DE1501657C - Brennstoffbeheizter thermionischer Konverter - Google Patents

Description

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Die Erfindung, betrifft einen brennstoffbeheizten weist, vorgesehen sind, die einen im wesentlichen

thermionischen Konverter mit Dioden, die radial in sinusförmigen Verlauf der einzelnen entgegengerich-

einen Sammelraum für die heißen Abgase hinein- teten Ströme mit senkrecht gegen die gemeinsame

ragen, und einem Wärmeaustauscher zum Vorheizen Trennwand gerichteten Strahlen erzeugen, und daß der Verbrennungsluft. 5 die Öffnungen in den Staukörpern der benachbarten

Bei einem bekannten brennstoffbeheizten thermio- Kanäle einander gegenüberliegen.

nischen Konverter dieser Art (USA.-Patentschrift Durch diese Anordnung der Dioden wird erreicht,

3 137 798) sind die Dioden so angeordnet, daß sie daß diese nur durch Verbrennungsgase aufgeheizt

unmittelbar mit der Flammenfront in Berührung werden, die auf Grund der weitgehenden vollstänstehen, wodurch wegen der hohen Temperatur und io digen Verbrennung nur einen unwesentlichen Anteil

der Anwesenheit von Sauerstoff an der Flammen- an Sauerstoff aufweisen, so daß die Korrosion der

front die Korrosion der Dioden verhältnismäßig Dioden vermindert und der gute Wirkungsgrad auf

rasch fortschreitet. Mit zunehmender Korrosion sinkt eine größere Zeitdauer erhalten bleibt. Da die Di-

aber der thermoelektrische Wirkungsgrad des Kon- öden unmittelbar an den Ausströmöffnungen der verters. 15 Brennkammer angeordnet sind, ist der Wärmeinhalt

Da bei solchen thermionischen Konvertern relativ der Verbrennungsgase noch hoch genug, um eine hohe Temperaturen bei möglichst kompakter Bau- ausreichende Aufheizung der Dioden zu ermöglichen, weise erzielt werden sollen, kommt auch der Aus- Die weiterhin noch gekennzeichnete Ausgestaltung gestaltung des Wärmeaustauschers für die Erhitzung des angeschlossenen Wärmeaustauschers ermöglicht der Verbrennungsluft besondere Bedeutung zu. Bei 20 es, daß der Wärmeaustauscher die an ihn im dem bekannten Konverter erfolgt die Vorheizung der Rahmen der obigen Aufgabe gestellten Forderungen Verbrennungsluft dadurch, daß diese vor dem Ein- mit gutem Wirkungsgrad erfüllen kann. Dies wird führen in die Brennkammer nach Art eines ge- insbesondere durch die Anordnung von Staukörpern mischten Kreuzstrom- und Gegenstromverfahrens in den einzelnen Kanälen erreicht, die jeweils nur durch die aus der Brennkammer austretenden Ver- 25 mit einer horizontalliegenden Lochreihe und mit gebrennungsgase aufgeheizt wird, die durch eine Mehr- ringem Abstand zueinander angeordnet sind, so daß zahl von geraden Rohren zum Auslaß strömen. Diese durch die hier erzielte sinusförmige Strömung der von den heißen Verbrennungsgasen durchströmten Aufbau einer Grenzschicht an den Wärmedurch-Rohre sind in einer runden Kammer gleichmäßig ver- gangswänden weitgehend vermieden wird, da teilt angeordnet und werden von der vorzuheizenden 3° eine parallele Strömung zur. Trennwand nur in Verbrennungsluft umströmt, welche über gleichmäßig äußerst kurzen Teilstücken auftreten kann. In Ververteilte Öffnungen in der Kammerwandung eintritt. bindung mit der Tatsache, daß die Öffnungen in den Die eintretende Luft strömt teilweise quer zu den Staukörpern benachbarter Kanäle so angeordnet Rohren und zum Teil entlang den Rohren in Rieh- sind, daß sie einander genau gegenüberliegen, wotung auf die Brennkammer. Sowohl durch diese un- 35 durch die entgegengesetzt gerichteten Strahlen im gezielte Strömung an der Außenseite der die Ver- gleichen Wandbereich auftreffen, wird erreicht, daß brennungsgase führenden Rohre als auch durch die die auf der einen Seite aufgebrachte Wärmemenge geradlinige Strömung der Verbrennungsgase in den unmittelbar durch das Medium auf der anderen Seite Rohren "wird der Aufbau von den Wärmeübergang der Trennwand abgeführt wird, ohne daß eine beeinträchtigenden Grenzschichten weder an der 40 Wärmeleitung längs der Trennwand eintreten*würde. Innenseite noch an der Außenseite dieser Rohre ver- Die für den den Wärmeaustauscher bildenden Teil mieden, wodurch der Wirkungsgrad des Wärmeaus- des thermionischen Konverters erforderlichen Bautauschers und damit der Gesamtwirkungsgrad des glieder sind erfindungsgemäß gekennzeichnet durch thermionischen Konverters nachteilig beeinflußt wird. dreifach abgekröpfte, teilweise ineinanderschiebbare,

