DE2829987B2 - Thermoelektrischer Generator und Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Generator und ein Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie direkt in elektrische Energie. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie unter Verwendung von Alkalimetall als Arbeitssubstanz, wobei das Alkalimetall in einer ersten Reaktionszone bei einer Temperatur von über 300⁰C an einer Seite des Festelektrolyten zu Kationen ionisiert wird, die Alkalikationen in einer zweiten Reaktionszone an der anderen Seite des mit einer porösen Elektrode verbundenen Festelektrolyten zu elementarem Alkalimetall zurückverwandelt werden und das elementare Alkalimetall aus der porösen Elektrode in eine Ofenzone verdampft wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß der Alkalimetalldampf von der Ofenzone durch geformte Öffnungseinrichtungen in der die Ofenzone umgebenden Ofenwand hydrodynamisch an eine Kühlvorrichtung zur Kondensierung des Alkalimetalls

J5 abgegeben wird, wobei die Kühlvorrichtungen bei einer Temperatur in einem Bereich von wenigstens etwa 100⁰C unterhalb der Temperatur in der ersten Reaktionszone gehalten werden. Bevorzugt wird dabei als Alkalimetall Natrium verwendet

Der erfindungsgemäße thermoelektrische Generator zur Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie unter Verwendung von Alkalimetall als Arbeitssubstanz, für dessen Arbeitszyklus ein oder mehrere Behälter mit Wandungen aus kationisch

V) leitendem Festelektrolyt in einer Ofenzone vorgesehen sind, zur Durchführung des vorstehend angegebenen Verfahrens, ist dadurch gekennzeichnet, daß eine getrennte Kühlvorrichtung durch geformte enge öffnungen mit der Ofenzone verbunden ist.

Ferner betrifft die Erfindung solche Vorrichtungen und Verfahren, die elektrische Reihenschaltung verwenden können.

Bei Betrieb wird elementares Alkalimetall im Inneren eines Elektrolytrohres zu Alkalikationen ionisiert, außerhalb des Rohres zu elementarem Alkalimetall an einer porösen Elektrode zurückverwandelt, in eine Ofen- oder Heizzone in Dampfverbindung mit der porösen Elektrode verdampft, aus der Heiz- oder Ofenzone hydrodynamisch an eine Kühlzone abgege ben und als eine Flüssigkeit zur Rückführung zum Inneren des Elektrolytrohrs gesammelt. Praktisch isotherme elektrische Reihenschaltung innerhalb der Vorrichtungen liefert ein Mittel zur Verringerung von Wärmeleitungsverlusten.

b^r> Vorrichtungen zur Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie durch elektrochemische Expansion einer Arbeitssubstanz über einen Festelektrolyten wurden bereits beschrieben, vgl. beispielsweise die

US-PS 34 58 356 und 3511715. Derartige Vorrichtungen, beispielsweise unter Verwendung von Natrium als Arbeitsfluid umfassen im allgemeinen einen geschlossenen Behälter, der in zwei verschiedene Druckbereiche durch einen Festelektrolyt getrennt ist In dem höheren Druckbereich befindet sich Alkalimetall in Flüssigkeitskontakt mit dem Elektrolyten oder der in elektrischem Kontakt damit stehenden Elektrode. In dsm niedrigeren Druckbereich befindet sich eine poröse Elektrode in elektrischem Kontakt mit dem Festelektrolyt Die Dampfdruckdifferenz zwischen den Bereichen verursacht eine Wanderung von Alkalikationen durch den Festelektrolyten mit gleichzeitigem Verlust von Elektronen an einen äußeren Schaltkreis. Diese Elektronen strömen durch den äußeren Schaltkreis und vereinigen sich mit Kationen, die aus dem Festelektrolyten an der porösen Elektrode herauswandern. Neutrales Alkalimetall verdampft von der Oberfläche der porösen Elektrode und wandert zu einer kühleren Sammelzone zur Kondensation, beispielsweise zu einer Flüssigkeit, und kehrt zu dem höheren Druckbereich zurück, wodurch der Kreislauf vollständig ist

Der Betrieb derartiger oben beschriebener bisheriger Vorrichtungen wurde bisher als optimal angesehen, wenn eine maximale Druckdifferenz zwischen den höheren und niedrigeren Druckbereichen besteht Folglich war es normalerweise erwünscht, daß der Dampfdruck des Alkalimetalls in dem niederen Druckbereich sehr niedrig war, d.h. im Bereich von Millitorr. In diesem Druckbereich wäre der Druckunterschied zwischen der höheren Druckzone und niedrigeren Druckzone am größten und führte zu den größten feststellbaren Spa.nnungsabgaben. Darüber hinaus verwenden derartige bisher bekannte Vorrichtungen eine Sammelzone für Alkalimetalldampf, die aus einer gekühlten Wand oder gekühlten Wänden der niedrigeren Druckzone besteht, auf denen das Alkalimetall kondensiert und zur Rückführung in die höhere Druckzone abfließt Wärmestrahlung folgt jedoch in nachteiliger Weise der Bahn dieses Alkalimetalls zu den gekühlten Wänden, und bis heute wurden keine wirksamen Mittel erreicht, diese Strahlungswärmeverluste zu verringern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen thermoelektrischen Generator und ein Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie zu entwickeln, wodurch Wärmeverluste verringert werden.

In den Vorrichtungen und den Verfahren der Erfindung wird der Dampfdruck des Alkalidampfes nach seiner Verdampfung von der Oberfläche der porösen Elektrode in dem unteren Druckbereich optimal bei einem ausreichenden Wert tür Ermöglichung hydrodynamischer Strömung, beispielsweise bei etwa 0,05 Torr oder höher gehalten. Der Alkalidampf in dem unteren Druckbereich kann dann hydrodynamisch durch geformte öffnungen, beispielsweise Schlitze, Mundstücke, Düsen, passieren, welche die Dampfströmung verengen, wobei der Wärmestrahlungsverlust zu den Kühlkondensatoren herabgesetzt wird.

In vorteilhafter Weise kann nun eine Mehrzahl an Hochdruckbereichen gemäß der Erfindung in eine Vorrichtung eingearbeitet werden, was zu größeren voraussagbaren Stromabgaben für die Vorrichtungen im Vergleich zu Vorrichtungen und Verfahren nach dem Stand der Technik führt. Ferner können durch elektrische Reihenschaltung in der Vorrichtung Leitungsverluste vermindert werden. Darüber hinaus

können durch rasche hydrodynamische Strömung des Alkalidampfes durch geformte öffnungen Strahhingswänneverluste beseitigt werden, was von hoher praktischer Bedeutung ist

