DE2020856A1

DE2020856A1 - Waermequelle mit geregelter Oxidation

Info

Publication number: DE2020856A1
Application number: DE19702020856
Authority: DE
Inventors: Maley John Josepf; Leassig Rudolf Reinhold
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1969-05-01
Filing date: 1970-04-29
Publication date: 1970-11-05
Also published as: FR2047200A5; US3606866A; GB1255455A

Description

Dr. reiY nat. Horst'Schuler 6 Frankfurt/Main l, den 28. April

PATENTANWALT Niddastraße 52 Vo/di

Telefon (0611)23 72 20
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1489-39-RQ-1178

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
Schenectady, N.Y./U.S.A.

Wärmequelle mit geregelter Oxidation

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Wärmeerzeugung und insbesondere auf eine kompakte, tragbare, in sich geschlossene Vorrichtung zur Wärmeerzeugung.

Der Bedarf an einer kompakten, zuverlässigen, in sich geschlossenen Wärmequelle, die zur Erwärmung eines kleinen Unterkunftsraumes oder eines menschlichen Körpers geeignet ist, wurde in
den letzten Jahren ständig wichtiger. Der Grund hierfür liegt
hauptsächlich in dem sich immer weiter ausbreitenden Interesse
der Menschheit am Erforschen und am Arbeiten in Umgebungen, in. denen dem menschlichen Körper Wärme zugeführt werden muß, damit

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ORIGINAL INSPECTED

er richtig arbeiten kann. Zu diesen Umgebungen gehört der Weltenraum, die arktischen und antarktischen Gebiete und insbesondere der Unterwasserraum. Weiterhin sind diese Wärmequellen, auch in konventionelleren Umgebungen verwendbar, wo z. B. die Wärmequelle als Primär- oder Hilfswärmequelle für ein Automobil oder als eine verschmutzungsfreie Energiequelle für ein entsprechendes Triebwerk, wie z. B. einen mit Dampf oder einem anderen Strömungsmittel arbeitenden Turbinenmotor, verwendet werden könnte. Es ist eine Reihe von Wärmequellen vorgeschlagen worden, die im allgemeinen die Verwendung eines verbrennbaren Kraftstoffes wie z. B. Kohle, flüssige oder gasförmige Kohlen- |t Wasserstoffe oder andere verbrennbare Gase beinhalten oder die eine exotherme chemische Reaktion umfassen. Jede dieser bekannten Wärmequellen besitzt jedoch einen oder mehrere Nachteile, daß z. B. die Wärmeerzeugung schwierig zu steuern ist, daß die Vorrichtung, die Reaktionsmittel oder die Reaktionsprodukte auf gefährliche Weise explosiv oder ätzend sind, daß die Vorrichtung kompliziert ist, einen nachteiligen Einfluß hinsichtlich eines ziemlich großen Gewichtes aufweist, oder für viele Anwendungsfälle nicht die erforderliche Wärmemenge zu liefern vermag.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kompakte, in sich .abgeschlossene Wärmequelle mit einer Er- ^ wärmungsgeschwindigkeit (heating rate) zu schaffen, die leicht und auf einfache Weise gesteuert werden kann.

Ferner beinhaltet die Erfindung eine kompakte Wärmequelle, die in praktisch jeder Umgebung sicher anwendbar ist.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine Wärmequelle gelöst, die die geregelte Oxidation von Metallen zur Erzeugung von Wärme ausnutzt. In einem Behälter wird eine Menge eines oxidierbaren Metalls wie z. B. Eisen oder Zirkon ange<ordnet. Zusammen mit Mitteln zur Leitung und Regelung der Sauerstoffströmung zu dem oxidierbaren Metall ist eine Sauerstoff quelle vorgesehen. Ferner ist für geeignete Vorrichtungen

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zur Einleitung der Oxidation des Metalles und zum Transport der durch die Oxidationsreaktion erzeugten Wärme zu dem zu erhitzenden Bereich gesorgt. Dies kann z. B. ein Wärmetauscher sein, der in der Nähe des oxidierbaren Metalles angeordnet ist.

Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung erläutert. Die Zeichnung ist eine Seitenansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der Erfindung, wobei ein Teil der Vorrichtung im Schnitt und ein Teil schematisch dargestellt ist.