Aufgabe der Erfindung ist es, einen brennstoff- 45 am schmalen unteren Ende abgeschlossene Baubeheizten thermionischen Konverter zu schaffen, der glieder mit senkrechten Wänden, die zusammen mit bei geringstem Platzbedarf ein Aufheizen der Dioden nachfolgenden Baugliedern gleicher Art zwei parauf die zum Betrieb derselben erforderliche hohe allele Kanäle mit einer gemeinsamen Trennwand bil-Temperatur bei einem auf die Dauer erhalten blei- den, wobei die innerhalb der Kanäle liegenden senkbenden guten Gesamtwirkungsgrad gestattet. Weiter- 5° rechten Wände mit je einer Reihe benachbarter Öffhin soll durch ein günstiges Bauprinzip die Verwen- nungen versehen sind.

dung von keramischen Materialien oder Silizium- Diese Bauglieder, die so einfach aufgebaut sind, karbid ermöglicht werden. daß sie sowohl zwei Strömungskanäle begrenzen als Diese Aufgabe wird bei einem thermionischen auch die jeweiligen Staukörper bilden, ermöglichen Konverter der eingangs erläuterten Art erfindungs- 55 es, einen Wärmeaustauscher durch bloßes Ineingemäß dadurch gelöst, daß der Sammelraum für die anderfügen der einzelnen Bauglieder herzustellen, der Abgase konzentrisch um eine ringförmige Brenn- einen einfachen und raumsparenden Aufbau zeigt kammer angeordnet ist, daß die Dioden so angeord- und mit wenig Schweiß- bzw. Lötarbeit auskommt, net sind, daß sie jeweils in unmittelbarer Nähe vor Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfinje einer zugeordneten Ausströmöffnung der Brenn- 60 dung ist gekennzeichnet durch zwischen zwei parkammer für die Verbrennungsgase enden, daß eine allele Kanalwände einschiebbare und mittels Abzentral durch die Brennkammer geführte Abgaslei- standhaltcr voneinander getrennte Staukörper mit tung den Sammelraum und zumindest einen Kanal einem parallel zur Kanalwand verlaufenden Wandverbindet, der durch eine Trennwand von einem für teil, der eine Reihe eng benachbarte Öffnungen und die vorzuheizende Verbrennungsluft dienenden Kanal 65 an den Enden nach den entgegengesetzten Seiten vorgetrennt ist, daß in jeden Kanal Staukörper mit je springende Ansätze aufweist, die eng an den Kanalcinem parallel zur Trennwand verlaufenden Wand- wänden anliegen, teil, der eine Reihe eng benachbarter Öffnungen auf- Diese vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ge-

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stattet ebenfalls einen einfachen raumsparenden Aufbau eines Wärmeaustauschers aus keramischem Material, wobei die einzelnen Bauteile lediglich ineinandergefügt werden müssen. Irgendwelche besonderen Arbeitsgänge zum Verbinden der einzelnen Bauglieder untereinander sind'nicht erforderlich.

Weitere Ausgestaltungen· der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden, nunmehr einige Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, die in der Zeichnung veranschaulicht' sind. Es zeigt

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch einen erfindungsgemäßen thermionischen Konverter,

Fig. 2 eine Teilansicht zum Teil in der Perspektive und^: zum Teil im Schnitt einer abgewandelten Form des unteren einen Wärmeaustauscher bildenden Teil des Konverters gemäß der Erfindung;

Fig. 3 zeigt perspektiv, in einem verglichen mit Fig. 2 verkleinerten Maßstab, eines der einzelnen Bauglieder des Wärmeaustauschers und

Fig. 4 eine Teilansicht zum Teil in der Perspektive und zum Teil im Schnitt einer weiteren Ausführungsart des Wärmeaustauschers.

In der vorliegenden Beschreibung wird der Einfachheit halber der Ausdruck »Luft« für ein Gas verwendet, das freien Sauerstoff enthält. Es ist klar, daß an Stelle von Luft Sauerstoff oder sauerstoffangereicherte Luft verwendet werden kann. Außerdem sind die Angaben »innen« und »außen« in der nachfolgenden Beschreibung in bezug auf die Längsachse des Wärmeaustauschers des Konverters zu verstehen, d. h. diejenige Seite bzw. Fläche einer Austauscherwand, die dieser Achse näher ist, wird als »Innenseite« und die gegenüberliegende als »Außenseite« bezeichnet.