Eine Ausfuhrungsform eines thermoelektrischen Generators (mit wenigstens einer elektrischen Reihenschaltung), worin Wärmeenergie in elektrische Energie umgewandelt wird und Alkalimetall als Arbeitssubstanz dient, umfaßt (1) ein Gehäusebauteil für eine erste Reaktionszone; (2) ein Gehäusebauteil für eine zweite Reaktionszone mit einer Ofenwand; (3) eine Reaktionszonentrennvorrichtung, welche (a) trennt und die Umschließung der ersten Reaktionszone und der zweiten Reaktionszone praktisch vervollständigt und (b) wenigstens zwei Anteile an kationisch leitendem Festelektrolyt aufweist, wobei die Festelektrolyte einzeln für das elementare Alkalimetall und dessen Verbindungen im wesentlichen undurchlässig sind und mit Bezug auf Kationen des AlkalimetaHs ionisch leitend sind; (4) Alkalimetall in der ersten Reaktionszone und in entsprechender Fließverbindung mit Teilen der Festelektrolyten; (5) Elektrodenelemente in der zweiten Reaktionszone und in entsprechendem elektrischen Kontakt mit den Anteilen der Festelektrolyte und die ausreichend porös sind, so daß Alkalimetall hindurch wandern kann; (6) Leitungseinrichtungen (I) für den Elektronenfluß zwischen (a) einem ersten Anteil des Alkalimetalls, das sich in der ersten Reaktionszone und in Fließverbindiing mit einem ersten Teil der Anteile an Festelektrolyten befindet und (b) einem ersten Teil der Elektrodenelemente innerhalb der zweiten Reaktionszone, die in elektrischem Kontakt mit einem zweiten Teil der Anteile der Festelektrolyte stehen und Leitungseinrichtungen (II) für den Elektronenfluß zwischen (a) einem zweiten Teil des Alkalimetalls, der sich innerhalb der ersten Reaktionszone und in Fließverbindung mit dem zweiten Teil der Anteile an Festelektrolyten befindet und (b) einem zweiten Teil der Elektrodenelemente innerhalb der zweiten Reaktionszone der in elektrischem Kontakt entweder mit dem ersten Teil oder einem weiteren Teil der Anteile der Festelektrolyten stehen; (7) elektrisch voneinander isolierte Einlaßeinrichtungen zur Einführung der Alkalianteile in die erste Reaktionszone, um somit in entsprechender Fließverbindung mit den Teilen der Festelektrolyte zu stehen; (8) Temperatur-Regeleinrichtungen, die geeignet sind, in der ersten Reaktionszone eine Temperatur in einem Bereich von wenigstens 100⁰C über die niedrigste Temperatur in der zweiten Reaktionszone hinaus und eine Temperatur der Ofenwand in einem Bereich über die niedrigste Temperatur hinaus beizubehalten und (9) eine Einrichtung zum Sammeln von Alkalimetalldampf in der zweiten Reaktionszone, wobei die Einrichtung eine Ofenzone in Dampfverbindung mit den Teilen der Elektrodenelemente und umgeben von der Ofenwand aufweist. Gemäß der Erfindung ist eine getrennte Kühleinrichtung für das Alkalimetall vorgesehen, die so ausgebildet ist, daß die niedrigste Temperatur beibehalten wird. Diese Kühleinrichtung ist durch geformte öffnungen in der Ofenwand zur Abgabe des Alkalimetalldampfes von dem Ofen zu der Kühleinrichtung mit uer Ofenzone verbunden.

In den Zeichnungen geben

F i g. 1 einen schematischen senkrechten Schnitt einer Ausführungsform eines thermoelektrischen Generators gemäß der Erfindung,

F i g. 2 einen schematischen horizontalen Querschnitt

einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die eine konzentrische Vorrichtung mit vier Hochdruckbereichen jeweils von Festelektrolyt umgeben, erläutert,

F i g. 3 einen schematischen senkrechten Dreiviertel-Querschnitt der Ausführungsform der F i g. 2 mit einer Schnittansicht einer der Hochdruckzonen und

F i g. 4 einen schematischen horizontalen Querschnitt einer anderen Ausführungsform der Erfindung, welche viele Hochdruckbereiche und Eintauchheizelemente in einer konzentrischen Vorrichtung darstellt, wieder.

Nachfolgend wird die Erfindung im einzelnen beschrieben.

Die Erfindung wird am besten verständlich, indem zunächst auf F i g. 1 Bezug genommen wird, worin ein thermoelektrischer Alkalimetallgenerator in senkrechtem Schnitt, allgemein mit 2 bezeichnet, wiedergegeben ist Die Vorrichtung in F i g. 1 ist in einem chemisch bestandigen Behälter 4, beispielsweise aus rostfreiem Stahl, untergebracht Der Behälter oder das Rohr 4 weist an einem Ende den Flansch 6 auf. Der Flansch 6 ist mit einer Nut versehen, in der sich eine Weichmetall-O-Ringdichtung 10 befindet, die einen praktisch vakuum-, dichten Verschluß liefert, wenn die Deckplatte 12, die aus chemisch beständigem Material gebildet ist, an dem Rohr 4 durch Schrauben oder Bolzen oder andere übliche hier nicht gezeigte Mittel befestigt ist Innerhalb des Rohrs 4 und eng in eine Aussparung der Platte 12 eingepaßt, ist ein kleineres Rohr 14. Das Rohr 14 kann zusätzlich an der Deckplatte 12 durch hier nicht gezeigte Haken gehalten werden. Das Rohr 14 ist beispielsweise aus kationisch leitendem Festelektrolyt gebildet, wie einem Alkali-0-aluminiumoxid bekannter Zusammensetzung für diese Einrichtungen (siehe die US-PS 34 04 036,35 33 848 und 35 35 163).

Das untere Ende des Rohrs 14 einschließlich Seiten und Boden ist mit einem dünnen Leiter 20 (in der Zeichnung hinsichtlich der Dicke etwas vergrößert) versehen, der porös genug ist so daß das Arbeitsfließmittel (Alkalimetall) hindurchgehen kann, jedoch dick genug ist Elektrizität zu leiten. Derartige poröse Elektroden können beispielsweise gemäß der US-PS 40 49 877 hergestellt werden.

In der Nähe des unteren Endes des Behälters 4 befindet sich die Druckzonen-Trenneinrichtung 24 (hergestellt aus rostfreiem Stahl oder anderen chemisch beständigen Materialien), welche die Entleerung von Alkalimetall durch öffnung 26 ermöglicht jedoch eine Druckdifferenz zwischen der Ofenzone 18 und der Sammelzone 16 beibehält Nach Durchgang durch die öffnung 26 wird Alkalimetalldampf als eine Flüssigkeit im Kühlertrog 22 gesammelt Der Kühlertrog 22 ist an die Trenneinrichtung 24 angeschweißt und wird durch Wärmeaustauschrohre 28 gekühlt Vom Kühlertrog 22 wandert Alkalimetall durch Leitung 36 mittels Pumpe 38 in Rohr 14.

Die Heizeinrichtung 52 ist um den Behälter 4 und die Deckplatte 12 angeordnet, kann sich jedoch auch im Rohr 14 befinden. Die Heizeinrichtung 52 ist als eine elektrische Vorrichtung gezeigt, kann jedoch auch in Form eines Heizmantels mit einer Rohr 4 umgebenden geschmolzenen Flüssigkeit vorliegen. Die Heizeinrichtung 52 hält die Ofenzone 18 und deren Wände praktisch isotherm.

Das Rohr 14 ist in F i g. 1 mit geschmolzenem Alkalimetall 40 aus Leitung 36 gefüllt wiedergegeben. Der positive Leiter 48 erstreckt sich von der porösen Elektrode 20 durch den Isolator 50 in der Deckplatte 12.