In der Figur weist die bevorzugte Ausführungsform eine Wärme-. quelle 10 gemäß der Erfindung auf. Diese Wärmequelle 10 wird hauptsächlich von einem Außenmantel 12,. einer Schicht eines Tieftemperatur-Wärmeisolationsschutzes I¹I in der Nähe eines Teiles der Innenfläche des Außenmantels 12, einem Innenbehälter 16 nahe der Isolation Ik und einem Vorrat von oxidierbarem Metall 18 gebildet, das vorzugsweise in der Form von Pulver, Wolle oder Schwamm mit einer großen Oberfläche vorliegt. Eine Druckquelle · 22 für ein säuerstoffhaltiges Strömungsmittel steht mit dem oxidierbaren Metall 18 über eine Leitung 20 in Verbindung, und innerhalb dieser Leitung 20 ist eine Vorrichtung 24 zur Regelung* des Strömungsmittelstromes zu dem Metall 18 vorgesehen. Das sauerstoffhaltige Strömungsmittel wird im folgenden kurz als Sauerstoff bezeichnet. Es kann irgendeine Regelvorrichtung verwendet werden, wie z. B. das in der Figur gezeigte Wärmeregelventil2h, das auf eine bestimmte abgetastete Temperatur anspricht.

Nahe dem oxidierbaren Metall 18 ist ein Wärmetauscher 26 angeordnet, der als eine um den Behälter 16 herumgewickelte Rohrleitung dargestellt ist, welche einen Eingangsteil 26a und einen Ausgangsteil 26b aufweist, der zu dem zu erwärmenden Bereich (nicht gezeigt) führt. Durch den Wärmetauscher 26 wird ein Wärmeaustauschmittel wie z. B. Wasser hindurchgepumpt, um die durch die Oxidation des Metalles 18 erzeugte Wärme zu absorbieren und zu dem zu erwärmenden Bereich zu transportieren.

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Mit dem Ausgang 26b des Wärmetauschers kann auf günstige Weise eir Wärmeregelventil 24 verbunden sein, so daß die Temperatur des Strömungsmittels am Ausgang des Wärmetauschers die Sauerstoff strömung regelt.

Am rechten Endstück 12a der Ummantelung 12, bei den in der Figur dargestellten Relationen, ist zwischen der Innenfläche des Mantelteiles 12a und dem Behälter 16 eine Schicht eines Hochtemperatur-Wärmeisolierschutzes 28 angeordnet. An diesem Mantelteil 12a befindet sich eine Vorrichtung 30 zur Einleitung bzw. Zündung der Oxidation des oxidierbaren Metalles 18. Als Beispiel ist in der Figur eine Zündvorrichtung 30 als eine

j| Funkenentladungsvorrichtung dargestellt, die von einer Elektrode 32 innerhalb eines Gehäuses 36 gebildet wird. Die Entr ladungsvorrichtung ist mit einem Kondensator 34 in Reihe geschaltet, welcher wiederum mit einem Zündmaterial 46 in Verbindung steht. Ein Schalter'38 steuert in dieser Schaltung die Funkenentladung. Zum Kondensator 34 ist eine Batterie 40 und ein Schalter 42 parallelgeschaltet, um die Ladung des Kondensators 34 zu steuern. Ein Zündrohr 44, das das leicht oxidierbare Zündmaterial 46 enthält, ist innerhalb der Hochtemperatur-Isolationsschicht 28 angeordnet und verläuft von einem Bereich nahe der Elektrode 32 zu dem das zündbare Ketall 18 enthaltenen Bereich. Diese Anordnung des Zündrohrs 44 führt bei einer Funkenentladung der Elektrode 32 zur Ein-

w leitung der Oxidation des Zündmaterials 46, was wiederum die Oxidation des Metalles 18 hervorruft.

Vorzugsweise ist für diese Ausführungsform als Sicherungsvorrichtung ein überdruckventil 48 enthalten, das durch den Innenbehälter 16 hindurchführt. Das Ventil 48 könnte zweckmäßigerweise auf etwa 3,5 ata (50 psia) eingestellt sein, um den Innenbehälter 16 vor einer Explosion zu bewahren, wenn von der Sauerstoffquelle 22 versehentlich zuviel unter Druck stehender Sauerstoff zugeführt wird.

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Für den Betrieb wird der Sauerstoff zunächst zu dem Bereich geleitet, der das oxidierbare Metall enthält. Die Oxidationsreaktion wird durch Schließen des Schalters 38 eingeleitet,
um den Kondensator 34 zu entladen und um an der Elektrode 32 einen Funken zu bilden. Dieser Funke bringt die Oxidation
des Zündmaterials 46 in Gang, und die dabei entstehende Qxidationsfront breitet sich schnell durch das Material 46, wobei nur ein kleiner Teil des Materials oxidiert wird, und
durch das oxidierbare Metall 18 hindurch in Richtung auf den aus der Leitung 20 kommenden Sauerstoff aus* Die Oxidationsfront stabilisiert sich dann an der der Sauerstoffzuführleitung 20 am nächsten gelegenen Grenzfläche des unverbrauchten Metalles und schreitet langsam in .das nicht verbrauchte Metall in Richtung auf das Ende nahe des Zündrohres 44 vor.
Bei der Reaktion des Metalles 18 mit dem Sauerstoff wird
Wärme erzeugt. Das Wärmeaustauschmittel, das durch den Wärmetauscher 26 hindurchfließt, absorbiert diese Wärme und transportiert sie zu dem zu erwärmenden Bereich. Das Wärmeventil
24 tastet die Temperatur des aus dem Wärmetauscher 26 fließenden Wärmeaustauschmittels ab und stellt die Sauerstoffströmung zum Metall 18 demgemäß ein, um so eine gewünschte Wärmeabfuhr aus der Wärmequelle aufrechtzuerhalten. Auf diese Weise wird das Maß bzw. die Geschwindigkeit der Wärmeerzeugung, die durch die Geschwindigkeit bestimmt ist, mit der das Metalljoxidiert wird, auf einfache Weise durch Regelung der Sauerstoffströmung geregelt. Bei der Wärmeerzeugung wird Metall in einer etwa
senkrecht zur Zylinderachse verlaufenden Ebene verbraucht,
d. h. oxidiert, bis das gesamte Metall verbraucht ist.

Anstelle der Regelung durch die Temperatur des Wärmeaustauschmittels kann die Wärmequelle 10 auf bekannte Weise
auch durch die Regelung der Sauerstoffströmung entsprechend
der Temperatur der zu erwärmenden Fläche oder des zu erwärmenden Körpers geregelt werden. Alternativ kann die Wärmeabfuhr auch durch Regulierung des Stromes des Wärmeaustauschmittels durch den Wärmetauscher 26 geregelt werden.

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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann so oft wie erforderlich außer Betrieb gesetzt werden und erneut in Betrieb genommen werden. Die Wärmeerzeugung kann allein durch die Abschaltung des Sauerstoffstromes zum Metall beendet und erneut in Gang gebracht werden, indem wieder ein Sauerstoffstrom eingeleitet und der Kondensator 3¹I geladen und dann entladen wird, um einen Funken zu erzeugen.

Es kann auch jede andere geeignete Vorrichtung zur Einleitung der Oxidation verwendet werden. Beispielsweise kann an Stelle des Kondensators ein piezoelektrischer Kristall benutzt werden. Ein Zusammendrücken des Kristalles würde die Erzeugung eines Stromes zur Folge haben, so daß eine Funkenentladung entsteht. Andere Beispiele beinhalten die Verwendung einer Sicherung, einer elektrischen Wärmequelle oder einer kleinen Explosionsdetonation zur Einleitung der Oxidation.

In einigen Fällen, insbesondere wenn eine gasförmige Entladung zulässig ist, kann die Sauerstoffquelle ein oder mehrere Verdünnungsgase enthalten. Beispielsweise kann die Sauerstoffquelle eine Preßluftzufuhr sein. Wenn die Säuerstoffquelle Verdünnungsgase enthält, muß eine geeignete Vorsorge getroffen werden, daß die Verdünnungsgase von der Kammer abgeführt werden, in der die Oxidation erfolgt. Wenn diese Gase durch die Oxidationsreaktion erhitzt worden sind, können sie auf zweckmäßige Weise als Teil der Wärmeaustauschvorrichtung verwendet werden. Diese erhitzten Gase können zu einem zu erwärmenden Bereich geführt werden, um für die gewünschte Wärmewirkung zu sorgen. Alternativ könnten im Strömungsverlauf der erhitzten Gase Wärmetauscherspulen angeordnet werden, wobei die Strömung durch die Wärmetauscherspulen für die gewünschte Wärmewirkung sorgt.

