DE1292712B

DE1292712B - Einrichtung zur direkten Umwandlung thermischer in elektrische Energie

Info

Publication number: DE1292712B
Application number: DES71860A
Authority: DE
Inventors: Guenther; Haenlein; Dr Karl-Georg; Dr Walter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1960-12-29
Filing date: 1960-12-29
Publication date: 1969-04-17
Also published as: DE1414630A1; DE1414630B2; US3120621A; GB987464A; GB971759A; US3176166A

Description

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Für die Umwandlung von thermischer in elektrische abgegebenen Nutzspannung. Diese kann durch den Energie sind schon verschiedenartige thermoelektro- Anteil des Metalldampfzusatzes des Treibgases und/ nische und thermionische Energiewandler vorgeschla- oder die Temperatur der Kontaktionisationselektrode gen worden. Diese sind zum Teil diodenähnliche beeinflußt werden. Als Treibgas kann dabei ein kon-Gefäße, die evakuiert und mit geringen Mengen Gas 5 densierbarer Dampf dienen. Diese Einrichtung zur oder Dampf gefüllt sind. Dabei wird die flächenhafte direkten Umwandlung thermischer in elektrische Kathode von der zu konvertierenden thermischen Energie erzeugt normalerweise eine Gleichspannung, Energie erhitzt. Andere Energiekonvertoren verwen- jedoch kann auch eine Wechselspannung entnommen den die thermische Ionisierung eines aufgeheizten werden, wenn Einrichtungen zur periodischen GeGases; dieses Gas strömt dann mit hoher Geschwin- io schwindigkeitsänderung des Gemisches vorgesehen digkeit durch ein Magnetfeld, wobei die Ladungen sind. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades dieser Eingetrennt und mit Kollektoren abgenommen werden. richtung ist es zweckmäßig, den Wärmeinhalt des Hierbei sind jedoch Gastemperaturen von 2000° C elektrisch entladenen Gemisches einem zweiten, mit und mehr erforderlich, was gewisse konstruktive niedrigerer Temperatur arbeitenden Energiewandler Schwierigkeiten für die Ausführung solcher Genera- 15 oder anderen Wärmekraftmaschinen zuzuführen. Die toren ergibt. Kondensation des Treibdampfes oder die Abkühlung

Es sind weiterhin Einrichtungen bekanntgeworden des Treibgases wird im allgemeinen durch Kühlflüssig-(siehe deutsche Patentschrift 831572 und USA.- keiten, beispielsweise Kühlwasser, erfolgen. Es kön-Patentschrift 2 510 397), die dem eingangs genannten nen aber nach dieser Erfindung auch Kühleinrichtunthermionischen Energiewandler ähneln. Dort wird 20 gen ohne Kühlflüssigkeit, wie z. B. Thermoelemente Caesiumdampf zur Bildung von Ionen benützt, die vorgesehen sein, vorzugsweise so, daß die von ihnen den Stromtransport zwischen den beiden Elektroden aufgenommene Energie thermoelektrisch zurückunterschiedlicher Elektronenaustrittsarbeit besorgen. gewonnen werden kann.

Nachteilig für diese Einrichtung sind die engen Elek- In der Figur wird ein Ausführungsbeispiel nach der

trodenabstände und die niedrige erzielbare Spannung, 25 Erfindung in ganz allgemeiner Form gezeigt. In dem die in der Größenordnung von 1 Volt liegt. Kessel 1 wird das Gas-Dampf-Gemisch durch einen

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung Ofen 2, der durch die zu konvertierende Wärme bezur direkten Umwandlung thermischer in elektrische heizt ist, erhitzt. An den Kessel 1 ist eine metallische Energie unter Verwendung der Kontaktionisation von Düse 3 angesetzt. Das Material für die Düse hat eine unter niedrigem Druck stehenden Metalldämpfern an 30 hohe Austrittsarbeit, die größer ist als die Ionisiezwei voneinander elektrisch isolierten, beheizten me- rungsarbeit des zu ionisierenden Metallzusatzes. Getallischen Elektroden, wobei die Elektronenaustritts- eignet ist beispielsweise Wolfram, Tantal oder Moarbeit der einen Elektrode größer ist als jene der lybdän. An diese Düse schließt sich ein weiterer anderen und die Ionisierungsarbeit des Metalldampfes kesselartiger Raum 4 an. Ein Teil seiner Zylinderdazwischen liegt. Erfindungsgemäß sind die Elektro- 35 fläche besteht aus einer Isolierhülse 5. Den Abschluß den in einen geschlossenen Kreislauf eines hoch- des kesselartigen Raumes 4 bildet die Elektrode 6, an erhitzten Treibgases oder -dampfes hoher Geschwin- der sich die Ionen entladen. Das Material für die digkeit eingeschaltet und ist diesem Treibgas oder Elektrode soll — im Gegensatz zur Düse — eine Treibdampf der Dampf des Metalls kleiner Ionisie- kleinere Austrittsarbeit als die Ionisierungsarbeit des rungsarbeit zugesetzt. Dieses Metall soll vorzugsweise 4° Metallzusatzes haben; das kann durch den Werkstoff der ersten Gruppe des periodischen Systems ange- selbst oder durch auf ihm befindliche Adsorptionshören. Mit dieser Einrichtung werden viele der schichten erreicht sein. Von dem engen Ende der Schwierigkeiten der eingangs erwähnten Anordnun- trichterförmigen Elektrode ausgehend ist der Kreisgen vermieden, sie hat darüber hinaus den großen lauf des Treibgases oder Treibdampfes geschlossen Vorteil, daß mit ihr wesentlich größere Nutzspannun- 45 über ein Isolierrohr I₁ einen Kühler 8, einen Komgen verfügbar sind und somit also eine direkte pressor 9 und eventuell einen Vorerhitzer 10, der Speisung von Verbrauchern, ohne transformierende ebenfalls mittels der konvertierenden Wärme erhitzt Zwischenglieder, möglich ist. wird. An der metallischen Düse 3 und der Elektrode 6

Bei dieser neuen Einrichtung wird der zugesetzte sind Zuleitungen 11 und 12 mit Klemmen angebracht; Metalldampf zunächst an der einen Elektrode kon- 50 an ihnen wird die elektrische Energie dem Energietaktionisiert und die sich bildenden Ionen durch das wandler entnommen.