Fig: 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines thermionischen Konverters mit einem Wärmeaustauscher für die Vorheizung von Luft unter Ausnutzung der Wärme der Verbrennungsprodukte, die zum Aufheizen der Emitter verwendet werden. 10 ist eine ringförmige Brennkammer, 11 die Emitter-Außenwand bzw. Hülse von einer von mehreren Dioden eines thermionischen Konverters, die radial um das Ende 12 der Brennkammer 10 angeordnet sind; 13 ist ein zylindrischer Abgaskanal bzw. -durchgang für die Abführung der Verbrennungsgase, die von der Brennkammer 10 herkommen, 14 je einer von mehreren Brennstoffinjektoren für die Brennkammer 10, die den Brennstoff von der Hauptleitung oder dem Verteiler 15 empfangen; und 16 ist der Wärmeaustauscher, durch den die Luft zur Unterhaltung der Verbrennung des durch den Injektor 14 zugelieferten Brennstoffs und die Verbrennungsgase in indirektem Wärmeaustausch, wie im nachfolgenden näher beschrieben wird, strömen.

Das Ende 12 der Brennkammer 10 hat eine Mehrzahl von engbenachbarten und kreisförmig angeordneten Ausströmöffnungen 18, um die von der Brennkammer 10 ausgehenden Verbrennungsgase auf die Emitterwand 11 zu strahlen. Von der Emitterwand weg strömen die Verbrennungsgase in einen Sammelraum 19, der über das Ende 21 mit einer Abgasleitung 13 in Verbindung steht. Der hier gezeigte Aufbau ist mit einer dicken Lage 17 einer guten Wärmeisolation versehen, welche die bei höheren Temperaturen befindlichen Teile umgibt, um Wärmeverluste zu vermindern; die Teile, die den höchsten Temperaturen ausgesetzt'sind; wie derSämmelraum 19, sind vorzugsweise mit" einer hochtemperaturbeständigen Wärmeisolationsschicht IT versehen, di& zwischen, der Isolation 17'und den Hocluemperaturoberflächch angeordnet ist, wie es in F i g. 1 gezeigt ist.

Die Brennkammer 10- hat Stau- bzw.. Umlenkglieder oder Wirbelerzeuger 22, durch weiche die durch Öffnungen oder Ansaugschlitze 23^; eintretende vorgeheizte Luft strömt. Diese Wirbelerzeuger 221erzeugen eine Turbulenz und: Mischung von vorgeheizter Luft und Brennstoff, das, einmal gezündet, wirksam verbrennt unter Bildung heißer Verbrennungsgase, welche aus der Brennkammer 10 strömen. Die in Fig. Γ mit 24- bezeichnete: Diode kann irgendeiner bekannten Art entsprechen, wie sie beispielsweise in der USA.-Patentschrift 3 05+914^ beschrieben ist: Eine Mehrzahl dieser Dioden sind konzentrisch um das Ende 12- der Brennkammer W angeordnet und sind durch Träger 25 gehalten, die an den Seitenwänden 26 des Gehäuses 27 angeordnet sind. Diese Träger 25 sind^: an Ansätzen 28 an den Seiten der Kühler- oder Abstrahlanordnung 29 befestigt, die mit dem Kollektor im Innern der Emitterhülse 11 in Verbindung stehen und den gewünschten

as thermischen: Abgleich bzw. die gewünschte Temperaturdifferenz zwischen Kollektor und Emitter aufrechterhalten. 30 ist ein Gaesiumreservoir zur Nachlieferung von Caesium zum Elektrodenzwischcnraum zwischen dem Emitter und dem Kollektor zur Verminderung der Raumladung, wie es für Caesiumdioden oder thermionische Energiewandler bekannt ist. Da die Konstruktion solcher Gaesiumdioden bekannt ist, sollen die Dioden hier nicht näher beschrieben werden.

Der in Fig. 1 gezeigte Wärmeaustauscher wird durch Aufeinanderschichten bzw. Aufstapeln einer Mehrzahl von Baugliedern M gleicher Art hergestellt, die im nachfolgenden beschrieben und in Fi g. 3 einzeln dargestellt sind. Jedes Bauglied umfaßt eine nichtperforierte, im wesentlichen zylindrische Wand 31 mit einem Ende 32 und ein gegenüberliegendes Ende 33 mit verminderter Wandstärke zum Ineinanderschieben angrenzender Bauglieder eines Stapels, wie dies in F i g. 1 gezeigt ist. Die Verbindung der Teile 33 und 32 verminderter Wandstärke von benachbarten Baugliedern des Stapels kann durch Hartlöten erfolgen. Wenn die einzelnen Einheiten auf diese Weise aufeinandergesetzt und verbunden sind, erhält man die Außenwand 34 des Wärmeaustauschers.