Bei einem Ausführungsbeispiel, in dem die Verdünnungsgase im wesentlichen inert sind, kann die Erfindung auch dazu verwendet werden, Inertgase zu erzeugen, indem das Sauerstoffgas einer Gasquelle entnommen wird. Wenn beispielsweise Luft verwendet würde, so würden die erhitzten Verdünnungsgase nahe-

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zu vollständig aus Stickstoff bestehen. Wenn auf ähnliche Weise eine geeignete Flüssigkeit, wie z. B. flüssiges CO-, zu dem in den Behälter eintretenden Sauerstoff hinzugefügt würde, könnte der Erfindungsgegenstand als eine Vorrichtung zur Erzeugung von Gas oder Dampf aus einer Flüssigkeit verwendet werden, indem die erzeugte Wärme für einen Phasenwechsel verwendet wird.

Ferner sind viele andere Konfigurationen zur Wärmeerzeugung und zum Wärmeaustausch anwendbar. Beispielsweise können anstelle der Wärmetauscherröhren zahlreiche Kühlrippen an dem Behälter 16 angebracht sein, um für einen Wärmeübergang durch Konvektion und Strahlung zu sorgen. Diese Konfiguration würde wahrscheinlich am nützlichsten sein, wenn die Wärmequelle 10 zur Erwärmung einer kleinen Umhüllung verwendet wird. Weiterhin können auch zahlreiche langgestreckte Behälter verwendet werden, die oxidierbares netall einschließen, wobei jeder Behälter mit einer Sauerstoffquelle in Verbindung steht.

Als oxidierbares Reaktionsmittel kann im wesentlichen jedes Metall oder jede metallische Legierung verwendet werden. Bei der Auswahl eines geeigneten Reaktionsmittels sollten u. a. die folgenden Faktoren berücksichtigt werden: Kosten, Verfüg- · barkeit, Gewicht, Oxidationswärme, Regelbarkeit der Oxidationsreaktion, Temperatur, bei der die Oxidation stattfindet, Schmelzpunkt, Eigenschaften des gebildeten Oxides (insbesondere dahingehend, ob das Oxid als Sperre für die Sauerstoffströmung dienen würde) und verschiedene Sicherheitsfaktoren, wie ζ. B. die Frage, ob das Metall in Luft leicht brennbar ist. Die folgenden Metalle sind Beispiele für oxidierbare Reaktionsmittel, die zumindest einige wünschenswerte Eigenschaften für eine Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Gegenstand haben: Eisen, Aluminium, Magnesium, Thorium, Beryllium, Bor, Zirkon, Titan, Mangan, Silizium und Chrom. Diese Aufzählung dient lediglich zur Angabe von Beispielen und ist keine vollständige Liste aller verwendbarer Materialien. Insbesondere hat sich Eisen als sehr vorteilhaft erwiesen aufgrund der geringen Kosten, der Verfügbarkeit und der leichten Regelung der Reaktion. Zirkon ist hin-

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sichtlich des Gewichtes und der Oxidationswärme gut verwendbar.

Der Erfindungsgegenstand kann zweckmäßigerweise in der Form hergestellt werden, .daß das oxidierbare Metall in einer leicht auswechselbaren Sicherungspatrone (cartridge) enthalten ist, die auf einfache Weise mit einer Sauerstoffquelle, einem Pumpsystem für das Wärmeaustauschmittel und einer Oxidationszündvorrichtung verbunden werden kann. Alternativ könnte die Oxidationszündvorrichtung und, falls erwünscht _Λ die Sauerstoffversorgung in der auswechselbaren Sicherungspatrone enthalten sein. Anstelle der Einleitung von Sauerstoff aus einem Druckb behälter könnte der Sauerstoff auch von irgendeiner geeigneten Vorrichtung zur Erzeugung von Sauerstoff zugeführt werden, wie z. B. von chemischen Säuerstoffgeneratoren, die in der Technik allgemein bekannt sind.