Bei Betrieb der Vorrichtung wird Wärme direkt in elektrische Energie umgewandelt Rohr 4 wird durch geeignete Evakuiereinrichtungen, wie beispielsweise eine nicht gezeigte Evakuierpumpe evakuiert, und dann wird Leitung 34 bei Ventil 32 geschlossen. Das durch die Heizeinrichtung 52 auf eine Temperatur von etwa 300 bis 800⁰C oder höher erhitzte Alkalimetall 40 in Rohr 14 erreicht einen höheren Dampfdruck als der geregelte Druck in der Ofenzone 18. Diese Druckdifferenz erzeugt ein elektrisches Potential über das Elektrolytrohr 14. Alkalimetall wandert durch Rohr 14 in kationischer Form unter Verlust von Elektronen zu dem äußeren Schaltkreis durch den negativen Pol 42. Die Elektronen kehren durch den positven Leiter 48 zum Leiter 20 zurück, wo sie sich mit den durch den Elektrolyten 14 wandernden Kationen des Aikaiimetaiis vereinigen. Die Einpassung zwischen dem Ende des Rohrs 14 und der Aussparung in der Deckplatte 12 muß lediglich dicht genug sein, so daß der Leckverlust an Alkalimetall nach seinen Eingriffoberflächen gering ist im Vergleich zu dem Gesamtstrom der Alkaliionen durch die Wand des Rohrs 14.

Neutrales Alkalimetall verdampft von der porösen Elektrode 20 und erzeugt einen Dampfdruck in der Ofenzone 18. Durch Veränderung beispielsweise der Belastung des äußeren Stromkreises zur Anregung des Elektronenflusses und sich daraus ergebender Bildung von Alkalimetalldampf wird der Dampfdruck in der Ofenzone 18 ausgebildet Wenn sich der Druck in der Ofenzone 18 aufbaut, beginnt aus der öffnung 26 heraus hydrodynamische Dampfströmung in den durch Wärmeaustauscher 28 gekühlten Kühlertrog 22. Für Alkalimetall, wie beispielsweise Natrium, ist ein geeigneter Druck in der Ofenzone 18 in der Nähe von etwa 1 Torr für eine geeignete Strömung des Alkalidampfes erreicht Der Druck in der Sammelzone 16 soll bei etwa der Hälfte oder weniger des Drucks in der Zone 18 durch Einstellung der Temperatur des Kühlertrogs 22 beibehalten werden.

Der Kühlertrog kann durch Umgebungsluft gekühlt werden, eine Temperaturregelung erfolgt jedoch vorzugsweise durch Wärmeaustauschrohre 28. Der in dem Kühlertrog 22 kondensierte Alkalidampf wird zu Rohr 14 mittels Pumpe 38 und Leitung 36 rückgeführt Die Leitung 36 weist vorzugsweise kapillare Dimensionen auf, um Wärmeleitungsverluste zu verringern. Die Ofenzone 18 wird bei einer Temperatur von wenigstens 100^eC über der Temperatur des Kühlertrogs 22 gehalten.

Das Alkalimetall wird somit von der Ofenzone 18 zu

so der Kühlzone 16 durch öffnung 26 in solcher Weise entfernt, daß die mit dem aus der öffnung herausströmenden Alkalimetall verbundene elektrische Energie im Vergleich zu dem Strahlungswärmeverlust aus der öffnung 26 groß ist

Fig.2 gibt in horizontaler Querschnittsansicht eine zweite Ausführungsform der Erfindung wieder. Ein zylindrischer Behälter 104 aus chemisch beständigem Material, beispielsweise rostfreiem Stahl, eingekapselt in nicht gezeigte Mineralisolierung umgibt die Hochdruckzonen A, B, C und D und Eintauchheizeinrichtungen 15Z

Die Hochdruckbereiche A B, C und D sind von zylindrischen Rohren 114Λ Bund dgl. aus Festelektrolyt mit darin befindlichem flüssigem Alkalimetall

umgeben, wobei jedes einzeln im allgemeinen dem Rohr 14 mit dem darin befindlichen Alkalimetall der Vorrichtung gemäß F i g. 1 entspricht In elektrischem Kontakt mit den Rohren 1144114Bu. dgl. befinden sich

entsprechende poröse Elektrodenelemente 120A, B u.dgl., die gleichfalls einzeln im allgemeinen dem porösen Elektrodeneiement 20 der Vorrichtung gemäß F i g. 1 entsprechen.

Die Eintauchheizeinrichtungen 152 erstrecken sich über die Länge der Rohre 114A, B u. dgl. hinaus (siehe F i g. 3) und liefern Wärmeenergie für die Vorrichtung. Die Eintauchheizeinrichtungen sind in dieser Ausführungsform Heizrohre mit geschlossenen Enden und erstrecken sich von einer gemeinsamen Heizquelle, beispielsweise einem Speicher von Heliostaten, nicht gezeigt Die Eintauchheizeinrichtungen 152 können auch offenendige Rohre sein, wodurch eine kontinuierliche Strömung von Wärmeübertragungsfließmittel (beispielsweise Natrium) an gegenüberliegenden Enden der Einrichtung eintritt und austritt In diesem Fall ist die Sammelzone in vorteilhafter Weise um den Umfang des zylindrischen Rohrs 104 im Abstand angeordnet

Leitungen 136 und 136' bringen Alkalimetall von den Kühlern zu den Hochdruckzonen A und B bzw. Cund D. (Sie sind deutlicher in F i g. 3 wiedergegeben.)

Die elektrische Verbindung innerhalb der Vorrichtung der F i g. 2 ist durch die Sammelschienenleiter ab und cd (aus geeignetem leitenden Material, wie beispielsweise Kupferplattierung mit einem alkalibeständigen Überzug) wiedergegeben, welche sich zwischen den porösen Elektrodenelementen 120A und 120B bzw. 120C und 120D in Fig. 2 erstrecken. Der Sammelschienenleiter ac erstreckt sich zwischen der porösen Elektrode 120A und dem flüssigen Alkalimetall in der Hochdruckzone C

Die elektrische Reihenschaltung mit der Sammelschiene ac in dieser Vorrichtung dient zur Verringerung von Leitungsverlusten im Vergleich zu einer Anordnung, worin das gesamte Alkalimetall in den Hochdruckzonen sich in elektrischer Parallelschaltung befindet Die Vorrichtungen der Erfindung können elektrische Parallelschaltung oder Reihenschaltung oder deren Kombination, wie in den Fig.2 und 3 wiedergegeben, umfassen.

Die Ausführungsform der F i g. 2 mag durch Bezugnahme auf Fig.3 besser verständlich sein, worin die Ausführungsform in einer vertikalen Dreivienel-Querschnittsansicht mit einer Schnittansicht der Hochdruckzone D gezeigt ist

In F i g. 3 gibt die Querschnittsansicht der Hochdruckzone Din größerem Detail den Durchgangsweg für das Alkalimetall in Rohr 114D wieder. Das Rohr 114D ist mit flüssigem Alkalimetall ebenso wie die Rohre 114A, 114Bundll4Cgefüllt

Im Kühler 122 gesammeltes flüssiges Alkalimetall wandert mittels der elektromagnetischen Pumpe 138 durch die Kapillarleitung 136, die Zweigkapillarleitungen 13€Cund 136D aufweist Die Kapillarleitungen 136 und 136' sind in Fig.3 vom Boden des Behälters 104 elektrisch isoliert wiedergegeben. Wie deutlicher in der die Hochdruckzone D umfassenden Querschnittsansicht gezeigt wird, ist die Zweigleitung 136 D (ebenso wie die anderen Zweigleitungen) vom Deckel 112 durch den Isolator 172D elektrisch isoliert, der sich durch die Deckplatte 112 erstreckt Die Zweigleitung 136D (ebenso wie die anderen Zweigleitungen) ist gegenüber Rohr 114D mittels Metall-zu-Keramikdichtung abgedichtet, die ein geeignetes Metall aufweist, wie beispielsweise eine Tantal- oder Molybdänhülse oder Manschette 174D, mit aufgelöteter Nickel-Titan-Legiening 176D. Die Tantalmanschette ist auf sehr enge Einpassung mit Rohr 114D so maschinell bearbeitet, daß ein Grammatom-Verhältnis Ni-Ti-Lötlegierung von 1 :1 unter Verwendung von Standard-»Aktivmetall«-

