Antriebsaggregat zum aussenluftunabhängigen Verbrennen von Treibstoffkombinationen

Abstract

 Antriebsaggregat mit aussentuftunabhängiger Verbrennung von Treibstoffkombinationen, insbesondere für den Unterwassereinsatz. Als Brennstoff ist ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen und Alkalimetallhydriden in pastösem und pumpfähigem Zustand, vorgesehen, während für den Oxidator ein Alkalimetallchlorat oder - perchlorat eingesetzt ist, das durch Zugabe von Wasser zu einer förderbaren, hochkonzentrierten, sauerstoffabgebenden Lösung gemischt ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Antriebsaggregat zum außenluftunabhängigen Verbrennen von Treibstoffkombinationen, insbesondere für den Unterwassereinsatz.

[0002] Für den Antrieb von Unterwasserfahrzeugen ist es bekannt, Elektro- und Pumpenstrahlantriebe, aber auch außenluftunabhängige Verbrennungs- oder Reaktionsantriebe einzusetzen. So zeigt zum Beispiel die DE-OS 24 59 556 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.

[0003] 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-AS 21 27 046 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.

[0004] 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 Anpruchs 1 gelöst.

[0005] 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.

[0006] 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.

[0007] Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Ansprüchen 5 bis 9 zu entnehmen.

[0008] Die Erfindung wird durch ein in der Zeichnung dargestelltes Ausführungsbeispiel näher erläutert.

[0009] Wie die Prinzipdarstellung des abgebildeten Ausführungsbeispiels zeigt, besteht das erfindungsgemäße Antriebsaggregat aus einer Reaktionskammer 1, deren Kühlsystem eine Verdampferzone, einen Oberhitzer 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 4 der 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.

[0010] 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 hier bei 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.

[0011] Die Reaktion in der Reaktionskammer läuft, wie auch in der Zeichnung dargestellt, bei einem Brennstoffgemisch Kohlenwasserstoffe/Alkalimetallhydrid und wässrriger Metall-(per-)chloradlösung als Oxidator wie folgt ab:

[0012] 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.

[0013] 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.

[0014] 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.

[0015] 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.

[0016] Neben den zuvor geschilderten Möglichkeiten kann es auch sinnvoll sein, die Reaktionsprodukte blasenfrei ins Außenwasser, insbesondere bei Unterwassereinsätzen, abzupumpen.

[0017] 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.

Ansprüche

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.

Zeichnung