Die Erfindung liefert gegenüber bekannten Vorrichtungen viele Vorteile. Beispielsweise ist die Wärmequelle kompakt und weist ein nur geringes Gewicht auf, es besteht keine Möglichkeit der Explosion, da die Oxidationsreaktion dazu neigt, den Druck innerhalb des Behälters selbst bei erhöhten Temperaturen zu vermindern, da das Reaktionsprodukt ein Festkörper ist. Weiterhin ist die Regelung der Reaktion äußerst einfach, da der gesamte zugeführte Sauerstoff in dem Reaktionsprozeß unabhängig von der Zu- w führungsgeschwlndigkeit verbraucht wird, solange eine gewisse Metallmenge vorhanden ist. Ferner brauchen die Reaktionsmittel nicht in stöchlometrischen Verhältnissen bemessen zu sein, in einigen Ausführungsformen gibt es keine Abgasprodukte (fluid exhaust products), es können metallische Reaktionsmittel verwendet werden, die in Luft tatsächlich nicht brennbar sind, die Vorrichtung arbeitet über einen breiten Druckbereich und einen großen Bereich der Wärmeabfuhrgeschwindigkeiten, die Vorrichtung kann leicht in Betrieb genommen, gestoppt und erneut in Betrieb genommen werden, durch die Vorrichtung wird kein Geräusch erzeugt und schließlich kann die Vorrichtung durch einen einfachen Einsatz einer Sicherungspatrone leicht mit Brennstoff versorgt

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Die oben erwähnten Vorteile machen die Erfindung besonders geeignet für eine Raumkapsel oder Unterwasser-Taucherkapsel oder zur Erwärmung kleiner Gehäuse, wie z. B. einem Auto, einem Zelt oder einer kleinen Kabine.

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Claims

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Wärme, gekennzeichnet durch ein oxidierbares Metall (18), das in einem Gehäuse angeordnet ist, eine Quelle (22) für einsauerstoffhaltiges Strömungsmittel, eine Einrichtung (20, 24) zur Leitung des Strömungsmittels zum oxidierbaren Metall (18) und zur Regelung des Strömungsmittelstromes und eine Zündvorrichtung zur Einleitung der Oxidation des oxidierbaren Metalles (18).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1', dadurch gekennzeichnet , daß das oxidierbare Metall Eisen, Aluminium, Magnesium, Thorium, Beryllium, Bor, Zirkon,· Titan, Mangan, Silizium oder Chrom ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das oxidierbare Metall Eisen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das oxidierbare Metall Zirkon ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmetauscher (26) zum Transport der durch die Oxidation des oxidierbaren Metalles erzeugten Wärme zu einem zu erwärmenden Bereich vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Wärmetauscher (26) eine Rohrleitung aufweist, von der mindestens ein Teil in der Nähe des oxidierbaren Metalles (18) angeordnet ist und die von einem Wärmetauschermittel durchströmt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Wärmetauschermittel Wasser ist.

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8. Vorrichtung nach Anspruch I₃ dadurch g„ e k e η η • ζ e i c h η e t , daß die Zündvorrichtung zur Einleitung der Oxidation Mittel zur Erzeugung einer elektrischen Funkenentladung aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8,. d a d u r c h ge k e η η ζ e i c h η e t , daß "die Mittel zur Erzeugung einer Funkenentladung einen Kondensator (34), eine elektrische Energiequelle (¹JO) zum Aufladen des Kondensators (3¹O und eine Elektrodenanordnung (32) umfassen, die mit dem Kondensator (3¹O in Reihe geschaltet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Zündvorrichtung zur Einleitung der Oxidation ein leicht oxidierbares Zündmaterial (M6)enthält, das sich von einem Bereich nahe der Elektrodenanordnung (32) bis zu einem Bereich nahe des oxidierbaren Metalles (18) erstreckt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch g e k e η η ζ el c h η e t , daß die Zündvorrichtung zur Einleitung der Oxidation ein Mittel zur Erzeugung einer elektrischen Funkenentladung enthält.

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