Unmittelbar an die Wand 31 anschließend und mit dieser zusammenhängend folgt der erste gelochte Wandteil 35, bestehend aus dem nach einwärts oder allgemein quer verlaufenden Teil 36, der die Fortsetzung des in der Wandstärke reduzierten Endes 33 bildet, einem im wesentlichen zylindrischen Wandteil 37 und einem abschließenden, nach einwärts oder quer verlaufenden Teil 38, der sich von der Außenwand 34 weg erstreckt. Der gelochte Wandteil 37 hat eine

Mehrzahl von kleinen öffnungen 39 in kreisförmiger Anordnung. Unmittelbar an den Teil 38 anschließend und mit diesem zusammenhängend ist ein innerer nichtperforierter, im wesentlichen zylindrischer Wandteil 41 vorgesehen. Das Ende 42 des inneren Wandteils 41 ist mit einer geneigten, innen geschliffenen Paßlläche 43 und das entgegengesetzte Ende des Wandteils 41 mit einer ähnlich geneigten, aber außen geschliffenen Paßfläche 44 versehen. Die Paß-

lläclie 43 eines Bauglicdcs sitzt, wenn die Bauglicdcr ineinandergcstcckt sind, wie es in F i g. 1 gezeigt ist, auf der geneigten, außen geschliffenen Paßflächc 44 des unmittelbar angrenzenden Baugliedes und bildet so eine gasdichte Verbindung 45.

Hin zweiter gelochter Wandteil 47 mit im wesentlichen zylindrischer Gestalt hai eine Mehrzahl von engbenachbarten Öffnungen 48 und ist durch den (|uerverlaufenden Teil 49 mit einem Ende des inneren Wandteils 41 verbunden. Eine nichtperforierle Abschlußplatle 51 erstreckt sich vollständig über das Abschlußende des zweiten Wandteils 47.

Bei dem in I- i g. 1 gezeigten Aufbau ist ein Endglied M' ohne Abschlußplatte 51 ausgeführt und bildet einen Ausgang 53 für die Vcrbrennungsgase. Der Ausgang 53 kann mit einem Abhitzekessel oder der Atmosphäre in Verbindung stehen. Eine ringförmige Kammer 54 für die Luftzufuhr umgibt den inneren niehlperforierten Wandteil 41 des Endgliedes M'. Die Luft wird durch eine Leitung 55 in die Kammer 54 eingeführt. Die Kammer 54 ist innen durch die Wand 35 mit Öffnungen 39 eines abgeschnittenen Endgliedes M" begrenzt.

Die zentrale zylindrische Abgasleitung 13 hat eine zylindrische Kappe 56, deren Seitenwände 57 mit einer Mehrzahl von kreisförmig angeordneten, eng benachbarten Öffnungen 58 versehen sind, um engbenachbarte Strahlen von Verbrennungsgasen zu bilden, die auf den diesen .Öffnungen gegenüberliegenden Teil der Würmeaustauschenvand S auftreffen. Der unmittelbar zu der Kappe 56 benachbarte Teil des Wärmeaustauschers ist durch einen zylindrischen Kragen 59 gebildet, der mit dem Ende 60 des Baugliedes M'" etwa durch Hartlöten verbunden ist, dessen Form in 1- i g. 1 gezeigt ist. Das Bauglied M'" umfaßt eine Abschluljplatte 51, einen gelochten Wandteil 47 mit einer Mehrzahl von kreisförmig angeordneten Öffnungen 48 und eine innere nichtpcrforierte Seitenwand 62. deren eines Ende mit einem Ende des Kragens 59 verbunden ist. Das entgegengesetzte linde des Kragens 59 grenzt an die Querwand 63, welche die Öffnungen bzw. Ansaugschlitze 23 der Brennkammer 10 enthält.

Die einzelnen Bauglieder sind dreifach abgekröpft, wie es in Fig. J, 2 und besonders in Fig. 3 gezeigt ist. Auf diese Weise ergibt sich das stufenartige Profil der einzelnen Bauglieder.

Wenn die einzelnen Bauglieder durch Ineinanderstecken in Richtung der Längsachse des Wärmeaus-• tauschers mit fortlaufenden dichten Verbindungen 45 zusammengebaut sind, bilden die inneren nichtperforierten zylindrischen Wandteile 41 die Trennwand 6' des Wärmeaustauschers. Die Wände 34 und 5 begrenzen einen ringförmigen äußeren Kanal Fl. der in Wärmeaustausch mit einem inneren Kanal Fl steht, wobei die Kanäle Fl und FI voneinander durch die Trennwand S getrennt sind. Eines der Strömungsmedien strömt längs eines sinusförmigen Weges durch den Kanal F\ mit abwechselnden Wegstrecken längs der Trennwand S und durch die öffnungen 39, welche eiigbenaehbarte Strahlen des Strömuncsmediums bilden, die auf die Trennwand S auftreffen und diese wieder verlassen, wie es durch die Pfeile im Kanal Fl in Fig. 1 angedeutet ist. Das andere Strömungsmedium strömt durch den inneren Kanal /•"2 in allgemein sinusförmigem Verlauf, der sich alternierend durch die Öffnungen 48 unter Bildung von auf die Trennwand S auftreffenden Strahlen und von dieser Trennwand S weg erstreckt, längs des durch die Pfeile im Kanal F2 in Fig. 1 angedeuteten Strömungsweges.

Die Öffnungen 39, 48 und 58 können irgendeine gewünschte Form einschließlich der kreisförmigen oder elliptischen Gestalt haben. Die Querschnittsflächen dieser Strahlen werden durch dicQuerschnittsfiächen der Öffnungen 39,-48 und 58 eingestellt. Je kleiner die Querschnittsfläche dieser Öffnungen ist, um so besser ist es, vorausgesetzt, daß sie nicht zu klein wird, so daß sie während des Betriebs durch fcinverteilte Teilchen in den Verbrennungsprodukten verstopft werden kann.

Für einen gelochten Wandteil 37 mit einem Durchmesser von etwa 8 cm wurden acht gleichmäßig voneinander entfernte Öffnungen mit einem Durchmesser von jeweils etwa 5,1 cm als wirksam befunden. Für den gelochten Wandteil 47 mit einem Durchmesser von etwa 4,32 cm können acht Ollnungen mit jeweils einem Durchmesser von 1,27 cm vorgesehen werden. Die Wände können jede gewünschte Anzahl von Öffnungen haben, die zu der Bildung einer Vielzahl von engbenachbarten Strahlen mit geringer Querschnittsfläche führen, weiche auf die Wärmeaustauschwand auftreffen, so daß im wesentlichen, der gesamte Flächenbereich dieser Wand von diesen feinen Strahlen von den gegenüberliegenden Seilen her getroffen wird, wodurch eine laminare Grenzschicht des Gases auf irgendeiner Seite der Trennwand S auf ein Minimum herabgedrückt, wenn nicht vollständig verhindert und ein optimaler Wärmeübergang und mithin Wärmetransport durch die Wand erreicht wird.

Die Gestalt der einzelnen Bauglieder M ist derart, daß sie leicht aus hochtemperaturbeständigem Material gegossen oder aus Metallblechleilcn gestanzt bzw. geprägt werden können. Die geschliffenen Paßflächen 43 und 44 erfordern kein Hartlöten oder Schweißen zur Bildung gasdichter Verbindungen, wenn die Wärmeaustauscher bei mäßig überatmosphärischen Drücken oder unter atmosphärischem oder subatmosphärischem Druck betrieben werden. Der Wärmeaustauscher und die damit in Verbindung stehende Brennkammer kann bei Unter- oder Überdruck betrieben werden, wobei die Luft in die Leitung 55 eingeführt wird. Wenn relativ hohe Drücke angewandt werden, etwa um 0,211 atü, können an Stelle der durch Zusammenschieben der. geschliffenen Paßflächen 43 und 44 gebildeten Verbindungen 45 hartgelötete Verbindungen verwendet werden, wo die inneren nicht perforierten, im wesentlichen zylindrischen Teile 41 von benachbarten Baugliedern M aneinandergrenzen.

Die EndgliederM', M" und M'" in Fig. 1 können aus Baugliedern durch Entfernen bestimmter Teile hergestellt werden.

Beim Betrieb des in Fig. 1 gezeigten Aufbaues strömt mit etwa 21" C eingeführte Luft in einem allgemein sinusförmigen Weg mit Aufstrahlen der Luft in einer Vielzahl von engbenachbarten Strahlen auf die Trennwand S an einer Mehrzahl von benachbarten Punkten längs der Länge dieser Wand und im wesentlichen über den gesamten Umfang der Wand durch den Wärmeaustauscher. Bei Anwendung von sieben Stufen, wie es in der Figur gezeigt wird, wobei jede Stufe eine Wärmeaustauschzonc bildet, in der eine gelochte Wand mit Öffnungen für den Durchgang" von Luft zur Bildung von Strahlen, die auf die Trennwand .V auflreffen, angeordnet ist, er-

reicht die Luft eine Temperatur von etwa 1230° C an der Stelle, wo sie die siebte oder letzte Stufe verläßt. Mit dieser Temperatur tritt die heiße Luft in die Brennkammer und mischt sich mit dem. durch die Brennstoffinjektoren 14 zugeführten Brennstoff.