Löttechniken, die nötige Hochtemperaturdichtung von Keramik zu Metall erhalten wird Es soll dafür gesorgt

werden, daß sich der Rand der Hülse 174D in einem

Abstand von der Kante der porösen Elektrode 120D

befindet, um unerwünschten Ladungsleckverlust längs

Rohr 114Dzwischen 174Dund 120Dzu vermeiden. Die Sammelschiene 148 erstreckt sich von der

porösen Elektrode 114D durch den Isolator 150 im Deckel 112 zu dem äußeren Schaltkreis, nicht gezeigt Der negative Pol 142 erstreckt sich von dem Alkalimetall in der Zweigleitung 136A zu dem äußeren Schaltkreis.

Das Sammelschienenband ac erstreckt sich zwischen

der porösen Elektrode 120A und der Zweigleitung 136C und ergibt eine elektrische Verbindung, die im wesentlichen isotherm ist, in der Ofenzone 118.

Bei Betrieb werden die Ofenzone 118 und die

Sammelzonen 116 und 116' zunächst auf unter 0,1 Torr, bevorzugt 0,001 Torr, mittels einer Vakuumpumpe, nicht gezeigt, evakuiert Die Eintauchheizeinrichtungen 152 heizen dann in der Ofenzone 118 auf Betriebstemperaturen, beispielsweise wenigstens 300⁰C, und vorteilhaf- terweise 800⁰C oder höher. Durch Veränderung der äußeren Schaltkreisbelastung bildet sich geeigneter Druck in der Ofenzone 118 aus, wenn das Alkalimetall aus den porösen Elektroden verdampft Der Druck sollte normalerweise wenigstens etwa 0,5 Torr betra gen, kann jedoch auch 100 Torr oder höher sein, beispielsweise zwischen etwa 1 bis 20 Torr, zweckmäßig etwa Ibis 5 Torr.

Der Alkalidampf strömt hydrodynamisch durch öffnungen 126 und 126' und wird in den Kühlern 122 und 122' gesammelt Die Kühler 122 und 122' sind in Kontakt mit getrennten Wärmeaustauschern 128 bzw. 128', welche den Alkalidampf kühlen. Die Kühler 122 und 122' sind von der Platte 124 über die doppelten Metall-zu-Keramikdichtungen 130 und 130' isoliert und dagegen abgedichtet Durch Beibehaltung einer solchen KUhlertemperatur, daß der Druck in der Sammelzone 116 etwa die Hälfte des Drucks in der Ofenzone 118 ist wird eine zweckmäßige Strömung von Alkalimetall durch die öffnungen 126 und 126' erreicht

Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist in dem horizontalen Querschnitt in F i g. 4 wiedergegeben. Eine zylindrische vakuumdichte wärmeisolierende Ofenwand 400 (hergestellt aus Mineralfaser und von rostfreiem Stahl eingekapselt) umgibt die Ofenzone 402.

Die Ofenzone 402 ist mit parallelen Reihen von /7-Aluminiumoxidrohren 404, wie vorstehend beschrieben, welche Alkalimetall darin enthalten, gepackt Zwischen den 0-Aluminiumoxidrohren sind Eintauchheizeinrichtungen 406 eingesprengt Die Eintauchheiz- einrichtungen 406 und die /Ϊ-Ahiminhmioxidrohre 404 sind in der Ofenzone 402 so angeordnet, daß die Mittelpunkte drei benachbarter Bauteile als an den Ecken eines gleichseitigen Dreicks befindlich bezeichnet werden können. Es gibt eine Eintauchheizeinrich- tung für je zwei /NAluminiumoxidrohre. Sämtliche /f-Aluminiumoxidrohre und Eintauchheizeinrichtungen sind zylindrisch und weisen gleichen Durchmesser auf und der Abstand zwischen Omen ist gleich dem Radius der 0-Aluminiumoxidrohre (oder Eintauchheizrohre),

d.h. der Abstand von Mittelpunkt zu Mittelpunkt entspricht drei Radien des 0-Ahiminhimoxidrohrs (oder der Eintauchheizeinrichtung). Die Ofenwand 400 besitzt vier geformte, schlitzartige

öffnungen 40β darin, welche zu Sammelzonen 410 führen, welche die Kahler 412 und die Kühlerkühlleitungen 414 umfassen. Die Kahler 412 können von der Ofenwand 400 durch geeignete, gasdichte Metall-Glas-Metall- oder Metall-Keramik-Metalldichtungen isoliert sein, was schematisch an den Stellen 428 angezeigt ist.

Die Ausführungsform der F i g. 4 hat viele Ähnlichkeiten zu derjenigen der F i g. 2 und 3. Jeder Festelektrolyt, der eine Hochdruckzone umgibt, besteht aus einem an einem Ende geschlossenen 0-Aluminiumoxidrohr. An dem anderen Ende ist dieses gegen eine Zweigleitung, wie vorstehend beschrieben, welche Alkalimetall zuführt, abgedichtet Die Zweigleitung ist gegen das 0-Aluminiumoxidrohr durch eine geeignete Metall-Keramikdichtung abgedichtet Der größte Teil des Äußeren des /f-Aluminiumoxidrohrs ist mit einer porösen Elektrode bedeckt Die Metall-Keramikdichtung befindet sich innerhalb der isothermen Ofenzone. Dies ermöglicht das Vorhandensein isothermer Sammelschienen für die elektrische Reihenschaltung, wobei derartige Sammelschienen mit der porösen Elektrode (d.h. der positiven Seite) eines Rohres und mit der Zweigleitung, somit dem flüssigen Natrium (d.h. der negativen Seite) eines anderen Rohres verbunden sind.

Die Hauptunterschiede der in F i g. 4 wiedergegebenen Ausführungsform gegenüber derjenigen der F i g. 2 und 3 sind zweifach: 1. Es gibt viele gut gepackte /3-Aluminiumoxidrohre, welche zu (a) einer höheren Stromdichte und (b) einem niedrigeren Verhältnis von Oberfläche zu Volumen der Ofenzone und somit zu relativ niedrigen Wärmeleitungsverlusten führen. 2. Die öffnungen, durch die der Alkalimetalldampf aus der Ofenzone zu den Kühlern strömt befinden sich in der zylindrischen Umhüllung der Ofenzone und liegen in Form langer Schlitze parallel zu den jS-Aluminiumoxidrohren und im wesentlichen in der gleichen Länge wie die 0-Aluminiumoxidrohre vor.