Treibgas oder den Treibdampf zur anderen Elektrode Anschließend ist die Wirkungsweise des Energietransportiert, wo sich Ionen entladen, so daß zwischen wandlers dargestellt:

beiden Elektroden ein erheblicher Potentialunter- Durch die zu konvertierende Wärme, beispielsweise

schied entsteht. Die Einrichtung kann so aufgebaut 55 einer Gasflamme, wird das im Kessel 1 befindliche sein, daß die zur Kontaktionisierung dienende Elek- Metall-Dampf-Gemisch erwärmt. Das vorerhitzte Gas trode durch die zu konvertierende Wärme direkt und wird im Kontakt mit der Düsenwandung 3 teilweise durch diese das Gas-Dampf-Gemisch geheizt wird. ionisiert und tritt durch die Laval-Düse 3 aus, setzt Es ist jedoch auch möglich, durch die zu konver- dabei seine hohe thermische Energie in kinetische tierende Wärme zunächst das Gas-Dampf-Gemisch 60 Energie um und ist somit in der Lage, die in ihm entaufzuheizen und durch dieses die zur Kontaktionisie- haltenen Ionen entgegen einer hohen Gegenspannung rung vorgesehene Elektrode zu erhitzen. zu transportieren. Die mittlere thermische Energie

Vorteilhaft ist es auch, die Kontaktionisierungs- eines Dampfmoleküls liegt bei einer Temperatur der elektrode rohrförmig als Lavaldüse auszubilden, so geheizten Kammer von 1500° C bei 0,15 eV. Stellt daß dadurch das erhitzte Metalldampf-Treibgas- 65 man durch Vorgabe des leicht zu ionisierenden Gemisch auf Geschwindigkeiten in der Größenord- Dampfanteils oder durch geeignete Wahl der an der nung der Schallgeschwindigkeit oder darüber gebracht Ionisierungselektrode entstehenden Temperatur den wird. Wichtig ist die Einstellmöglichkeit der Höhe der Ionisierungsgrad beispielsweise auf 1 Promille ein,

so wird man eine maximale Nutzspannung von 150 V erreichen können. Höhere Nutzspannungen sind durch Absenken des Ionisierungsgrades so lange möglich, bis durch Instabilität ein Durchschlag innerhalb des Dampfstrahles erfolgt. Die Metalldampf-Ionen werden an der Elektrode 6 neutralisiert, was einem Transport positiven Stromes von der Elektrode 3 zur Elektrode 6 entspricht. In dem Kühler 8 wird der Treibdampf kondensiert oder das Treibgas auf eine niedere Temperatur herabgesetzt. Über den Kornpressor 9 und den Vorerhitzer 10 kommt der Metallzusatz mit dem Treibgas oder dem Treibdampf — dieser gegebenenfalls in kondensierter Form — wieder zum Kessel 1 zurück.

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur direkten Umwandlung thermischer in elektrische Energie unter Verwendung der Kontaktionisation von unter niedrigem Druck stehenden Metalldämpfen an zwei voneinander elektrisch isolierten beheizten metallischen Elektroden, wobei die Elektronenaustrittsarbeit der einen Elektrode größer als jene der anderen ist und die Ionisierungsarbeit des Metalldampfes dazwischen liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden in einen geschlossenen Kreislauf eines hocherhitzten Treibgases oder -dampfes hoher Geschwindigkeit eingeschaltet sind und daß diesem Treibgas oder Treibdampf der Dampf des Metalls kleiner Ionisierungsarbeit zugesetzt ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktionisationselektrode als Laval-Düse ausgebildet ist, so daß der erhitzte Treibgas- bzw. Treibdampfstrom Geschwindigkeiten in der Größenordnung der Schallgeschwindigkeit oder darüber erreicht.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der an den beiden Elektroden verfügbaren Nutzspannung durch den Anteil des Metalldampfzusatzes im Treibgas oder Treibdampf und/oder die Temperatur der Kontaktionisationselektrode einstellbar ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an sich bekannte Vorrichtungen zur periodischen Änderung der Treibgasoder Treibdampfgeschwindigkeit vorgesehen sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in diesem Kreislauf insbesondere zur Kondensation des Treibdampfes Kühleinrichtungen vorgesehen sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur besseren Ausnutzung der Wärmeenergie Thermoelemente als Kühleinrichtungen vorgesehen sind.

7. Verfahren zum Betrieb der Einrichtungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in elektrische Energie umzuwandelnde Wärme über die der Kontaktionisation dienende Elektrode dem Treibgas oder Treibdampf zugeführt wird.

8. Verfahren zum Betrieb der Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in elektrische Energie umzuwandelnde Wärmemenge zuerst dem Treibgas- oder Treibdampfstrom zugeführt und von diesem auf die Kontaktionisierungselektrode übertragen wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen