Verfahren und Einrichtung zur Umwandlung von Energie. Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Umwandlung von Energie.
Gemäss der Erfindung erfolgt die Um wandlung der Energie derart, dass ein. Strom gasförmigen Arbeitsmittels, welcher Teil chen mit positiver Ladung und freie Elek tronen enthält, durch ein magnetisches Feld geführt wird, welches mit der Richtung des Gasstromes einen Winkel einschliesst und au einer Stelle des, durch die Wechselwirkung des magnetischen Feldes und des strömenden Arbeitsmittels entstehenden elektrischen Fel des, aus dem Arbeitsmittel Elektronen abge leitet und an einer andern Stelle diesem wie der Elektronen zugeführt werden,
wobei die genannten beiden Stellen verschiedene elek trische Potentiale aufweisen.
Mit dem Verfahren nach der Erfindung kann elektrische Energie gewonnen werden, wenn die aus dem Arbeitsmittel abgeführten Elektronen über einen äussern Stromkreis von der Stelle niedrigeren positiven Potentials des Arbeitsmittels zu einer Stelle höheren posi tiven Potentials zurückgeführt werden.
Werden dagegen die aus dem Arbeits mittel herausgeführten<B>_</B>Elektronen mit Hilfe einer äussern elektrischen Energiequelle von einer Stelle des Arbeitsmittels mit höherem positiven Potential zu einer solchen mit nied rigerem Potential geführt, so kann die Ener gie des strömenden Arbeitsmittels erhöht werden.
Als gasförmige Arbeitsmittel sind alle jene Stoffe verwendbar, die als Träger posi tiv geladener Teilchen und freier Elektro nen dienen können. So kann man Gase, z. B. Stickstoff, Edelgase, weiters Dämpfe, z. B. Quecksilberdampf und auch elementare Teil chen von kolloidaler und suspensionaler Grössenordnung enthaltende Gase, z. B. Staub wolken, Nebelwolken usw., verwenden.
Zur Durchführung des Verfahrens dient eine Einrichtung, welche aus folgenden Tei len besteht: Aus einem Arbeitskanal zum Führen von gasförmigen Arbeitsmitteln, aus sich an den Arbeitskanal anschliessenden, die Strömung des Arbeitsmittels verursachenden Mitteln, aus einer an den Arbeitskanal an geschlossenen, im Arbeitsmittel positive Ionen und freie Elektronen -erzeugenden Ionisier- einrichtung, aus einer am Arbeitskanal an geordneten, denselben durchsetzenden Mag netfluss erzeugenden Vorrichtung, deren Kraftlinien mit der Arbeitskanalachse einen Winkel einschliessen, sowie aus Mitteln,
wel che aus dem Innenraum des Arbeitskanals Elektronen ableiten und über einen äussern Stromkreis in den besagten Arbeitskanal wie der einführen.
Fig. 1 bis 6 sind schematische Zeichnun gen zur Erläuterung des Verfahrens; Fig. 7 ist ein Längsschnitt durch ein Aus führungsbeispiel der Einrichtung zur Durch führung des Verfahrens; Fig. 8 veranschaulicht einen waagrechten Querschnitt durch den gern 31. der Einrich tung nach Fig. 9 ; Fig. 9 ist ein Schnitt durch einen Teil einer andern Ausführung des Generators; Die Fig. 10 bis 12 sind Querschnitte von Einrichtungen, die Elektronenstrahlen er zeugen.
Das Wesen des Verfahrens wird an den beiliegenden Fig. 1 und 2 erläutert.
Durch einen in der Fig. 1 nur in der linken Hälfte dargestellten Kanal 1 mit ring förmigem Querschnitt, welcher durch den mit den Pfeilen 2 angedeuteten magnetischen Kraftfluss durchsetzt wird, strömt in der Richtung der Pfeile 3 ein gasförmiges Ar beitsmittel. Dieser Kanal ist als Arbeits kanal des Generators aufzufassen. Man muss dafür sorgen, dass das Arbeitsmittel in dem vor der Einführungsstelle in den Arbeits kanal liegenden Raum 11 positiv geladene Teilchen und freie Elektronen enthält. Dies iA zum Beispiel durch die Einführung von Elektronenstrahlen in den Raum 11 erreich bar.
Zufolge der Ionisierung mit Elektronen strahlen entstehen in dem bisher neutralen Arbeitsmittel, zwischen den neutralen Teil- clhen in grosser Anzahl positive geladene Teil chen und freie Elektronen. Die Anzahl der sich bildenden Ionen und Elektronen ist ein ander gleich, so dass demzufolge auch die sich bildenden positiven und negativen elek trischen Ladungsmengen einander gleich sind. Die Beweglichkeit der positiven Ionen ist infolge ihrer relativ grossen Masse und ihrer grossen Reibung im Arbeitsmittel gering; sie können sich daher unter der Wir kung einer elektrischen Kraft nur verhält nismässig langsam bewegen.
Die freien Elek tronen können dagegen unter dem Einfluss derselben elektrischen Kraft eine Geschwin digkeit erlangen, die einige tausendmal grö sser ist als diejenige der positiven Ionen.
Das im magnetischen Kraftfeld des Ka nals strömende Arbeitsmittel nimmt die po sitiven Ionen zufolge der :grossen Reibung mit sich, wogegen die freien Elektronen hei ihrer Bewegung im magnetischen Feld durch das letztere abgelenkt werden, wobei die Richtung dieser ablenkenden Kraft zu den magnetischen Kraftlinien, sowie zur Bewe gungsrichtung der Elektronen, senkrecht steht. Diese Kraft lenkt also die Elektronen aus ihrer ursprünglichen Richtung ab, ändert aber nicht ihre Geschwindigkeit.
Zufolge dieser magnetischen Kraftwirkung weichen die Elektronen von der Strömungsrichtung des Arbeitsmittels ab und erlangen schliess lich, indem sie sich senkrecht zur Strömungs richtung des Arbeitsmittels mit hoher Ge schwindigkeit bewegen, entgegen der Wir kung des elektrischen Feldes einen Gleich gewichtszustand. Die Richtung des elektri- schen Feldes ist durch die Pfeile 10 Ue- zeichnet.