Die resultierenden Verbrennungsgas^ mit einer Temperatur von etwa 1540' C treffen bzw. prallen auf die Emitterwand 11 und entweichen durch die Abgasleitung 13 und treten in die erste der sieben Stufen des Wärmeaustauschers mit einer Temperatur von etwa 1430° C ein. Eine Temperaturabnahme um je etwa 150° C tritt in jeder der sieben Stufen auf. Die Verbrennungsgase entweichen von der letzten Stufe mit einer Temperatur von etwa 260° C, mit der sie durch den Abgaskanal 53 abgegeben werden.

Der Wärmeaustauscher gemäß F i g. 2 ist allgemein ähnlich dem in Fi g. 1 gezeigten. Gleiche Teile der Wärmeaustauscher haben in beiden Figuren die gleichen Bezugszeichen. In F i g. 2 wird das aufzuheizende Strömungsmedium durch die Leitung 71 zu- ao geleitet, die in eine ringförmige Kammer 72 führt. Die innere Wand der Kammer 72 wird durch einen Wandteil 35 gebildet, die mit engbenachbarten öffnungen 39 versehen ist, durch die das Strömungsmedium auf die Trennwand 5 aufgestrahlt wird. Das Strömungsmedium, das irgendein aufzuheizendes Gas sein kann, strömt längs eines allgemein sinusförmigen Weges durch den Kanal Fl im Wärmeaustausch mit einem heißen Strömungsmedium, das durch den Kanal F 2 hindurchtritt.

Das heiße Strömungsmedium tritt in den Wärmeaustauscher durch die zentral angeordnete Einlaßleitung 76, die mit den öffnungen 48 in Verbindung steht, deren Anordnung für das Aufstrahlen des heißen Strömungsmediums auf den (in Fi g. 2) unteren bzw. linken Teil der inneren Fläche der Trennwand S geeignet gewählt ist. Dieses Strömungsmedium entweicht durch den Ausgang 78 des Gehäuses 79.

Aus dem Kanal Fl entweicht das (erwärmte) Strömungsmedium durch die Austrittsöffnungen 81, die in eine Kammer 82 führen. Wenn Luft durch das Hindurchströmen durch den Kanal Fl vorgeheizt wird, kann diese heiße Luft von der Kammer 82 aus in eine Brennkammer eingespeist werden, welche die Verbrennungsgase nach ihrer Wärmeabgabe an irgendeine vorgesehene Oberfläche durch das Auslaßrohr 76 wieder aus den Wärmeaustauscher abgibt.

Bei der in F i g. 2 gezeigten Ausführungsart wird die Isolierung 17 vorzugsweise durch eine oder mehrere Federn 83, die zwischen den Wänden 84 und 85 angeordnet sind, unter Druck gehalten. Der oberhalb bzw. rechts der Wand 85 befindliche Teil des Wärmeaustauschers, der die Leitung 71 für das aufzuheizende Strömungsmedium enthält, braucht nicht isoliert zu werden, da das aufzuheizende Strömungsmedium unter Umgebungstemperaturbedingungen zugeliefert wird, wodurch keine Isolation zur Verminderung von Wärmeverlusten benötigt wird.

Der Wärmeaustauscher gemäß F i g. 4 umfaßt mehrere ringförmige Kanäle für die Strömungsmedien. Die Kanäle F4_r F6_r F8 und FlO sind für das aufzuheizende Strömungsmedium vorgesehen, das,, wie im nachfolgenden beschrieben, am unteren Ende des Wärmeaustauschers mit einer relativ niedrigen Temperatur, im allgemeinen Umgebungstemperatur, eintritt und am oberen Ende des Wärmeaustauschers mit erhöhter Temperatur entweicht. Die Kanäle F5, F7, F9 und FIl sind die Durchgänge für das wärmeabgebende Strömungsmedium, das am oberen Ende des Wärmeaustauschers eintritt und in eine Kammer 87 am unteren Ende des Wärmeaustauschers austritt.

Die Kanäle F 4 und F 6, durch die das aufzu-° heizende Strömungsmedium aufwärts strömt, haben zwischen sich den Kanal F 5, durch den das heiße Strömungsmedium abwärts strömt. In ähnlicher Weise sind die Kanäle F 6 und F 8 zu beiden Seiten und in indirekter Wärmeaustauschbeziehiing zum Kanal F7 und die Kanäle FS und FlO zu beiden Seiten des Kanals F 9 angeordnet; der Kanal FIl liegt am weitesten innen. Diese Kanäle werden durch zylindrische Trennwände 88 und 5' gebildet, die, wie es in Fig.4 gezeigt, konzentrisch und mit gewissem Abstand zueinander angeordnet sind und die jeweiligen Kanäle seitlich begrenzen. Innerhalb jedes so gebildeten ringförmigen Kanals sind Stau- bzw. Umlenkglieder 89 angeordnet, und zwar in einer im wesentlichen die volle Länge des jeweiligen Kanals einnehmenden Reihe. Diese Stau- oder Umlenkglieder bestehen aus zylindrischen, sich vertikal erstreckenden Wandteilen 91 mit einer Vielzahl von engbenachbarten öffnungen 92 und mit jeweils nach entgegengesetzten Richtungen umgebogenem, sich in Querrichtung erstreckendem Randteil 93 und 94 angrenzend an das obere und untere Ende des zylindrischen Teils. Diese umgebogenen Ränder 93, 94 sind so dimensioniert, daß die einander entgegengesetzten Kanten dieser Ränder 93 und 94 mit den Trennwänden 88 und ¥ des: Durchgangs, in dem sie angeordnet sind, in Reibungskontakt sind.

Abstandshalter 95 sind zwischen den Stau- oder Umlenkgliedern jeder Reihe angeordnet, um so- einen Abstand zwischen jedem oberen Umlenkglied gegenüber dem unmittelbar darunter befindlichen Umlenkglied zu schaffen und damit die Möglichkeit für den allgemeinen sinusförmigen Weg der Strömung in jedem der Kanäle F 4 bis F11 zu geben.

Ein Verteiler 96 ist nahe am unteren Ende des Wärmeaustauschers angeordnet. Dieser Verteiler ist durch eine äußere zylindrische Wand 97, eine innere Wand 98, den Boden 99 und eine obere Wand 101 begrenzt. Die äußere Wand 97 ist mit einer Reihe von am Umfang angebrachten öffnungen 102 für die Zufuhr des aufzuheizenden Strömungsmediums zum Verteiler 96 versehen. Durch den Verteiler 9fi gehen in vertikaler Richtung kreisförmig angeordnete Reihen von rohrähnlichen Durchgängen 103. Je eine solche kreisförmige Reihe von Durchgängen 103 ist für jeden der Kanäle FS, FT, F9 und FIl vorgesehen. Diese rohrähnlichen Durchgänge schaffen eine Verbindung der Kanäle F 5, F 7, F 9 und FIl mit dem Ausgangsverteiler 87. Die obere Wand 101 des Verteilers 96 hat kreisförmig angeordnete Reihen von Öffnungen 104 zur Verbindung mit dem unteren Teil jedes der Kanäle F4, F6, F8 und FlO. Wie in F i g. 4, in der Teile der Durchgänge 103 zur besseren Übersicht weggelassen wurden, deutlich zu sehen ist* bietet der Verteiler 96 der Strömung des zutretenden Strömungsmediums die volle Kammeraasdehnung, die sich vom äußeren Umfang bzw. der Außenwand des Wärmeaustauschers bis zur Innenwand des Kanals FlO erstreckt, so daß jeder der ringförmigen Kanäle F4, F6, F8 und FlO mit Strömungsmedium versorgt wird, das längs eines allgemeinen sinusförmigen Weges durch diese Kanäle aufwärts strömt.

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Der Aufbau des oberen Endes des Wärmeaustauschers ist ähnlich der in Verbindung mit dem Verteiler 96 beschriebenen Bauweise. Ein Verteiler .110 im oberen Bereich des Wärmeaustauschers hat Einlaßöffnungen 111 für den Zutritt des heißen Strömungsmediums zum oberen Bereich jedes der Kanäle FIl, F9, F7 und F5. Die obere Wand 112 dieses Verteilers hat kreisförmig angeordnete Reihen von Auslaßöffnungen 113, die mit dem oberen Bereich der Kanäle F 4, F 6, F 8 und FlO in Verbindung .stehen und für den Durchtritt des aufgeheizten Strömungsmediums in die Verteiler- bzw. Sammelkammer 114 dienen.

Es ist zu bemerken, daß die Teile des Wärmeaustauschers gemäß Fig. 4 von vergleichsweise einfächer Gestalt sind und damit leicht aus hochtemperaturfesten Konstruktionsmaterialien einschließlich Keramik und Siliziumkarbid gefertigt werden können. Für die Bildung des Wärmeaustauschers ist es lediglich notwendig, die entsprechenden Verteiler bzw. Sammelkammern mit den die Kanäle begrenzenden zylindrischen Wänden zusammenzubauen und in diese Kanäle die Stau- bzw. Umlenkglieder 89 und die Abstandshalter 95 einzusetzen. Ein . Hartlöten oder andersartiges Verbinden der Stauglieder und/ oder Abstandshalter 95 ist nicht notwendig. Beim Betrieb des Wärmeaustauschers gemäß F i g. 4 strömt in jedem Paar von benachbarten Kanälen, wie beispielsweise F4 und F5, aufzuheizendes Strömungsmedium längs eines sinusförmigen Weges aufwärts unter Passieren der Öffnungen 92 und Auftreffen ■ bzw. Aufprallen auf die Trennwand 5', welche diese beiden Strömungsdurchgänge voneinander trennt; im angrenzenden Durchgang F 5 strömt heißes Strömungsmedium im Gegenstrom nach unten unter Aufprallen auf die gleiche Wärmedurchgangswand, die diese

• beiden Kanäle voneinander trennt. Auf diese Weise werden die gegenüberliegenden Seiten bzw. Flächen der Wärmedurchgangswände, welche die einzelnen Kanäle F4 und FS, F6 und Fl, FS und F9 sowie FlO und FIl voneinander trennen, durch eine Vielzahl von engbenachbarten Strahlen der jeweiligen Strömungsmedien bestrahlt, die an den gegenüberliegenden Seiten der trennenden Wärmedurchgangswand strömen, woraus sich ein optimaler Wärmeübergang vom Strömungsmedium mit hoher Temperatur zu dem Strömungsmedium mit niedriger Temperatur ergibt.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Brennstoffbeheizter thermionischer Konverter mit Dioden, die radial in einen Sammeljaum für die heißen Abgase hineinragen, und einem Wärmeaustauscher zum Vorheizen der Verbrennungsluft, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammelraum (19) für die Abgase konzentrisch um eine ringförmige Brennkammer (10) angeordnet ist, daß die Dioden (24) so angeordnet sind, daß sie jeweils in unmittelbarer Nähe vor je einer zugeordneten Ausströmöffnung (18) der Brennkammer (10) für die Verbrennungsgase enden, daß eine zentral durch die Brennkammer geführte Abgasleitung (13) den Sammelraum (19) und zumindest einen Kanal (F 2) verbindet, der durch eine Trennwand (S bzw. S') von einem für die vorzuheizende Verbrennungsluft dienenden Kanal (Fl) getrennt ist, daß in jeden Kanal Staukörper (35 bzw. 89) mit je einem parallel zur Trennwand (5 bzw. S') verlaufenden Wandteil (37, 47 bzw. 91), der eine Reihe eng benachbarter Öffnungen (39, 48 bzw. 92) aufweist, vorgesehen sind, die einen im wesentlichen sinusförmigen Verlauf der einzelnen entgegengerichteten Ströme mit senkrecht gegen die gemeinsame Trennwand (S bzw. S') gerichteten Strahlen erzeugen, und daß die öffnungen (39, 48 bzw. 92) in den Staukörpern (35 bzw. 89) der benachbarten Kanäle einander gegenüberliegen.

2. Konverter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch dreifach abgekröpfte, teilweise ineinanderschiebbare, am schmalen unteren Ende abgeschlossene Bauglieder (M). mit senkrechten Wänden (31, 37, 41, 47), die zusammen mit nachfolgenden Baugliedern gleicher Art zwei parallele Kanäle (Fl, F2) mit einer gemeinsamen Trennwand (5) bilden, wobei die innerhalb der Kanäle (Fl bzw. F 2) liegenden senkrechten Wände (37 bzw. 47) mit je einer Reihe benachbarter öffnungen (39 bzw. 48) versehen sind.

3. Konverter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwischen zwei parallele Kanalwände (88, S') einschiebbare und mittels Abstandshalter (95) voneinander getrennte Staukörper (89) mit einem parallel zur Kanalwand verlaufenden Wandteil (91), der eine Reihe eng benachbarter öffnungen (92) und an den Enden nach den entgegengesetzten Seiten vorspringende Ansätze (93, 94) aufweist, die eng an den Kanalwänden (88, S) anliegen (F i g. 4).

4. Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Bauteile aus einem keramischen Material bestehen.

5. Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Bauteile aus Siliziumkarbid bestehen.

6. Konverter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einander zugeordneten Flächen (32, 33 bzw. 43, 44) der übereinandergestapelten Bauglieder (M) als geschliffene Paßflächen ausgebildet sind.

7. Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Kanäle (Fl, F 2) konzentrisch zueinander liegen.

8. Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kanäle (F4, F6, F8, FlO) für die Verbrennungsluft bzw. mehrere Kanäle (F5, Fl, F9, FIl) für die Abgase mit je einem gemeinsamen Verteiler (96 bzw. 110) in Verbindung stehen (Fig. 4).

9. Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwand (34) des Wärmeaustauschers (16) eine Verlängerung der Außenwand der Brennkammer (10) bildet. '

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen