperaturze T2 przedostaja sie do pomieszczenia 4 o cisnieniu p2. Stad sa kiero¬ wane do dalszych, podobnych elementów lub przechodza do wymiennika ciepla, albo tez uchodza na zewnatrz. Cieplo moze byc równiez doprowadzane do generatora na odcinku miedzy elektroda 5 a pomieszczeniem 4. Wtedy dopro¬ wadzane do zbiornika 1 gazy lub pary moga nie byc ogrzane. Przekrój poprzeczny szczeliny moze miec, ze wzgledów wytrzymalosciowych, ksztalt pierscienia. Obieg moze byc zamkniety.Gazy oplywaja latwo-wymienny element 5 wy¬ konany z materialu przewodzacego lub pól- przewodzacego, czasem dodatkowo ogrzewanegodo wyzszej temperatury, np. przez przeplyw pradu elektrycznego. Miedzy elementem 5 a okladzinami przewodzacymi 6 wytworzone jest pole elektryczne przy pomocy zródel na¬ piecia ui, ug, 1*3, u* itd; Pod wplywem pola elektrycznego o duzym natezeniu, odpowiednie¬ go znaku, elektrony opuszczaja elektrode 5 i biegnac, staraja sie'naladowac „kondensator" Ci, którego jedna okladzine stanowia przewo¬ dzace plytki 6, druga zas warstewka tworzona przez czastki elektrycznie naladowane na po¬ wierzchni dielektryka 2 w szczelinie 3. Bieg¬ nace elektrony sa chwytane przez czastki ga¬ zów i poruszaja sie dalej jako jony ujemne, tj. znacznie wolniej niz elektrony. W czasie przebiegu przez szczeline, jony porywane sa przez czasteczki neutralne gazu w kierunku jego przeplywu. Po przebyciu pewnej drogi, jony osiagaja powierzchnie dielektryka 2 i z pewna trudnoscia moga byc przesuwane dalej. Powierzchnia ta winna byc bardzo glad¬ ka. Moze byc ona pokryta bardzo gladka war¬ stewka dielektryka posiadajacego mala sklon¬ nosc do przeciagania jonów. Warstewka ta, uformowana z niektórych dielektryków o cha¬ rakterze dipolowym w obecnosci silnego sta¬ lego pola elektrycznego lub spolaryzowana w inny sposób, moze miec nawet wlasnosci odpychajace jony danego znaku co jest bar¬ dzo wazne. Wysoka temperatura scianek 2 ma tu wplyw korzystny. Ruch gazów winien miec charakter burzliwy. Aby poprawic wa¬ runki przesuwania jonów przez przeplywajace gazy, mozna zastosowac zmienne pole elek¬ tryczne miedzy okladzinami 6, znajdujacymi sie po obu stronach izolacyjnych plyt 2.Pod wplywem tego zmiennego pola, jony prze¬ chodza z jednej, np. lewej strony szczeliny do drugiej, prawej, i na odwrót. W tym czasie sa one latwo porywane przez czastki przeply¬ wajacego gazu. Poprzeczny ruch jonów przy¬ czynia sie do burzliwosci przeplywu gazów przy sciankach i utrudnia formowanie sie war¬ stewki przysciennej. Przesuwanie jonów w kie¬ runku ruchu gazów powoduje kolejne ladowa¬ nie czastkowych pojemnosci „kondensatorów" Ci, C2 Cs, C4 itd., zmniejszajacych sie stopnio¬ wo dzieki np. zmianie grubosci, temperatury scianek 2 itp. Oznacza to stopniowy wzrost napiecia na tych „kondensatorach". Jony prze¬ noszone sa na wyzszy potencjal. Oddaja one swe ladunki w przestrzeni 4, gdzie stykaja sie na duzej powierzchni z materialem prze¬ wodzacym. Miedzy zaciskami 7 i 8 powstaje 'napiecie E, które moze byc przekazane odbio¬ rom. Natezenie pola elektrycznego wzdluz szcze¬ liny 3 winno byc tak dobrane, aby predkosc ruchu skierowanego jonów, zwiazanego z ich ruchliwoscia, starajacego sie je zawrócic do elektrody 5, byla znacznie mniejsza niz pred¬ kosc przeplywajacego gazu. Natezenie pola wew¬ natrz szczeliny 3 od napiec u±, u%, 113, 114 itd.; ~ jak tez od ladunku przestrzennego, winno byc takie, aby nie powodowalo zwierania szczeliny przez jonizacje bodzcza. Napiecia ult 1*2, 1*3, u4 itd., jak tez ich czestotliwosc, winny byc od¬ powiednio dobrane. Moga one zawierac skla¬ dowa stala. Nalezy zapewnic warunki malej ruchliwosci jonów, na która maja wplyw ni. in. takie czynniki, jak cisnienie gazu, rodzaj gazu i jonów, ruch gazu, jego temperatura itp. Wpro¬ wadzenie dodatkowego pola magnetycznego mo¬ globy miec tu pewien korzystny wplyw, jed¬ nak skomplikowaloby urzadzenie. Energia tra¬ cona na poprzeczne przesuwanie jonów winna byc odpowiednia czescia energii