Das elektrische Feld entsteht dadurch, dass die positiven Ionen mittels des Gasstro mes durch den Generator hindurchgeschleppt werden, während die negativen Elektronen durch das magnetische Feld gezwungen wer den, sich in Querrichtung zu bewegen, se dass dieselben in einer gewissen Höhenlage sozusagen festgehalten werden und nicht durch den Generatorkarial dringen können. Der Generatorkanal bildet gewissermassen eine halbdurchlässige Wand,
indem er die neutralen Teilchen und die Ionen hindurch- lässt, während die negativen Elektronen in demselben zurückgehalten werden. Das dem Generator zuströmende Arbeitsmittel nimmt grosse Mengen von Ionen und negativen Elek tronen mit sich. Die Elektronen können durch das magnetische Feld des Generators, wenn in demselben bereits Elektronen krei sen, nicht hindurchdringen, sie sammeln sich vielmehr vor dem Generator und bilden dort die mit 5 bezeichnete Elektronenwolke. Die positiven Ionen gelangen mit dem Gasstrom durch das magnetische Feld hindurch und treten mit dem neutralen Gasstrom gemein sam am andern Ende des Generators aus.
Die vor dem magnetischen Feld des Genera- tors lagernde negative und die, hinter dem selben lagernde positive Ladewolke bilden gewissermassen die beiden Belegungen eines Kondensators, zwischen welchen ein elektri sches Feld entsteht, das entgegen der Gas strömung gerichtet ist. Das elektrische Kraft feld übt auf die positiven Ionen eine Kraft wirkung entgegen der Richtung des Gasstro mes aus.
Zwischen den positiven Ionen und den neutralen Teilchen des Arbeitsmittels besteht eine grosse Reibung, so dass die posi tiven Ionen der elektrischen Kraftwirkung nicht frei dieser Kraftwirkung folgen kön nen, sondern diese auf mechanischem Wege auf das gesamte neutrale Arbeitsmittel über tragen. Auf diese Weise übt das elektrische Feld des Generators auf die ganze Menge des strömenden Arbeitsmittels eine verzögernde Wirkung aus.
Zufolge dieser Kraftwirkung wird die kinetische Energie des Arbeitsmittels zur Gewinnung elektrischer Energie nutzbar ge macht, da entgegen der Wirkung des elek trischen Kraftfeldes positive elektrische La dungen von einer Stelle niedrigeren positiven Potentials zu einer Stelle höheren positiven Potentials gefördert werden. Wenn man also zwei verschiedene Potentiale aufweisende Stellen des elektrischen Kraftfeldes mitein ander leitend verbindet, so wird von der Stelle höheren Potentials zu der Stelle niedri geren Potentials, ein elektrischer Strom flie ssen, oder was damit gleichbedeutend ist, es gelangen von der Stelle niedrigeren positiven Potentials zur Stelle höheren positiven Po tentials Elektronen.
Die Energie steht nicht nur in der Strö- mungsgeschwindigkeit des Arbeitsmittels, das heisst in der gerichteten Bewegung der elementaren Teilchen, zur Verfügung, son dern auch in Form von Druck- und Wärme energie, welche auch in eine gerichtete Strö mung umgewandelt werden kann.
Wenn man also aus dem Arbeitskanal vor dem magnetischen Feld, die sich dort stauende Elektronenwolke 5 über den Pol 6 und den äussern Stromkreis 7 zum Pol S führt, und von dort die negativen Elektronen zur Neutralisierung der positiven Ionen 9 in das Arbeitsmittel zurückleitet, so kann man in dem äussern Stromkreis 7 elektrische Ener gie gewinnen.
Der geschlossene elektrische Stromkreis ergibt sich dadurch, dass sich die positiven und negativen Ladungsmengen an der Grenze des magnetischen Feldes, nach Zurücklegung von gesonderten Bahnen, am positiven Pol des Generators wieder vereinigen. In dem einen Zweig besteht demnach eine positive Ionenströmung und im andern Zweig eine Strömung negativer Elektronen, so dass die beiden parallel geschalteten Strömungen ent gegengesetzten Sinnes mit einem geschlos senen elektrischen Stromkreis gleichwertig sind.
Wenn die pro Gewichtseinheit zur Ver fügung stehende Energie des strömenden Ar beitsmittels und die gewünschte Klemmen spannung des Generators gegeben sind, so kann aus dem Gleichgewicht cler zur Ver fügung stehenden Arbeit und der geleisteten elektrischen Arbeit, die pro Gewichtseinheit notwendige Ladungsmenge berechnet werden.
Der Zusammenhang zwischen Klemmen spannung und spezifischer Ladungsmenge ist der folgende:
EMI0003.0035
Dabei bedeutet E die Klemmenspannung des Generators in Volt, q die elektrische La- dung pro 1 kg strömenden Arbeitsmittels, Zea die Strömungsgeschwindigkeit des Ar beitsmittels am Anfang, w, dieselbe am Ende des Arbeitskanals des Generators und g die Erdbeschleunigung.
Der theoretische Wert der Stromstärke der nach obigen Prinzipien arbeitender Vor richtung ist: JAmp - q. G, wobei G das Gewicht. der pro Sekunde hin durchströmenden Arbeitsmittelmenge in kg bedeutet.
Um die im magnetischen Feld aus ihrer ursprünglichen Richtung abgelenkten, in einer gewissen Höhenlage lagernden Elektro nen an ihrer Bewegung womöglich nicht zu hindern, sorgt man dafür, dass diese Elek tronen in einer geschlossenen Bahn kreisen können. Dies erreicht man zum Beispiel da durch, dass man den durch magnetische Kraftlinien durchsetzten Kanal mit ringför migem Querschnitt ausbildet. Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich, veranlasst das auf die Richtung des Arbeitsmittelstromes senk recht auftreffende magnetische Feld die Elektronen, in der Richtung der durch den Pfeil 4 angedeuteten Bahn zu kreisen.
Die in Fig. 2 eingezeichnete kreisförmige Elektronenbahn entsteht aus der quer gerich teten Bewegung der Elektronen derart, dass die Wände des Arbeitskanals durch die auf stossenden Elektronen negativ geladen wer den, wodurch auch ein schwaches, radial ge richtetes elektrisches Feld entsteht. Hier durch wird die ursprünglich in Querrichtung geradlinig verlaufende Bewegung der Elek tronen in eine in der Fig. 2 dargestellte kreis-, förmige Bahn gelenkt.
Durch Umkehrung des oben beschrie benen Verfahrens kann man durch Aufwand elektrischer Energie die Energie des Arbeits mittels erhöhen. Dies wird erreicht, indem man das Arbeitsmittel im gleichen Sinn mit den elektrischen Kraftlinien strömen lässt, wobei das strömende Arbeitsmittel, unter Vermittlung der positiven Ionen, aus dem elektrischen Feld Arbeit aufnimmt. In die- sein Fall müssen die aus dem Arbeitsmittel herausgeführten Elektronen mit Hilfe einer äussern elektrischen Energiequelle in das Ar beitsmittel zurückgeführt werden.
Bei dem beschriebenen Verfahren be wegen sich die positiven Ionen in der Strö mungsrichtung mit dem Arbeitsmittel ge meinsam, entgegen der Wirkung des elektri schen Feldes und liefern die äussere elektri sche Arbeit. Die sich vor dem Generator stauenden Elektronen gelangen über einen äussern Stromkreis zu den positiven Ionen zurück. Im Arbeitskanal bewegen sich die Elektronen senkrecht zur Richtung der Gas strömung und spielen nur eine kraftübertra gende Rolle. Diesen Zustand veranschau lichen die Fig. 3 und 4.
Fig. 3 zeigt schematisch einen Strömungs kanal mit ringförmigem, das heisst mit zwei fach zusammenhängendem Querschnitt, in welchem die Elektronen infolge der Wirkung des magnetischen Kraftfeldes in der Pfeil richtung kreisen können.
Fig. 4 veranschaulicht einen Strömungs kanal mit einem einfach zusammenhängen den Querschnitt im Längsschnitt, und Fig. 5 zeigt denselben im Querschnitt nach der Schnittlinie<I>A-A.</I>
Die Arbeitsweise dieser Anordnung ist dieselbe wie diejenige in Fig. 1 und 2 an gegebene, jedoch mit dem Unterschiede, dass die Querbewegung der Elektronen im Ar beitskanal nicht durch den ringförmigen Querschnitt des Arbeitskanals, sondern da durch ermöglicht wird, dass die Elektronen an der Seitenwand des Arbeitskanals durch die Elektroden 12a, 12b<B>...</B> aufgefangen und durch je einen äussern Kurzschlusskreis 13a, 13b<B>...</B> zu den emittierenden Elektroden 14a, 14b..., die an der gegenüberliegenden Sei tenwand des Arbeitskanals angeordnet sind, geführt werden.
Durch die Elektroden 12a, 12b<B>...</B> und<I>14a,</I> 14b..., und durch die Kurzseblussleitungen 13a, 13b<B>...</B> wird die selbe Arbeitsweise des Generators für Strö mungskanäle mit einfach zusammenhängen dem Querschnitt ermöglicht, wie es in Fig. 1 und 2 für Strömungskanäle mit ringförmi- gem (zweifach zusammenhängendem) Quer schnitt angegeben wurde.
Die einzelnen Elektronen bewegen sich in der mit den Pfeilen 4 angegebenen Richtung. Der Verlauf der magnetischen Kraftlinien 2 ist aus Fig. 5 ersichtlich.
Im Strömungskanal muss man für die be ständige Erneuerung der Elektronen sorgen; demgegenüber kann der Generator einfacher gebaut werden, und es können sich die Rei bungsverhältnisse des Arbeitsmittels vorteil hafter gestalten.
Im Innern des Generators können auch die durch das magnetische Feld abgelenkten Elektronen zur Leistung elektrischer Arbeit herangezogen werden, wenn man dafür sorgt, dass im Generator ausser den parallel zur Strömungsrichtung des Arbeitsmittels ver laufenden, elektrischen Kraftlinien weitere Kraftlinien entstehen, die mit der Gasströ mung einen Winkel einschliessen und der Bewegung jener Elektronen entgegenwirken, die sich in einer Richtung bewegen, die mit der Strömungsrichtung des Arbeitsmittels einen Winkel einschliesst. Die Elektronen würden ihre Bewegungsenergie bei Bewe gung gegen die Kraftwirkung des letzt genannten elektrischen Kraftfeldes verlieren und könnten deshalb, mangels der notwen digen Geschwindigkeit, entgegen der Wir kung des längsgerichteten Kraftfeldes nicht im Gleichgewicht verbleiben.
Um einen Gleichgewichtszustand aufrechterhalten zu können, fallen die Elektroden in der Rich tung des mit dem Arbeitsmittelstrom gleich gerichteten elektrischen Kraftfeldes und neh men dadurch Energie auf.
Die sich in bezug zur Arbeitsmittelströ- mung in Querrichtung bewegenden Elektro nen können mit Hilfe der Schaltungen gemäss den Fig. 6 und 6a zur Gewinnung elektri schen Stromes herangezogen werden.
Die Fig. 6 und 6a veranschaulichen ebenso wie die Fig. 4 und 5 einen Längsschnitt bezw. einen Querschnitt entsprechend der Linie<I>A-A.</I>
Wenn in die Kurzschlussleitungen 13a, 13b<B>...</B> Widerstände Ra, Rb <B>...</B> (Nutzwider- stände, Energieverbraucher) gelegt werden, so 12b, entsteht 14b ... zwischen eine Spannungsdifferenz, den Elektroden 12a,
14a' zu- folge deren die Elektronen keine reine Quer bewegung mehr ausführen können. Die Elek tronen bewegen sich ausser in Querrichtung auch in der Richtung des Gasstromes. Hier durch nehmen die Elektronen in dem mit der Gasbewegung parallelen, aber mit derselben entgegengesetzt gerichteten elektrischen Feld Energie auf. Diese Energie wird im elektri schen Querfeld in Widerständen Ra, Rb <B>...</B> abgegeben.
Die Elektronen, die in dem auf die Strö mungsrichtung des Arbeitsmittels quer ver laufenden elektrischen Feld Arbeit leisten, treten an dem einen Punkt des Generators in den Arbeitsraum ein, durchlaufen denselben schräg zur Gasströmungsrichtung und treten aus dem Generator wieder aus, so dass sie keine beständigen Bestandteile des Genera- tors bilden.
Die elektrische Arbeitsleistung kann zwi schen den in Längsrichtung strömenden posi tiven Ionen und den in Querrichtung strö menden Elektronen beliebig verteilt werden.
Eine Energieumwandlung mit gutem Wirkungsgrad und vorteilhafter Klemmen- spannung bedingt eine grosse Ladungsdichte. In diesem Falle können sich aber die im Ar beitsmittel überall in gleichen Mengen und in grosser Anzahl vorhandenen positiven Ionen und Elektronen leicht wieder vereini gen und demzufolge die Ionisation verringern.
Dieser durch Rekombination entstehende Verlust an positiven Ionen und freien Elek tronen ist nicht gross, so dass derselbe bei den beim Verfahren anwendbaren Bedingungen keinen namhaften Verlust bedeutet. Die freien Elektronen können aber an einzelne elementare Stoffteilchen haften, wobei auf diese Weise negative Ionen entstehen.
Eine Vereinigung zwischen den negativen Ionen und den positiven Ionen ist wahrscheinlicher, so dass sich demzufolge - insbesondere bei hohen Ladungsdichten -die negativen Ionen mit den positiven Ionen überaus rasch re- kombinieren. Die Entstehung negativer Ionen hängt zumeist von der Art der neutralen elementaren Teilchen des Arbeitsmittels ab. So haben zum Beispiel Edelgase, Metall dämpfe, ferner Stickstoff. nur sehr geringe Neigung, freie Elektronen zu binden. Im Gegensatz hierzu absorbieren die sogenannten elektronegativen Gase, wie z. B.
Chlor, Was serdampf, Sauerstoff, Kohlendioxyd, Elektro nen, sehr leicht, so dass sich in denselben grosse Mengen von negativen Ionen bilden können. Zur Umwandlung der Energie werden ausser den neutralen Arbeitsmittelteilchen nur po sitive Ionen und freie Elektronen benötigt; die negativen Ionen nehmen an der Arbeits leistung nicht teil, sondern neutralisieren nur ebensoviele positive Ionen. Die negativen Ionen können daher grosse Energieverluste verursachen. Wenn sich zum Beispiel gar keine negative Ionen bilden würden, so würde der Ionisationsarbeitsbedarf eines Generators von 30 000 kW Leistung etwa 250 kW betragen.
Die Anwendung elektro negativer Gase als Arbeitsmittel kann unter gewissen Bedingungen (niedrigere Tempera tur, hoher Druck) eine so grosse Menge nega tiver Ionen und demzufolge eine so grosse Menge sich rekombinierender Ionen ergeben, dass nicht einmal die Nutzleistung eines Ge- nerators von 30 000 kW zur Erreichung der notwendigen Ionisation ausreichen würde.
Wegen des schädlichen Einflusses der negativen Ionen wird man daher ein solches Arbeitsmittel wählen, welches keine Neigung zur Bildung negativer Ionen hat. Derartige Arbeitsmittel können aber nur durch die Zu fuhr von äusserer Energie, z. B. von Wärme energie, in Strömung versetzt werden. Aus praktischen Gründen hat es eine überaus grosse Bedeutung, den Generator als Brenn- kraftmaschine auszubilden, wobei die ent stehenden Verbrennungsgase als Arbeitsmit tel des Generators verwendbar sind. Die Ver brennungsgase enthalten aber viele elektro nenabsorbierende Bestandteile, wie z. B. Kohlendioxyd und Wasserdampf. Die Elek tronen vereinigen sich mit den besagten Gas teilchen nur mit sehr geringer Energie zu Ionen.
Diese Vereinigung kann mit hoher Temperatur und niedrigem Druck aufgeho ben werden, wobei die entstehenden nega tiven Ionen zu freien Elektronen und neu tralen Gasmolekülen dissoziieren, bevor noch die Rekombination der positiven und nega tiven Ionen eintreten würde. So sind zum Beispiel auch elektronegative Bestandteile enthaltende Verbrennungsgase von etwa 600 bis 800 C Temperatur und 0,02 bis 0,05 Atm. @ Druck zu dem Verfahren nach der Erfindung bereits mit gutem Wirkungsgrad verwendbar.
Der Druck der Verbrennungs gase ist zweckmässig zwischen 0,1 bis 0,0-1 Atm., und die Temperatur zwischen 500 bis <B>1000</B> C zu halten.
Die elektronegativen Bestandteile können in den Verbrennungsgasen dadurch vermin dert werden, dass man Brennstoffe verwen det, welche beim Verbrennen keinen oder nur wenig Wasserdampf liefern. Solche Brenn stoffe sind zum Beispiel Koks, Holzkohle, Halbkoks. Zum Zwecke der Verringerung des Wasserdampfgehaltes der Verbrennungs gase können die Brennstoffe einer Vortrock- nung und trockener Destillation unterworfen werden, wobei die in denselben befindliche Feuchtigkeit, das Hydratwasser und der dis ponible Wasserstoffgehalt zum grössten Teil ausgetrieben werden.
Der Wasserstoffgehalt der zur Verbrennung verwendeten Luft kann ebenfalls zum Beispiel durch Trocknen, Aus frieren etc. verringert werden.
Die anhand der Fig. 1 und 2 beschrie bene Arbeitsweise des Generators bildet einen idealen Grenzfall, welcher in der Praxis nur mit grösserer oder geringerer Annäherung er reichbar ist. Es wurde zum Beispiel ange nommen, dass sich im Generator die Elektro nen und positiven Ionen nicht rekombinieren, dies kann aber, wie gesagt, nicht vollkommen erreicht werden, und wenn man im Genera tor die Werte der positiven und negativen Ladungsmengen beständig gleichhalten will, muss man für die Ergänzung der Ionen und Elektronen sorgen. Es muss daher ausser der vor dem Eintritt in den.
Generator erfolgen den Ionisierung des Arbeitsmittels noch für eine zusätzliche fonisierung im Arbeitsraum gesorgt werden.
Das Arbeitsmittel kann vor dem Eintritt auf zweierlei Arten ionisiert werden. Es kann dies durch Einführung von Elektronen strahlen oder aber derart erfolgen, dass das Arbeitsmittel durch ein hochgespanntes elek trisches Feld geleitet wird. Es werden dann durch das Zusammenstossen der im Arbeits mittel vorhandenen, beschleunigten Elektro nen und Ionen weitere freie Elektronen und positive Ionen entstehen.
Es ist wichtig, dass die durch Rekombi- nation verschwindenden positiven Ionen und die negativen Elektronen im Arbeitsraum des Generators in gleichmässiger Verteilung ersetzt werden. Dies geschieht jedoch selbst tätig, indem die mit Hilfe der Elektronen strahlen im strömenden Gas konzentriert er- zeuten Ionen und Elektronen zufolge der ungleichen elektrischen Bremswirkung Wir bel erwecken, wodurch die zusätzlichen Ionen und Elektronen gleichmässig verteilt werden.
Die die zusätzliche Ionisierung herbei führenden Elektronenstrahlen besitzen bei praktisch durchführbaren Bedingungen eine freie Weglänge von einigen Metern. In Quer richtung des Generators stehen den Elektro nenstrahlen Weglängen von bloss einigen Dezimetern zur Verfügung. Um die gesamte Energie der Elektronenstrahlen für die Ioni- sierung verwenden zu können, ohne dass die Elektronen an die Wand des Generators sto ssen würden, wodurch dieselben für die Ioni- sierung verloren gehen würden, werden die Elektronenstrahlen in den Generator zur Richtung der magnetischen Kraftlinien unter einem Winkel eingeführt.
Die Elektronen strahlen winden sich um die magnetischen Kraftlinien, so dass die Elektronen ihre volle Energie auf langem Wege auslaufen können, bevor sie an die Wände des Generators stossen.
Die in den Fig. 7 bis 12 beispielsweise dargestellte Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens stellt einen Stromerzeuger dar. In den Verbrennungsraum 20 mündet die Luftleitung 21 und die den Brennstoff füh rende Rohrleitung 22. An den Verbrennungs raum 20 ist weiters der sich nach Art einer Lavalschen Düse verengende und wieder er weiternde Kanal 23 angeschlossen, der sich in dem ebenfalls erweiternden Arbeitskanal 24 fortsetzt. Die Aussenwand 25 des Arbeits kanals 24 besteht aus von einander durch Isolation 25' getrennten Eisenringen 25".
In der neutralen Zone der Magnete befinden sich die aus unmagnetischem Metall bestehenden Ringe 56. Der Arbeitskanal wird von Wick lungen 26, 27 zur Erregung des 'magneti- schen Flusses umgeben, die von einem Eisen mantel 28, 29 umschlossen sind. Die den magnetischen Fluss erregenden Wicklungen, sowie ihre Eisenmäntel sind von der Wand 25 des Arbeitskanals durch den isolierenden Luftspalt 30 getrennt, welcher vom Luft strom zur Kühlung des Arbeitskanals 25 durchspült sind.
Im Innern des Arbeits kanals liegt der Kern 31, welcher aus durch Isolierschichten 31' von einander getrennten Scheiben 31" aus magnetisierbarem Metall besteht. Der Kern<B>21</B> wird von einer Trag vorrichtung gehalten, die am Träger 32 des selben angreift, aus den Armen 33 und 34 besteht und gegenüber der Wärmeausdeh nung nachgiebig und gelenkig befestigt ist.
Der Kern 31 wird durch einen mittleren, so wie durch mehrere nahe zur Oberfläche aus gebildete Kanäle 35 bezw. 36 durchsetzt, die miteinander durch die am obern Ende des Kernes aufgesetzte hoble Metallkappe 37 in Verbindung stehen. Die Metallkappe 37 ist durch die Leitung 38 mit dem Isolator 39 verbunden. Die Leitung 38 ist über die Ver bindungsleitung 40 an den äussern Stromkreis angeschlossen.
Anden Rohrteil 23 schliesst sich die Vor richtung 41 zur Erregung der Elektronen strahlen an, welche mit dem Innenraum 23' des Rohres 23 über die Öffnung 42 in Ver bindung steht. In den Arbeitskanal münden ebenfalls Vorrichtungen, die zusätzliche Elektronen einführen. Eine derselben ist bei 43 angedeutet. Am Ende des Arbeitskanals sind die die Elektronen emittierenden Glüh- kathoden 44 vorgesehen, die mit der Leitung 45 verbunden sind.
An den Arbeitsraum des Generators schliesst sich der Luftkühler 46 und der Was serkühler 47 an, die über die Leitung 48 mit dem Kompressor 49 in Verbindung stehen. Die den elektromagnetischen Fluss führenden Mäntel 28 und 29 sind in je zwei Teile ge teilt und voneinander und vom Maschinen gestell durch die Isolierungen 50 bezw. 50' getrennt. Die einzelnen Mantelteile können ebenfalls isoliert werden. Die aus einzelnen, ringförmigen Elementen bestehende Wand ?5 des Arbeitskanals ist durch Federn 51 belastet und in ihrer Lage festgehalten. Die Wand 20' des Feuerungsraumes 20 ist durch einen Mantel 52 unter Belassung eines Zwi schenraumes 53 umhüllt, wobei dieser Raum mit dem Luftkompressor 54 in Verbindung steht.
Der Kompressor liefert zur Kühlung des Verbrennungsraumes Luft in den Raun 53, welche durch die Leitung 59 in die Lei tung 21 gelangt. Die Wand 20' des Verbren nungsraumes ist an der Aussenseite mit Kühl rippen 55 versehen. Die Austrittenden 3ä' der Kühlkanäle 36 sind mit dem Kompres sor 54 in einer, in der Zeichnung nicht dar gestellten Weise verbunden.
