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Verwendung von endotherm dissozüerbaren Metallhydriden als Kühlmittel
Zur Kühlung von Kernreaktoren ist bereits ein gasförmiges Kühlmittel bekannt, das
aus im Bereich der Arbeitstemperatur merklich dissoziierenden Gasen besteht. Bei
der Dissoziation solcher mehratomiger Gase wird Energie umgesetzt, wobei unter erheblicher
Vergrößerung der Molwärme die Wärmekapazität pro Mol und Grad erhöht wird. Bei dieser
Dissoziation im Bereich der Arbeitstemperatur wird Wärme aufgenommen und damit der
zu kühlende Gegenstand, wie der Kernreaktor, gekühlt.
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Zur Kühlung von Raketen wurde bereits vorgeschlagen, diese mit einer
Masse zu überziehen, die bei ansteigender Temperatur chemisch dissoziiert und somit
die Temperatur unter der zulässigen Grenze hält. Der Vorschlag gibt aber keine weiteren
Einzelheiten für die Art der zu verwendenden Masse.
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Es ist auch bekannt, statt des bei Verbrennungsmotoren z. B. fast
ausschließlich verwendeten Wassers als Kühlmittel Flüssigkeiten mit hohem Leitvermögen,
wie flüssige Metalle, Quecksilber und Kaliumlegierungen, zu verwenden.
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Gegenüber diesem Stand der Technik werden durch die Erfindung Vorteile
dadurch erzielt, daß als Kühlmittel endotherm dissoziierbare Metallhydride verwendet
werden, wie Alkali- oder Erdalkalihydride, oder eine Mischung derselben mit flüssigem
Natrium oder Kalium bzw. einer flüssigen Natrium-Kalium-Legierung.
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Als besonders vorteilhaftes Beispiel sei die Verwendung von Lithiumhydrid
genannt, das bei Dissoziation 4800 Wärmeeinheiten pro Gewichtseinheit aufnimmt,
wenn man vergleichsweise die beim Verdampfen von Wasser aufgenommene Wärme mit 1000
ansetzt. Bei der Dissoziation von N204 in NO und 021 wie es der bekannte Vorschlag
zur Kühlung von Kernreaktoren lehrt, wird die dagegen nur niedrige Wärmemenge von
790 Einheiten aufgenommen.
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Bei diesem Verfahren unter Verwendung von Stickstofftetroxyd ist sowohl
das zugeführte Stickstofftetroxyd als auch nach der Dissoziation das entstandene
Stickstoffmonoxyd als auch der entstehende Sauerstoff gasförmig. Eine glatte und
verlustlose Trennung des bereits dissoziierten Stickstoffmonoxyds und Sauerstoffs
von dem noch nicht dissoziierten Stickstofftetroxyd ist mit großen Schwierigkeiten
verbunden, so daß bei Verwendung des Kühlmittels in geschlossenem Kreislauf nicht
mit dem theoretisch höchsterreichbaren Wirkungsgrad gearbeitet wird oder starke
Stickstofftetroxydverluste auftreten. Auf der anderen Seite ändern die nach der
Erfindung verwendeten Verbindungen bei der Dissoziation ihren Aggregatzustand, so
daß sie einfach getrennt und rückgeführt werden können.
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Allgemein gilt, daß die Dissoziationswärme über der Verdampfungswärme
liegt. Bei Verwendung der mit der Erfindung vorgeschlagenen Verbindungen reichen
daher geringere Kühlmittelmengen aus. Dies führt zu niedrigeren Gewichten, was besonders
bei Anwendung in Flugkörpern von Vorteil ist.
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Zusätzlich zu den bereits genannten Metallhydriden seien als für die
Erfindung geeignet noch ionische Hydride und besonders Alkali- und Erdalkalihydride,
wie Lithiumhydrid, Kaliumhydrid, Natriumhydrid, Caesiumhydrid, Kalziumhydrid u.
dgl., genannt. Für Kühlanlagen an Flugkörpern wird Lithiumhydrid wegen seines niedrigen
Molekulargewichtes bevorzugt. Es empfiehlt sich auch für diesen Zweck wegen seines
sehr niedrigen Dampfdruckes, so daß für die Behandlung der Lithiumkomponente keine
besonderen Einrichtungen erforderlich werden.
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Es lassen sich auch mehrere dissoziierende Verbindungen zu einem Kühlmittel
zusammensetzen. Besonders vorteilhaft ist auch eine Mischung aus einem flüssigen
Metall und einem Hydrid. Dies ist dann besonders bedeutsam, wenn das Hydrid ohne
Schmelzen dissoziiert, was für viele der üblichen Hydride charaksteristisch ist.
Durch das flüssige Metall wird die Wärmeleitfähigkeit des Kühlmittels erhöht, da
die Wärmeübertragung von einer Flüssigkeit auf einen Festkörper mit größerem Wirkungsgrad
als von einem
Festkörper auf einen anderen Festkörper vor sich geht.