elektrycznej, uzyskiwanej w generatorze. Ruch poprzeczny jonów mozna tez uzyskac przez odpowiedni geometryczny ksztalt pola elektrycznego. Rózni¬ ca potencjalów wzdluz szczeliny 3 mQZe-wystapic równiez na skutek róznicy stopnia „ladowania" czastkowych pojemnosci „kondensatorów" Clt C2, C&, C4 itd. Elektroda 5 moze znajdowac sie u wylotu odpowiednio wykonanej dyszy.Istotna rzecza jest sprawa zdolnosci gazów do chwytania elektronów, jak tez energia ich wiazania. Najlepszymi wlasnosciami odznaczaja sie pod tym wzgledem, gazy elektroujemne.Równiez takie gazy jak H2Ot 02, NH3 i wiele innych, posiadaja stosunkowo dobre wlasnosci pod tym wzgledem. Zdolnosc chwytania zalezna jest poza tym, od stosunku natezenia pola elek¬ trycznego do cisnienia gazu, co winno byc wzie¬ te pod uwage. Temperatura gazów nie powinna byc zbyt wysoka, aby prawdopodobienstwo zderzenia sie jonów z czasteczkami gazu, po¬ siadajacymi szybkosci wystarczajace do odry¬ wania elektronów, wynikajace z rozkladu pred¬ kosci Maxweira, pozostawalo w odpowiednim stosunku do prawdopodobienstwa ich ponow¬ nego schwytania i szybkosci przeplywajacego gazu. Inaczej, elektrony, dzieki swej duzej ruch¬ liwosci, moglyby wracac do elektrody 5. Ener¬ gia wiazania elektronów nie jest jeszcze do¬ brze zbadana dla wiekszosci gazów, a oceniana jest na wartosci od ulamka do kilku elektro- nowoltów, co na ogól wystarcza w rozpatry¬ wanym przypadku. Wystarcza tez, aby tylko czesc gazów posiadala zdolnosc chwytania elek¬ tronów.Zdolnosc emisyjna elektrody 5 odgrywa tu tez jwwazna role. Ze wzgledu na wytrzyma- — i —losc mechanicznai odpornosc na reakcje che¬ miczne, temperatura elektrody winna byc mozliwie niska. Wynika stad potrzeba stoso¬ wania materialu o mozliwie niskiej „energii wyjscia". Bardzo korzystny wplyw ma tu pole elektryczne od napiecia u±, jak tez odpowiedni rodzaj gazu. Czasteczki gazu, zwlaszcza te, któ¬ re sa naturalnymi dipolami, jak H^O itp , sta¬ raja sie, mimo bezladnego ruchu cieplnego, ustawiac w kierunku pola, co powoduje znaczne zwiekszenie natezenia pola na powierzchni elek¬ trody 5. Energia wiazania elektronu przez cza¬ steczki posiada tu tez duze znaczenie. Energia ta zuzywana jest na czesciowe pokrycie po¬ trzebnej „energii wyjscia", w czasie zetkniecia czasteczki gazu z powierzchnia elektrody 5.Sposród znanych materialów mozna tu wymie^ nic karborund SiC jako tani, chemicznie od¬ porny pólprzewodnik typu elektronowego, mo* gacy pracowac trwale w temperaturach, nawet w obecnosci tlenu, do ok. 1500°C.Plyty lub rury 2 wykonane sa z materialu izolacyjnego, czesto opartego na ceramice tlen¬ ków metali. Na przyklad materialy ceramiczne wysokokorundowe posiadaja, równiez w wyso¬ kich temperaturach,. dobre wlasnosci, dzieki wysokiej wytrzymalosci mechanicznej, duzej • opornosci elektrycznej, duzej wytrzymalosci na przebicie, elektryczne itp. Material ten mozna tez wykorzystac do mocowania elektrod 5. Ist¬ nieje tez wiele innych materialów nadajacych sie do tego celu. Rodzaj materialu zalezny jest w znacznej mierze od temperatury pracy gene¬ ratora.Prad uzyskany w tym urzadzeniu jest maly, natomiast napiecie E moze byc bardzo wysokie.Ze wzgledu na izolacje i odbiór, moze wy¬ niknac potrzeba obnizenia napiecia (przy okres¬ lonej mocy) przez zastosowanie szeregu podob¬ nych elementów jak na rysunku, polaczonych szeregowo pod wzgledem przeplywu gazu, a równolegle pod wzgledem elektrycznym. Po¬ szczególne elementy winny byc oddzielone od siebie przewodami gazowymi, izolacyjnymi pod wzgledem elektrycznym. Z kolei mozna laczyc równolegle kilka takich urzadzen tworzac zes¬ poly. Mozna tez obnizyc napiecie stosujac inne metody.Sprawnosc generatora moze byc znaczna, zwlaszcza przy zastosowaniu zasady odzyski¬ wania ciepla. W urzadzeniu tym czasteczki neu¬ tralne gazu, uzyskujace predkosc skierowana makroskopowa, na skutek np. rozprezania sie gazów, oddaja przy jednym sprezystym zde¬ rzeniu wiekszosc swojej energii kinetycznej ruchu makroskopowego jonom, dzieki zblizo¬ nym masoni obu rodzajów czastek. Jon za¬ mienia nabyta energie kinetyczna w czasie przesuwania sie w kierunku podluznego pola elektrycznego w szczelinie 3 na energie poten¬ cjalna.W poblizu scianek 2, gdzie sie glównie znaj¬ duja jony, przy odpowiednio dobranych warun¬ kach uwzgledniajacych natezenie i rozklad pola elektrycznego, szybkosc przeplywu gazów przy sciance, cisnienie i rodzaj gazów, wlasnosci powierzchni dielektryka itp., wystepuje tez, systemem „schodkowym", bezposrednia zamiana , energii cieplnej w elefcryczna. Proces ten za¬ chodzi równiez przy $.niskich temperaturach.Fakt ten moze miec duze znaczenie ze wzgledu na zródla energii cieplnej.Wydzielone cieplo pochodzace ze stratnosci (tg 6) materialu izolacyjnego 2 przy zmiennych napieciach uit u%t u3, u4 itd., z przewodnosci materialu 2 przy wysokich temperaturach, z ogrzewania elektrody 5, z przesuwania jonów w kierunku poprzecznym do ruchu przeply¬ wajacych gazów, z odrywania czesci elektro¬ nów od jonów i przenoszenia ich z powrotem do elektrody 5 jest w znacznej czesci odzyski¬ wane.Napiecie E jest zasadniczo stale. Jako od¬ biory nadawalyby sie szczególnie silniki elek¬ trostatyczne, których zaleta jest wysoka spraw¬ nosc. Male wymiary tych silników uzyskac mozna przez zastosowanie w nich prózni lub sprezonego gazu. Silniki takie moglyby równiez pracowac w bloku z generatorem.Zmiennosc napiecia mozna uzyskac przez wprowadzenie zmiennosci strumienia gazów w powiazaniu ze zmiennoscia napiec ui, 112, U3, u4 itd., przy uwzglednieniu odpowiedniego laczenia szeregu takich urzadzen i ich wlasci¬ wej synchronizacji. W niektórych polaczeniach mozna uzyskac zmiennosc napiecia bez wpro¬ wadzenia zmiennosci strumienia gazów. Moga byc tez wziete pod uwage inne metody.W celu zmniejszenia wymiarów generatora, jest równiez bardzo korzystne zastosowanie dla celów izolacyjnych, sprezonego gazu o do¬ brych wlasnosciach pod tym wzgledem. Cieplo moze byc wówczas doprowadzane poprzez zbior¬ nik ze sprezonym gazem. Naprezenia rozry¬ wajace przenosilby wówczas metalowy zbiornk., a plyty czy rury 2 moglyby przenosic tylko naprezenia sciskajace. Metalowy zbiornik wi¬ nien byc zaopatrzony w izolatory przepu¬ stowe.Generator moze Wspólpracowac z innymi — 3 —urzadzeniami sfenzacymi tio zamiany etnerig^ cieplnej na praca mechaniczna.Niekiedy, glównie w generatorach typu la¬ boratoryjnego, mozna by zastosowac rodzaj „siatki" o odpowiednim potencjale wzgledem elektrody 5, umieszczonej w poblizu tej elek¬ trody, na drodze przeplywu gazów miedzy ta elektroda a przestrzenia 4. Pozadane jest wtedy zapewnienie dobrego rozkladu napiecia przy pomocy odpowiednich metod, np. ekranów.Gdyby elektroda 5 miala po ogrzaniu, duza zdolnosc emisji elektronów, wówczas mozna by nawet z „siatki" zrezygnowac.„Siatka" zaopatrzona w ostrza, moglaby slu¬ zyc jednoczesnie do wytwarzania jonów, wy¬ korzystujac zjawisko ulotu. Elektroda 5 nie musialaby miec dobrych wlasnosci emisji. Jo¬ ny przechodzace do szczeliny 3 moglyby byc wówczas zarówno ujemne jak i dodatnie.W przypadku jonów dodatnich, gazy lub pary nie musialyby posiadac zdolnosci chwytania elektronów, jednakze dopuszczalne natezenia pola elektrycznego w szczelinie 3"bylyby w tym przypadku mniejsze przy tych samych cisnie¬ niach. „Siatka", spelniajaca tu role elektrody 5 podanej na rysunku, moze byc polaczona z okladzinami 6 poprzez jedno lub wiecej zró¬ del napiecia zmiennego lub stalego. Okladziny 6 moga tu byc czasem polaczone bezposrednio z elektroda 5.Sama elektroda 5, zaopatrzona w ostrza, mo¬ ze byc zródlem jonów ujemnych lub dodatnich dzieki ulotowi.Mozliwe jest tez zastosowanie rteci, jako zródla par, przy czym plamka katodowa bylaby zródlem elektronów. Rtec spelnialaby role elek¬ trody 5 z rysunku.Zródlem jonów dodatnich moga byc tez ciala promieniotwórcze, przy czym ruchliwe elektrony winny byc wychwytywane z gazu szlachetnego przy pomocy odpowiedniego zródla napiecia. PL