Die Einrichtung arbeitet wie folgt: In den Verbrennungsraum 20 wird über die Brennstoffzuführung \?\? 01 oder Kohlen staub geblasen, welcher Brennstoff mit der durch die Leitung 21 eingeführten vorge wärmten Luft verbrannt wird. Die Verbren nungsprodukte hoher Temperatur und hohen Druckes gelangen in der Richtung des Pfeils 57 in die im Querschnitt sich zuerst verjün gende und dann sich erweiternde Lavalsche Düse, wo sie unter Druck- und der Tempera turverringerung adiabatisch expandieren, so dass ein grosser Teil der Wärmeenergie der Gasmenge zu Beginn des magnetischen Fel des in Form gerichteter kinetischer Energie zugegen ist.
Bei Betätigung des Generators werden die Elektromagnete 26 und 27 erregt, wobei sich der magnetische Fluss 58 durch den Kern 31 schliessend den Arbeitsraum 24 des Generators durchsetzt. Aus der Elektro nenstrahlen erregenden Vorrichtung 41 ge langen über die Öffnung 42 in den Raum 23' Elektronen mit grosser Geschwindigkeit, stossen an die strömenden Verbrennungsgas moleküle und erzeugen grosse Mengen posi tiver Ionen und Elektronen. In dem ioni sierten, in den Generatorraum 24 des Ar beitskanals gelangenden Gasstrom staut sich infolge der Wirkung des magnetischen Fel des in dem um die Kappe 37 liegenden Raum eine Elektronenwolke auf.
Der aus dem Ge- neratorraum austretende Gasstrom bildet in gleicher Höhe mit den Kathoden 44 eine positive Innenwolke. Wird der negative Pol 37 mit dem positiven Pol 44 über den Strom kreis 38, 40 bis 45 und den Nutzwiderstand R geschlossen, so strömen die Elektronen aus dem den Pol 37 umgebenden Raum über die Glühkathode 44 zur Neutralisierung der positiven Ionen in das Arbeitsmittel. Die auf diese Weise im äussern Stromkreis erhal tene elektrische Energie kann zur Arbeits leistung herangezogen werden.
Im Verbrennungsraum der beschriebenen Einrichtung kann zweckmässig bei einer Temperatur von 1500 bis 2000' C und bei einem Überdruck von 6 bis 15 Atm. gearbei tet werden, wobei am Ende der Lavalschen Düse 23 die Geschwindigkeit der Gase 2000 bis 2200 m%Sek., die Temperatur 600 bis 700 C und der Druck 0,02 bis 0,05 Atm. betragen können.
Die mit dem negativen Pol 37 verbundene Leitung 38 kann nicht nur zur Ableitung der Elektronen, sondern auch dazu benützt werden, um die einzelnen Bestandteile des aus ringförmigen Elementen zusammen gesetzten Kernes 31 zusammenzuhalten. Die mit der Kappe 3 7 verbundene Leitung 38 dient auch dazu, die zwischen der Kappe und dem Isolierträger angeordneten Schei ben 31', 31" zusammenzuhalten.
Im Raum 53 wird zweckmässig ein ähn licher Druck aufrechterhalten, wie im Feue- rungsraum 20, so dass auf diese Weise die einer hohen Temperatur ausgesetzten Feuere raumwände 20' von den mechanischen Be- anspruchungen des innern Druckes entlastet werden.
Bei der beschriebenen Ausführungsform werden zwei Elektromagnete verwendet, diP miteinander nicht gehoppelt sind und ge schlossene magnetische Flüsse erregen. Die Wicklungen 26 und 37 umschliessenden, die magnetischen Flüsse führenden Eisenmäntel 28 und 29 werden aus je zwei Teilen zusam mengesetzt, die ungleichgrosse Querschnitte haben, so dass sie sich an die Wand des Ar beitskanals mit verschieden grossen Polflä chen anschliessen. Den verschieden grossen Polflächen entsprechend werden auch die den Arbeitskanal durchsetzenden magnetischen Feldstärken verschieden sein. Durch diese Abstufung der magnetischen Feldstärke kann das magnetische Feld zum Zwecke der Er reichung eines guten Wirkungsgrades dem für die Strömung vorteilhaften Querschnitt des Kanals angepasst werden.
Aus der be schriebenen Ausführung geht hervor, dass der Arbeitskanal am Anfang desselben - dort, wo die Geschwindigkeit des Gasstromes am höchsten ist - vom stärkeren Feld durch setzt ist, während an dem von einem Gas strom geringerer Geschwindigkeit durchsetz ten Teil des Arbeitskanals geringere magne tische Feldstärke herrscht.
Die in den einzelnen magnetischen Ab schnitten erregten elektrischen Teilfelder sind verschieden gross, desgleichen die durch die einzelnen Teilabschnitte erregten Teil spannungen, wodurch es möglich wird, dem Kanal eine strömungstechnisch vorteilhafte Form zu verleihen.
Die aus dem Arbeitsraum des Generators herausströmenden, bereits neutralisierten Verbrennungsprodukte gelangen in den Luft kühler 46, in den Wasserkühler 47, in den Verdichter 49 und von dort in die Atmo sphäre. Der in den Luftkühlern geführte Kühlluftstrom kann durch den Kühlraum des Generators oder den Kühlraum des Ver brennungsraumes vorgewärmt und verdichtet und zum .Beispiel über die Leitung 59 in den Verbrennungsraum geleitet werden. Bei der beschriebenen Einrichtung ver brennen die Brennstoffe im Feuerraum 20 vollständig und die entstehende Wärme- und Druckenergie wird in dem Rohr<B>23</B> in Strö mungsenergie umgewandelt.
In gewissen Fällen ist es vorteilhaft, wenn die Verbren nung isothermisch geleitet wird, also wenn man während des Verbrennens Wärmeener gie unmittelbar in Geschwindigkeitsenergie umwandelt.
Dies ist erreichbar, wenn der Verbrennungsraum bezw. der der Lavalschen Düse zugekehrte Teil desselben derart aus gebildet wird, dass der Rauminhalt des Roh res zwischen zwei beliebigen Querschnitten desselben zur Erzeugung einer so hohen Ver brennungswärme genügt, als die Differenz der Bewegungsenergie des Arbeitsmittels zwischen den beiden Querschnitten beträgt.