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Als Metalle eignen sich die Alkalimetalle, wie Natrium, Kalium, Rubidium,
Mischungen und Legierungen. Bei bei Raumtemperatur flüssigem Metall wird eine Lösung
oder Suspension des Hydrides in dem Metall verwendet. Bei bei Raumtemperatur festem
Metall wird das Metall verflüssigt und das Hydrid hineingegeben. Anschließend läßt
man das ganze zur weiteren Verwendung erstarren.
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Ein erfindungsgemäß zusammengesetztes Kühlmittel besteht aus 7 Teilen
Lithiumhydrid, das in 10 Teilen einer Natrium-Kalium-Legierung dispergiert ist.
Die Natrium-Kalium-Legierung wird mit so viel Lithiumhydrid oder anderen Hydriden
versetzt, wie es die Anwendung erfordert. Ist eine Lösung erwünscht, werden auf
1 Teil Legierung etwa 5 bis 8 Teile Lithiumhydrid gegeben. Zum Erzielen von breiartigen
Lösungen wird der Anteil des Hydrides gesteigert.
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Die Dissoziationstemperatur der Metallhydride schwankt in weitem Bereich.
Zum Beispiel dissoziiert Kaliumhydrid unterhalb der Raumtemperatur bei normalem
Druck, während Lithiumhydrid erst bei 850 bis 870° C dissoziiert. Ebenso schwankt
die Dissoziationswärme von Hydrid zu Hydrid.
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Für einen Betrieb mit hohen Temperaturen wird man daher Hydride mit
einer hohen Dissoziationstemperatur wählen, während man Hydride mit hohen Dissoziationswärmen
verwenden wird, wenn das. Gewicht des Kühlmittels wichtig ist.
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Der Vorteil der Anwendung der endothermen Dissoziationswärme ergibt
sich bei einer Betrachtung der folgenden Zahlen:
| Verbindung Endprodukt Temperatur Wärmespeicherung |
| (° C) |
| (Kcal/kg) |
| 1 LiH (fest) H2, Li (gasförmig) 870 8150 |
| 2 Li (fest) Li (gasförmig) - 5560 |
| 3 LiH (fest) 112, Li (flüssig) 870 4080 |
| 4 LiH (fest) LiH (flüssig) 850 1540 bis 1660 |
| 5 Li (fest) Li (flüssig) 850 920 |
| 6 NaK (flüssig bei 14° C) NaK (flüssig) 850 202 |
| 7 Na (flüssig) Na (gasförmig) 850 1510 |
Zur Erläuterung der Tabelle sei zu den in Zeile 1 genannten Zahlen das Folgende
gesagt: Das, bei Raumtemperatur feste Lithiumhydrid hat sich bei der Temperatur
von 870° C in H2 und Li gespalten, wobei eine Wärmemenge entsprechend von 8150 kcal/kg
aufgenommen wurde.
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Es ergibt sich aus den Zahlen, daß die Wärmeaufnahme bei der Umwandlung
von Lithium aus dem festen in den gasförmigen Zustand und bei der Ümwandlung von
Lithiumhydrid aus dem festen Zustand in gasförmiges Lithium und Wasserstoff wesentlich
höher als in irgendeinem der anderen Fälle ist. In einem besonders zweckmäßigen
Fall 3 wird Litbiumhydrid in Wasserstoff und flüssiges Liihium zersetzt. Aus den
Daten kann man dazu entnehmen, daß hierbei 4080 kcal/kg aufgenommen werden. Beim
Vergleich der unter 4 mit den unter 3 gegebenen Daten kann man feststellen, daß
der Dissoziationswärme des Lithiumhydrids etwa 2220 kcal/kg zugesprochen werden
können. Für Vergleichszwecke sei darauf hingewiesen, daß die Verdampfungswärme von
Natrium in der Größenordnung von 1000 kcal/kg liegt, während die Verdampfungswärme
der meisten anderen Metalle wesentlich unter dem Wert für Natrium liegt, z. B. bei
lediglich 20 bis 50 °/o des Wertes für Natrium.
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Bei der Anwendung wird das Hydrid in eine Kühlkammer gegeben. Bei
Erwärmung des zu kühlenden Gegenstandes wird die Wärme auf das Kül-lmittel übertragen,
das die Wärme aufnimmt und dabei dissoziiert. Die Kühlung läßt sich dann nur durch
Erwärmung und gleichzeitige Verdampfung des Kühlmittels fortsetzen.
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Zum Aufbau einer Kühlanlage mit der erfindungsgemäßen Verwendung von
Metallhydriden sind der gewünschte Temperaturbereich des zu kühlenden Gegenstandes,
die von ihm erzeugte Wärme, die Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität des Kühlmittels
vorauszuberechnen. Zu beachten ist dabei, daß die Dissoziationstemperatur des Metallhydrides
eine Funktion des Druckes ist. Hierdurch ergibt sich ein gewisser Spielraum, da
sich die Dissoziationstemperatur durch Verändern des Betriebsdruckes beeinflussen
läßt.