Auf praktischem Wege erzielt man dies da durch, dass man denjenigen Teil der Laval- schen Düse, welcher zwischen dem kleinsten Querschnitt desselben und dem Feuerraum liegt, länger ausführt. Der Energiegehalt der Verbrennungsprodukte wird auf diese Weise zuerst durch isotbermische Verbren nung und dann anschliessend durch adiabati- sche Expansion in gerichtete kinetische Ener gie der elementaren Gasteilchen umgewan delt.
Die Leistung des Generators kann durch Einstellung der Brennstoffzufuhr, sowie der zur Verbrennung notwendigen Luft geregelt werden, so dass die Zusammensetzung und daher auch der spezifische Wärmeinhalt des Gases sich nicht ändert. Da die Menge des in der Zeiteinheit durch die Lavalsche Düse strömenden Gases bei gleicher Temperatur praktisch wesentlich nur eine Funktion des vor dem Rohr herrschenden Druckes ist, kann die in den Generator eingeführte Wärme menge durch Änderung des Druckes im Feuerungsraum geregelt werden.
Bei geän derter Leistung ändert sich also die Tem peratur und Geschwindigkeit des Gases im Generator nicht; der Druck im Feuerraum kann durch Erhöhung der Drehzahl des Luftkompressors 54 erhöht werden. Die Drehzahl des Vakuumkompressors 49 wird bei höherem Betriebsdruck, also bei höherer Leistung, verringert, da man in diesem Falle eine kleinere Druckdifferenz zu erzeugen hat, um das Gas auf atmosphärischen Druck komprimieren zu können.
Die Regelung der Klemmenspannung auf einem beständigen Wert kann durch propor tionale Änderung der Stromstärke mit der Leistung, also durch proportionale Einstel lung der Leistung des ionisierenden Elektro nenstrahls erreicht werden, da sich die Gas geschwindigkeit in der Maschine bei verän derlicher Belastung nicht ändert.
Zur selbsttätigen Regelung der lonis:e- rung kann man die Ausströmungsgeschwin- digkeit der Gase am Ende des Generator- kanals, das heisst in der Höhe der Kathode 44, bezw. die Änderung derselben und son stige hiermit zusammenhängende Vorgänge, z. B. Druckänderung, Änderung des elektri schen Feldes und zur selbsttätigen Regelung der Brennstoffzufuhr. die Klemmenspannung verwenden. Durch eine derartige selbsttätige Regelung dieser Werte passt sich die Lei stung der Maschine bei unveränderter Klem menspannung den jeweiligen Anforderungen selbsttätig an.
Bei verringerter Belastung kann die magnetische Feldstärke in gleichem Sinn mit der Belastung verringert werden, um ein geringeres Sinken des Wirkungsgra des zu erzielen.
Der kalorische Kreislauf der beschrie benen Einrichtung entspricht vollkommen dem thermodynamischen Kreislauf, bei wel chem aus Wärme mechanische Energie er zeugt wird. Für diese Energie umwandelnde Einrichtung ist es kennzeichnend. dass wäh rend bei den bisher gebräuchlichen Maschi nen. z. B. Dampfturbinen, Motoren, die Ener gie unter Vermittlung sich bewegender Ma schienteile umgewandelt wurde, im Sinne der Erfindung die Energieumwandlung ohne Vermittlung solcher sich bewegender Ma- chinenteile, unmittelbar in elektrische Ener gie erfolgt.
Der untere Teil des Generators. bezw. die mit dem positiven Pol verbundene Leitung, kann über die Leitung 60 geerdet werden. Wenn man zwei oder mehrere Genera toren in Reihe zu schalten wünscht, so bleibt diese Erdung fort und die metallischen Be standteile des Generatorarbeitsraumes wer den vom Kühler 46 und den Tragteilen iso liert. In diesem Falle wird der positive Pol des Generators mit dem negativen Pol des nächsten Generators verbunden.
Als Beispiel sei ein Generator angegeben, welcher nach der beschriebenen Weise mit aus einer Kohlenstaub- oder Ölfeuerung ge wonnenen Verbrennungsgasen arbeitet und auf 33 000 kW bemessen ist.
Die kennzeichnenden Daten dieses Gene- rators sind die folgenden: Im Feuerungsraum 30 herrscht ein Druck von 13,6 Atm. abs., die Temperatur beträgt 2000 C. Die Ver brennungsprodukte enthalten 101o5 Wasser dampf.
Die Verbrennungsgase besitzen beim Eintritt in das magnetische Feld, an der Eintrittsstelle mit einem Querschnitt von 0,565 m eine Temperatur von<B>600'</B> C und einen Druck von 0,043 Atm. Ihre Strömungs geschwindigkeit beträgt an dieser Stelle 2195 in/Sek. An der Eintrittstelle hat die magnetische Feldstärke eine Grösse von <B>1,065.</B> 10--4 Volt/Sek.'em' und eine elektri sche Feldstärke von 31,6 Volt; cm.
Die spezifische Leistung des Arbeitsrau mes ist 31,6 kW!dm".
Der Wirkungsgrad der Umwandlung der mechanischen Arbeit zu elektrischer Energie beträgt<B>85,2%.</B>
Zur Erzeugung der notwendigen Ionisa tion durch Elektronenstrahlen ist eine Lei stung von 250 kUr aufzuwenden.
An der Austrittstelle 44 aus dem mag netischen Feld des Generators ergeben sich folgende Daten: Temperatur 700 C; Druck 0,0234 Atm.; Geschwindigkeit 350 in./Sek.
Der Austrittsquerschnitt beträgt dabei 7,25 m2.
Die elektrische Feldstärke ist 6,9 Volt/cm, die magnetische Feldstärke 0,379. 10--4 Volt!Sek.jem2. Der Wirkungsgrad beträgt 89,1 %.
Bei Umwandlung der kalorischen Ener gie des Brennstoffes in elektrische Energie ergibt sich ein Gesamtwirkungsgrad von J2.5%.
In der oben beschriebenen Einrichtung wurde als Arbeitsmittel Verbrennungsgas an genommen. Der Generator kann aber auch in der Weise betätigt werden, dass statt dem Feuerungsraum 20 ein von aussen beheizter Kessel angewendet wird. In diesem wird Dampf erzeugt, welcher in das Rohr 23 ein geführt und zur Erzeugung elektrischer Energie nutzbar gemacht wird. Der aus dem Arbeitskanal austretende Dampf wird in Kühlern kondensiert und fortlaufend zwecks neuerer Arbeitsleistung dem Heizkessel zu geführt. Bei diesem Verfahren werden Ver dichter nicht benötigt.
Bei äusserer Feuerung sind nicht nur in Dampfform überführbare Stoffe, sondern auch permanente Gase, so z. B. Edelgase, als Arbeitsmittel verwendbar. In diesem Falle sind Verdichter notwendig.
Als Arbeitsmittel können auch Gase ver wendet werden, welche feste Stoffteilchen von suspensionaler Grössenordnung enthalten, wie z. B. Rauch, deren Teilchen auf hohe Temperaturen erhitzt Elektronen emittieren und selbst positive Ladung erhalten. In die sem Falle erübrigt sich eventuell eine äussere Ionisierung des Gasstromes, so dass die be schriebene, die Elektronenstrahlen erzeu gende Vorrichtung 41 auch wegfallen kann.
Statt der thermischen Elektronenemission (Kathoden 44) kann man auch andere be kannte Elektronen ausstrahlende Vorrichtun gen verwenden.
Der oben beschriebene Generator kann auch so ausgebildet werden, dass die das mag netische Feld erregenden Wicklungen nicht nur ausserhalb des Arbeitskanals, sondern auch innerhalb desselben liegen. Diese An ordnung ist in Abb. 9 schematisch darge stellt.
Eine beispielsweise, Ausführung der Ein richtung zur Erzeugung von Elektronen strahlen ist in den Fig. 10 bis 12 dargestellt. In der Röhre 101 befindet sich die Kathode 102, welche gegenüber der Anode 103 an geordnet ist. Die Wand der Anode ist durch eine Öffnung 104 durchgebrochen. An die Röhre 101 ist die Kammer 106 angeschlos sen, deren Innenraum<B>107</B> mit dem Raum 105 der Röhre 101 über die Öffnung 104 in Verbindung steht. Die Kammer 106 ist mit dem Raum 23' der Lavalschen Düse über die Öffnungen<B>109</B> verbunden.
Die Kammer 106 steht über das Rohr 110 mit der Luftpumpe 111 in Verbindung, während die Kammer 105 über die Leitung 112 mit der Luftpumpe 113 in Verbindung steht. Die beiden Luft pumpen sind durch das Rohr 114 miteinan der in Reihe geschaltet. Das Rohr 101 wird von der Magnetwicklung 116 umgeben, wel che zum Richten bezw. zum Konzentrieren der Elektronenstrahlen dient. Die Glüh- kathode 102, sowie die Anode 103 werden an hochgespannten Gleichstrom angeschlos sen.
Von der Glühkathode 102 tritt ein Elek tronenstrahlenbündel mit grosser Geschwin digkeit durch die Öffnung 102' gegen die Anode. Dieses Elektronenbündel wird durch den Elektromagneten 116 auf die Öffnung 104 konzentriert. Die von der Kathode aus gehenden Elektronen treten also in gerader Richtung durch die Öffnung 104, ferner durch die mit der letzteren in einer Geraden liegenden Öffnung 109 hindurch und gelan gen in den mit Arbeitsmittel durchsetzten Innenraum 23' des Generators.
Das in die Räume 107 bezw. 105 gelangende Arbeits mittel wird durch die Vakuumpumpen 111 und 112 abgesaugt und über die Leitung 115 wieder in den Arbeitskanal des Generators zurückgeführt. Durch die Anwendung der Vorkammer erreicht man in der Röhre 101 ein zur Erzeugung von Elektronenstrahlen genügend hohes Vakuum.
Die Fig. 11 und 12 weichen von der Ein richtung nach Fig. 10 dem Wesen nach nur darin ab, dass statt Luftpumpen Diffusions pumpen verwendet werden. Der mit 106 be zeichneten Vorkammer der Fig. 10 entspricht in Fig. 11 die Vorkammer 117, welche als ein Bestandteil der Diffusionsvakuumpumpe ausgebildet ist. Im untern Teil der Kammer 117 sammelt sich die dampfbildende Flüssig keit 118 an, durch deren Sieden in der Rich tung des Pfeils 119 ein Dampfstrom erzeugt wird. Am obern Teil der Kammer 117 be findet sich der Kühler 120.
Die Leitunis 121 führt zur Vakuumpumpe, welche die mit dein Dampfstrom mitgerissenen, nichtkonden sierenden, aus dem Arbeitsraum des Ge- nerators stammenden Arbeitsniittelteilchen, zweckmässig in der vorher beschriebenen Weise, in den Arbeitskanal des Generators zurückführt. Die in das Innere der Elektro nenröhre gelangenden Dämpfe werden durch den Kühler 122 verflüssigt. Der verflüssigte Stoff gelangt über die Leitung 123 in den unter Teil der Kammer 117.
Bei der Einrichtung nach Fig. 1 \? werden die Dämpfe der Diffusionspumpe im Siede raum 124 erzeugt. Diese Dämpfe strömen in der Richtung des Pfeils 125 in die Vorkam mer 126 und wirken dort in der Richtung des Pfeils 127 dem einströmenden Arbeits mittel entgegen. Die Richtung des einströ menden Arbeitsmittels deuten die Pfeile 128 an. Bei dieser Anordnung ist die Anode 103 kegelig ausgebildet.
Die Diffusionsvakuumpumpe kann zum Beispiel mit Quecksilberdampf, Öldampf be tätigt werden.
Die Elektronenstrahlen erzeugende Vor richtung kann auch mit mehreren miteinan der in Reihe geschalteten Vorkammern ver sehen werden. In diesem Falle ist ein höheres Vakuum erzielbar.