Die Höhe dieser Ausführungsform der Erfindung, d. h. die Dimension senkrecht zu der Ebene der Fig.4 beträgt 0,6 m, kann jedoch im Bereich von bis zu mehreren Metern liegen. Die optimale« Längen sind eine Funktion: 1. Der maximal herstellbaren Länge geeigneter Elektrolyt (beispielsweise /Ϊ-Aluminiumoxid)-Rohre; 2. des axialen elektrischen Widerstandes der porösen Elektrodenelemente an der Außenseite derartiger Keramikrohre; 3. des axialen elektrischen Widerstandes der Säule aus Alkalimetall im Innern der Rohre. Die Bedeutung der Überlegung 2 wird dadurch verringert, daß die porösen Elektroden mit verdickten Rippen versehen werden, was üblicherweise in Brennzellen oder photovoltaischen Zellen erfolgt Ferner kann der Strom in Intervallen längs der Länge der porösen Elektroden angezapft werden. Die Bedeutung der Überlegung 3, die am wenigsten bedeutend für die geläufigen Längen von /?-Aluminiumoxidrohren ist wird äußerst wichtig, wenn Rohrlängen von über einigen Metern hergestellt werden.

Bei einem typischen Vorgang unter Verwendung von Natrium als Arbeitsfließmittel und einer Ofentemperatur von 800⁰C beträgt der Dampfdruck des flüssigen Natriums innerhalb des /?-Aluminiumoxidrohrs etwa 334 Torr. Der Druck in der Ofenzone wird zweckmäßig so geregelt daß er in der Nähe eines Wertes unter etwa 10 Torr, beispielsweise etwa 1 Torr, liegt Die Druckdifferenz über die Wände des Festelektrolyten (d.h. die /{-Aluminiumoxidrohre) ergibt die treibende Kraft für die Wanderung von Natriumionen durch den jJ-Aluminiumoxid-Elektrolyten.

Optimale Arbeitsdrücke in der Ofenzone 402 werden erreicht indem die Notwendigkeit für einen niedrigen Druck, der zu einer hohen Spannungsabgabe führt gegen die Notwendigkeit für einen ausreichend hohen Druck ausgeglichen wird, wobei eine rasche hydrodynamische Strömung aus den öffnungen der Ofenwand erzeugt wird, so daß der erstere Druck gering gemacht wird, während die Strahlungsverluste tatsächlich vernachlässigbar gemacht werden. Die Regelung dieses

ίο Ofendrucks wird dadurch herbeigeführt daß der durch die äußere elektrische Belastung herbeigeführte Strom geregelt wird und somit die Geschwindigkeit der Bildung von Natriumdampf an den porösen Elektroden gesteuert wird. Alternativ könnte man weitere Regeis lung durch Gleiteinstellungen (nicht gezeigt in Fig.4) des Bereichs der Schlitzöffnungen 408 erreichen.

Alkalidampf (beispielsweise Natrium) wird durch die gesamte Ofenzone 402 der Ausführungsform gemäß F i g. 4 erzeugt Der Dampf muß aus den Zentralteilen der Ofenzone 402 zu der Ofenwand 400 strömen und von dort aus den öffnungen 408 heraus. Diese radiale Strömung führt zu einem radialen Reibungsdruckgradienten. Somit ist die aus der Nähe des Zentrums des Ofens hergeleitete Spannung etwas niedriger als nahe der Peripherie. Die Auswahl einer praktischen Grenze bezüglich des Wertes dieses Druckgradienten führt zu einem gewünschten Maximalradius des Ofens in der erörterten Ausführungsform.

Die schnellste Strömung des Alkalidampfes aus den öffnungen 408 ist eine Strömung bei Schallgeschwindigkeiten. Dies wird erreicht, wenn der Druck in den Sammelzonen 410 etwa die Hälfte (oder weniger) des Drucks an der Ofenseite ist. Wenn beispielsweise letzterer bei 1 Torr liegt so wird der Druck in den Sammelzonen zweckmäßig bei etwa 1/2 Torr gehalten.

Dieser beibehaltene Druck entspricht beispielsweise dem Dampfdruck von Natrium bei 414°C. Die Kühler 412 werden auf diese Temperatur (oder niedriger) mit Hilfe von Kühlrohren 414 gekühlt Diese Temperatur ist tatsächlich die »kalte« oder »Wärmesink«-Temperatur der Vorrichtung. Diese hohen Wärmesinktemperaturen ergeben Einrichtungen, die als »Topping«-Generatoren verwendet werden können. Abfallwärme bei etwa 400⁰C kann zum Betrieb eines thermoelektrischen »Boden«-Generators (oder einer Dampfturbine u. dgl) verwendet werden, die zwischen etwa 400° C und Raumtemperaturen arbeitet

Der Natriumdampf strömt aus den öffnungen 408 und kondensiert auf den Kühlerwänden der Kühler 412.

Flüssiges Natrium fließt die Wände der Kühler 412 herunter und wird gesammelt und zu den Pumpen geleitet die es zum Innern der ^-Aluminiumoxidrohre über geeignete Leitungen und Verteiler zurückführen. Diese glatten Merkmale sind in F i g. 4 nicht gezeigt da sie zu denen der Ausführungsform der Fig.2 und 3 praktisch gleich sind und ausführlich in diesen Figuren erläutert sind.

In vorteilhafter Weise eignet sich die in Fig.4 wiedergegebene Ausfuhrungsform gut zu einer Kombi-

bo nation von elektrischer Reihen- und Parallel-Zusammenschaltung mit vier Stufen von Reihenschaltungen. Jeder elektrisch isolierte Kühler zieht flüssiges Alkalimetall in seine eigene Sammelleitung, von dort zu seiner eigenen Pumpe und von da zu seinem eigenen

65. Wiederverteiler. Die vier Pumpen und Wiederverteiler . sind natürlich voneinander isoliert Die JJ-Aluminiumoxidrohre sind in vier Gruppen gleicher Anzahl von Rohren unterteilt ersichtlich, wobei sich jede Gruppe

mit der nächsten Gruppe elektrisch in Reihe befindet Innerhalb einer Gnippe verbinden elektrische Leiter die Elektrodenelemente in Kontakt mit den Rohren darin und das Alkalimetall in den Rohren der Gruppe ist sämtlich in elektrischem Kontakt, so daß Parallelschaltung für diese Gruppe besteht Die Einzelheiten, um dies herbeizuführen, sind aus den in Verbindung mit der Vorrichtung der F ii g. 2 und 3 beschriebenen Verfahren leicht ersichtlich.

Eine optimale Einteilung zur Reihenschaltung der Gruppen von /J-Aluminiurnoxidrohren der Vorrichtung der F i g. 4 besteht darin, die Gruppen radial konzentrisch zu machen. Dies geht auf den erwähnten geringen Druck- und Konzeintrationsgradienten des Alkalidampfes und den daraus folgenden umgekehrten Gradienten der Spannungsabgabe zurück. Dies führt zu Parallelschaltungen zwischen Elementarzellen mit der nächstgleichen Spannungsabgabe.

Es sei darauf hingewiesen, daß es nicht notwendig ist daß eine gesonderte öffnung für jede getrennte Stufe elektrischer Reihenschaltung vorliegt Es ist möglich, daß eine Öffnung getrennte, gegenseitig isolierte Abschnitte eines Kühlers versorgt

Es ist natürlich sehr leicht sämtliche Zellen parallel zu schalten. Die verschiedenen Kühler (wenn mehr als einer vorhanden ist) müssen dann nicht von der Ofenwand durch Metall-Keramik-Metalldichtungen isoliert sein. Ein einziger Sammelverteiler, Pumpe und Verteiler erfüllen den Zweck. Jedoch führt diese mechanische Vereinfachung zu einer Herabsetzung der thermischen Wirksamkeit auf Grund bestimmter nicht reduzierbarer Leitungsverluste der Sammelschiene.

Beispiel

Die Vorrichtung der Fig.4 ist gemäß folgenden Berechnungen ausgebildet Die Rohre sind aus Natrium-0-aluminiumoxid, wie vorstehend beschrieben, und auf dem Fachgebiet bekannt konstruiert

Tabelle I definiert sämtliche Bezeichnungen und sämtliche in diesen Berechnungen zu verwendenden Einheiten. Alle Berechnungen erfolgen für eine Ofenzonentemperatur von 800⁰C (1073⁰K). Die Berechnungen sind leicht auf andere Temperaturen auszudehnen.

A. Die ideale Wirksamkeit für den tbermoelektrischen Generator der Fig.4 in Abwesenheit von Wärmeleitungs- oder Strahlungsverlusten wird nachfolgend durch (1) wiedergegeben:

Ki/4,18 - ZfV4,18

Ki/4,18 - Zi74,l8 + (i/F)L

(1)

Jeder Ausdruck in der Gleichung (1) besitzt die Dimensionen von cal cm² j9-Al₂O3/sec. Der Zähler gibt die durch die Vorrichtung erzielte elektrische Energie wieder. VJst die Spannung bei offenem Schaltkreis; Zist die Gesamtimpedanz je cm² ^-Aluminiumoxid, d. h. die Summe des ohmschen Widerstandes plus sämtliche andere Quellen der Polarisation. Sie liegt zur Zeit bei etwa 0,4 Ohm cm² für Rohre von 1 mm Wandstärke und ist keine strenge Funktion der Temperatur oder

ίο Stromdichte. (Die geringe Menge an elektrischer Energie, welche durch die Pumpe für flüssiges Natrium verbraucht wird, wird vernachlässigt. Diese Energie hat sich als vernachlässigbar erwiesen.) Der Nenner der Gleichung (1) weist die herausgenommene elektrische Energie plus der Extrawärme, die damit verbunden herausgenommen werden muß. L, die Verdampfungswärme von flüssigem Natrium, wird mit 23 498 cal/MoI bei 1073° K angenommen. Der letzte Ausdruck im Nenner ist die absorbierte Wärme je Mol flüssiges Natrium bei der Kühlertemperatur, wenn es in die Hochdruckbereiche zurückgepumpt wird. C_p wird mit etwa 7 cal/Mol angenommen.

Die EMK oder Spannung bei offener Schaltung ist als eine Nernst-Gleichung (2) wiedergegeben:

V =

4,18RT

In

jo worin pb der Dampfdruck von Natrium bei der Temperatur T darstellt und durch die Gleichung (3) wiedergegeben wird:

In P₀ = -12 423/Γ+ 17,391.

T, /und ρ sind unabhängige Variable. Die Kühlertemperatur (d.h. die niedrigste Temperatur in der Kühlzone) wird durch Wiederanwendung der Glei chung (3) erhalten und ist die Temperatur, bei der der Dampfdruck von Natrium p/2 ist (maximaler Massefluß von Natrium erfolgt bei einem Druck in der Sammelzone, der etwa die Hälfte des Drucks in der Ofenzone ist) und wird durch die Gleichung (4) wiedergegeben:

Tc =

12 423

12423

17,39 - In p/2

18,083 - In ρ

Durch Kombination von (1), (2) und (4) ergibt sich die Gleichung (5):

(R77F)ln(po/p)-Zi/4,18

- zf/4,.8 ₊ (l,f)

[τ -

Unter Berücksichtigung von T= 1073⁰K wird aus (3) In po=5,813 erhalten. Wird dieser u. sämtliche anderen vorher bezeichneten Werte in die Gleichung (5) eingesetzt und durch (RT/F) geteilt so ergibt sich die Gleichung (6).

= 1073°K, i,p) =

5,812- In ρ - 4,331 i

20,356 - In ρ-4331 i- 40,787

18.083 - Im»

- fachen

desjenigen auf der Hochdruckseite ist Cp/Cv·* 1,667 für ein einatomiges Gas. Das Druckverhältnis für Schallströmung ist daher 0,49. Gemäß Sbuidardtext ist die Schallgeschwindigkeit:

C = (yp'/cf¹² = 2454 T¹'² cm/sec

(8)

für Natriumdampf.

Je cm² der Öffnung cm² see:

ist die Strömung in Mol Na/

(9)

/ = ρ/Λί x 2454T¹'² = 3,983 χ ΙΟ"² ρ/Γ¹'²

Wenn ein Verfahren, beispielsweise bei 1 Torr, an der Hochdruckseite einer öffnung bei 1073⁰K, einer Spannung von 0,443 V je Rohr bei einer Kühlertemperatur von 687° K und einer idealen Wirksamkeit von 0,28 gewählt wild (diese Kombination ist ein Posten in Tabelle II), so ist /-1,216 χ 10-³, was einer Stromstärke von 117 A/cm² der Öffnungsfläche und einer Energieabgabe von 0,443 χ 117-52,0 Watt/cm² der Öffnungsfläche entspricht Schwarzkörperstrahlungsverluste zwischen 1073° K und 687° K sind ein Maximum von

5,67 χ 10-'*x(1073<-687<)=6,25 Watt/cm².

Bei einem Betrieb bei einer idealen Wirksamkeit von 28% betraf die zugeführte Wärmeleistung 51,4/ 0,28-185,7 Watt/cm² der Öffnungsfläche. Die Strahlungsverluste verringern daher die Wirksamkeit auf höchstens 185,7/(185,7 + 6,25) χ 28 - 27%.

Der tatsächliche Strahlungsverlust ist geringer als berechnet, wegen (a) der endlichen Länge der öffnung, die gleich der Dicke der Ofenisolierung ist, und (b) der Reflektivität des Kühlers.

Wie ersichtlich, sind die Strahlungsverluste in den Vorrichtungen der Erfindung gemäß diesen Berechnungen fast vernachlässigbar.

C Wärmeleitungsverluste

Vor Bewertung der Wärmeleitungsverluste sollte ein maximaler Ofendurchmesser bestimmt werden. Aus F i g. 4 ist klar ersichtlich, daß ein Druckabfall zwischen dem Mittelpunkt und der zylindrischen Wand des Ofens vorhanden sein muß, um den gesamten durch den Ofen an den porösen Elektrodenelementen erzeugten Natriumdampf nach außen gegen die öffnungen in der Ofenwand zu treiben.

Zum Zweck der Berechnung wird die Anordnung eines gleichseitigen Dreiecks gemäß F i g. 4 angenommen. Der Radius jedes Rohrs wird als ein üblicher von 0,25 cm angesetzt, und benachbarte Rohre sind 0,75 cm

Die Abgabcspannung unter Strumfluß beträgt: V = 0,537 - 0,O?235 ta ρ - 0,4ί. (7)

Einige numerische Werte von V, η und Tc bei verschiedenen Werten von ρ und / sind in Tabelle II wiedergegebea

B. Strahlungsverluste

Gemäß Standardtext bezüglich der Flüssigkeitsströmung ist die Strömungsgeschwindigkeit durch eine öffnung die Schallgeschwindigkeit, wenn der Druck auf der niederen Druckseite geringer als oder gleich dem

von Mittelpunkt zu Mittelpunkt getrennt, und es besteht ein Eintiuchheizrohr für je zwei /?-Aluminiumoxidrohre mit dem gleichen Radius von 0,25 cm. Ein Druckabfall von OJS Torr kann von den 1,5 Torr am Mittelpunkt des Ofens zu den 1,0 Torr an der Peripherie des Ofens toleriert werden. Dadurch wird die Spannungsabgabe der innersten Rohre um nur 0,037 Volt gemäß Gleichung (7) verringert

Nach einem Standardtext zeigt die folgende Formel (von Bergelin et aL) den Druckabfall je Rohrreihe in laminarer Fließströmung durch eine Reihe von Rohren unter isothermen Bedingungen:

_ 280 (D,) 1,6 (eKmax²) 0,45 kg ■ Kraft

(P)

(2gc)

0,09 m²

(10)

worin (Nr^ die modifizierte Reynold'sche Zahl ist, die bei etwa 10 liegt, d. h. gut im laminaren Strömungsbereich liegt und

worin der hydraulische Radius Gleichung wiedergegeben ist:

(11) D_r durch folgende

4 χ (freies Bündelvolumen)

" (ausgesetzter Oberflächenbereich der Rohre)'

(12)

wobei ρ die Dichte, μ die Viskosität und V_m„ die maximale Geschwindigkeit des Natriumdampfs sind. In der Gleichung (10) ist D, der Rohrdurchmesser und P der Abstand gleich dem Rohrabstand von Mittelpunkt zu Mittelpunkt in der Anordnung des gleichseitigen

Dreiecks von ^-Aluminiumoxid und Heizeintauchrohren.

Der Parameter β - P/D, ( -1,5 für gewählte Werte) is t bestimmt Es kann gezeigt werden (durch Beweisführung anhand einer kristallographischen Einheitszelle),

daß für die Vorrichtung der F i g. 4 D_r der nachfolgenden Gleichung(13) entspricht:

(4(10,39/?V -3 χ 2nr

= (2,205 ß² - 2)r = 0,74 cm.

(13)

Bei einer Änderung der Dimensionen wird die Gleichung (10) zur Gleichung (10')

/Ip = 0,210/T' * ρ V² max/2 (N_Ke)_v Torr, (10')

Ap = Ο,ΙΟ.'ϊρ-¹·" ^„„^/(2,205^ - 2)rTorr. (14)

Die Viskosität μ des Natriumdampfes bei 1073° K wird als 1,8 :<: ΙΟ-⁴ Poise angenommen.

Κ™ ist die Geschwindigkeit des Natriumdampfes durch die Lücken zwischen den Rohren. Sie nimmt als eine Funktion der Radialkoordinate R der Querschnittsentfernung vom Mittelpunkt des Ofens zu, weil der Natriumdampf über den gesamten Ofen erzeugt wird, "η« wird nun berechnet

In der Vorrichtung der Fig.4 beträgt die Zahl der /?-Aluminiumoxidrohre/cm² des Querschnitts 0,1925/ ß² fi. Somit ergibt sich die Anzahl der Rohre innerhalb eines Radius R ab

0,1925 πΚ/βϊ i*-0,605 B?lp fi. Je Einheitslänge haben diese Rohre einen Gesamtober flftchenbereich von 3,80 K¹IfPr. In Übereinstimmung mit dem Beispiel von Abschnitt B wird die Stromdichte als 0,24 A/cm² des /J-Aluminhimoxkis angenommen. Innerhalb eines Radius R werden daher 9,45x10-« Jf²ZjJ²T-MoI Natriumdampf je cm Länge des Ofens erzeugt Dieser Dampf strömt durch eine Fliehe von etwa 2JTA(I-Jj-') nach außen, dem offenen Bereich zwischen den Rohren. Es folgt, daß

= 1,504 χ 10-⁶Κ/(1 - β'¹) fr Mol/cm² sec, wobei

ρ(Κ)/23 = p(K)/6,23 χ 10* T gemäß dem idealen Gasgesetz ist Somit ergibt sich:

AV^(R) = 9,373 χ 10-²TKZzS²Tp(K)(I - ß~^l), 0,984 χ IQ"² ß~^ut

Ap = -

(2,205^-2)^(1 -Γ V

(15) (16)

Die Anzahl der Rohrreihen je Einheitslänge beträgt etwa 0,577/jJr und indem dies plus die Werte Γ-1073 und μ=-= 1,8χ 10~⁴ eingefügt werden, ergibt Gleichung (16)

P(K) dp = -

1,10 χ 10"³KdK

(2.2O50² -

- 0-V

• (16')

Integrierung von (16') aus R—0, p-1,5 bis R-= Rr, P= 1,0 ermöglicht die Lösung für den Ofenradius Rf. (Es ist nicht zu erwarten, daß die Integrierung zu großen Fehlern führt) Somit ergibt sich

1 = 2,25 -

1,10 χ

1,10 χ IQ'

(2,205/J²- 2)/)*-^er³(l - ß~^l)

^K '

• 07')

Unter Einfügung der gewählten Werte von 0-1,5 und r— 0,25 in (17') ergibt sich /?/■—10,65 cm für den Innenradius des Ofens. Dieser nimmt etwa 490 /J-Aluminiumoxidrohre mit einer elektrischen Abgabeleistung von 81 Watt je cm Ofenlänge für gegebene Parameter auf.

Wie vorher werden 9,45xlO-*Ä-²/0²rMol Natriumdampf je Sekunde je cm Länge des Ofens erzeugt Für /{-10,65cm, /J-I₁S und r-0,25 cm ergeben sich dann 1,905 χ ΙΟ-³ Mol/cm sea Aus Gleichung (9) ist die Schallströmung aus einer Düse

3,983 χ

1,216 χ ΙΟ-³ Mol/cm² see

bei 1 Torr und 1073⁰K. Somit wird durch Division der erzeugten Mole je Länge je Sekunde durch die Mole, die

je Öffnungsfläche strömen, ein Wert von 1,57 cm

Umfangsabstand erhalten, und daher ist jede öffnung in F i g. 4 etwa 0,4 cm breit Bei einer Mineralfilzisolierung mit einer Stärke von

5 cm und einer mittleren Wärmeleitfähigkeit über den Temperaturbereich von 1,44 χ 10~³ Watt/cm ("C) und einem Temperaturabfall von 775°C beträgt der erhaltene Wärmeverlust 18,4 Watt je cm Ofenlänge. Bei einer Anfangswirksamkeit von 27% (siehe Abschnitt B)

muß die Wärmezufuhrleitung je cm Ofenlänge 81/0,27-300 Watt sein, wozu der Leitungsverlust von 18,4 Watt nun hinzuaddiert werden muß. Dadurch wird der Wärmewirkungsgrad von 27% auf 25,4% herabgesetzt Die Endflächenverluste wurden hier unberück- sichtigt gelassen, weil sie umgekehrt von der Länge des Ofens abhängen und im Prinzip vernachlässigbar gemacht werden könnea

D. Sammelschienenverluste

Für niedrige Spannungen, hohe Stromstärken können die Wärmeleitungsverluste unterhalb der elektrischen Sammelschienen beträchtlich sein. Wenn man diesen

so Leitern ein zu großes Verhältnis von Länge: Querschnitt erteilt, werden die elektrischen Widerstandsverluste groß. Es besteht stets ein optimales Verhältnis von Länge zu Fläche und ein damit verbundener nicht reduzierbarer Verlust. Die Sammelschienenverluste können gering gemacht werden, wenn die Spannung durch elektrische Reihenschaltung erhöht werden kann. Es ist ersichtlich, daß einige Stufen der Reihenschaltung genügen.-Der Bruch für den Wirkungsgrad ergibt sich wie folgt:

nV -

nV/ti, -(ay) + xAT_By '

(18)

y =

Querschnittsfläche einer Sammelschiene

(Länge der Sammelschiene) χ (Stromstärke in der Sammelschiene)

18

IXe Berechnung erfolgt für zwei Sammelschienen, eine positive und eine negative. *j, ist der Wirkungsgrad in Abwesenheit von Sammelschienenverlusten und α ist die Anzahl von Stufen elektrischer Reihenschaltungen. V ist die Spannung je Element, σ und χ sind die elektrischen bzw. thermischen Leitfähigkeiten der Sammelschienen und AT at der Temperaturabfall längs der Sammelschiene. Zur Optimierung muß y die positive Wurzel der nachfolgenden Gleichung sein.

y² - (4/naV)y + (1 -

= 0. (19)

Für die Werte in Tabelle III wird angenommen, daß V-0,44 Volt, 0-2,14XlO⁵OhJn-¹Cm-I, η,-0,25, x-3,7 Watt/cm("C) und AT-775°C sind. Diese Werte entsprechen den Eigenschaften von Kupfer und stimmen im ßbrigen mit den vor hergewählten Parametern überein. Eine insgesamt Parallelschaltung führt zu fl-1. Wo fl-2 ist, ergibt sich eine Reihenschaltung.

Aus Tabelle IH ist ersichtlich, da3 die vollständige Parallelschaltung eine erhebliche Herabsetzung des Wirkungsgrades von 25% auf 15% ergibt Bei drei Stufen von Reihenschaltung wird der Wirkungsgrad auf

Tabelle I Bezeichnung

22% verbessert. Überdies hinaus kommt man leicht in verringernden Rückfall. Durch τι-Stufen wird ausgedrückt, daß die ft-Aliiminiumoxidrohre in π Bündel gleicher Anzahl unterteilt sind; die Rohre innerhalb eines Bündels sind parallel geschaltet, und die gesonderten Bündel sind in Reihe geschaltet Die imaginären Teilungsflächen zwischen den Bündeln sollten möglichst viele konzentrische zylindrische Oberflächen sein. Ein derartiges Schema würde am ίο besten der sich geringfügig veränderndenJipannung je Rohr als eine Funktion der Koordinate R gewachsen sein.

E. Leistungsdichte

In Abschnitt C ergibt eine Berechnung 81 Watt elektrischer Abgabeleistung je cm Ofenlänge bei einem Ofendurchmesser einschließlich Isolierung von 313 cm. Dies berechnet sich zu 105 kW/m³. Diese Zahl schließt nicht das von den Kühlern, Pumpen und Umlaufrohren eingenommene Volumen ein. Eine Gesamtleistungsdichte von über 50 kW/m³ bis zu 100 kW/m³ erwies sich als durchführbar.

Symbol

Beschreibung

Einheiten

C	Schallgeschwindigkeit
CP	Wärmekapazität von flüssigem Natrium
D1	Durchmesser derjS-Aluminiumoxidrohre
Dv	Hydraulischer Radius
f	Molare Strömung (von Natriumdampf aus der Öffnung)
F	Faraday (= % 500)
ge	Gravitationskonstante (= 32,17)
I	Stromdichte (injS-Aluminiumoxid)
L	Verdampfungswärme
M	Molekulargewicht (von Na = 23)
(NRX	Modifizierte Reynold-Zahl
P	Druck des Na-Dampfs im Ofen
Po	Dampfdruck von Na
p'	Druck
P	Abstand, eine Rohrabstandsdimension
r	Radius eines j8-Aluminiumoxidrohrs
R	Gaskonstante
Ti	Radialkoordinate im Ofen /
Rf	Innenradius des Ofens
T	Ofentemperatur (d. h. hoch) der Maschine
TcnJ	Kühlertemperatur (d. h. niedrig)
A T	-T- Tmnd
AT»	— γ - f
V	Spannungsabgabe Qe Element)
'max	Geschwindigkeit des Na-Dampfs im Ofen
y	Fläche/Länge/Stromstärke in der Sammelschiene
Z	Ohm- plus Polarisationsimpedanz der ^-Aluminiumoxid
	Rohrwände
β	P/D,
V	CJC (für Natriumdampf = 1,667)

cm see

cal ΜοΓ¹ C"¹

cm

cm

Mol cm"² see"¹

Coulomb Mol"¹

0,3 m see"²

A cm"²

cal Mol"¹

Gramm Mol"¹

Dimensionslos

Torr

Torr

dyn cm"²

cm

cm

1,987 cal ( C)"¹ ΜοΓ

cm

cm

⁰K

⁰K

⁰K

⁰K

Volt

cm see '

cm Λ '

Ohm cm²

Dimensionslos Dimensionslos

Fortsetzung Bezeichnung	28 29 987 19	20	Einheiten
Symbol	Beschreibung	Dimensionslos Watt taT1 ("C)"1 Poise Gramm cm"3 Ohm"1 cm"1
K μ P σ	Wirkungsgradbruch Wärmeleitfähigkeit (Sammelschiene) Viskosität des Na-Dampfs Dichte des Na-Dampfs Elektrische Leitfähigkeit (Sammelschiene)

Tabelle II Berechnung für T= 1073⁰K

P (Torr)

(A/cnT²)

0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 2,0 3,0 3,0 3,0 3,0 4,0 4,0 4,0 4,0 10,0 10,0 10,0

0,04

0,08

0,16

0,24

0,32

0,40

0,43

0,56

0,04

0,08

0,16

0,24

0,32

0,40

0,03

0,06

0,12

0,18

0,24

0,30

0,12

0,24

0,36

0,12

0,24

0,36

0,12

0,24

V (Volt)

0,604 0,588 0,572 0,540 0,508 0,476 0,444 0,412 0,380 0,539 0,523 0,507 0,475 0,443 0,411 0,379 0,475 0,453 0,451 U,427 0,403 0,379 0,355 0,437 0,389 0,341 0,293 0,411 0,363 0,315 0,267 0,314 0,278 0,230

Watt/cm² Keramik

0,024

0,046

0,086

0,122

0,152

0,177

0,198

0,213

0,021

0,041

0,076

0,106

0,132

0,152

0,014

0,027

0,051

0,073

0,091

0,106

0,047

0,082

0,106

0,044

0,076

0,096

0,033

0,055

Wirkungsgradbruch*)

' cond.

*) Die Wirkungsgrade bei Null-Leistung stellen einen berechneten Begrenzungswert dar. Null bei Null-Lcistungsabgabc.

0,345	662
0,339	662
0,332	662
0,320	662
0,306	662
0,-193	662
0,278	662
0,264	662
0,248	662
0,321	687
0,315	687
0,308	687
0,294	687
0,280	687
0,265	687
0,249	687
0,300	714
0,290	714
0,285	714
0,274	714
0,262	714
0,251	714
0,238	714
0,280	731
0,257	■ 731
0,232	731
0,206	731
0,268	744
0,244	744
0,219	744
0,192	744
0,227	787
0,200	787
0,171	787
Praktische Wirkungsgrade sind natürlich

21	Tabelle III	28 29 987	Y	V
η		9,979 X ΙΟ"5 8,696 X ΙΟ"5 8,300 X ΙΟ"5 8,108 X ΙΟ"5 7,774 X ΙΟ"5	0,151 0,195 0,212 0,221 0,238
1 2 3 4 10	Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie unter Verwendung von Alkalimetall als Arbeitssubstanz, wobei das Alkalimetall in einer ersten Reaktionszone bei einer Temperatur von Ober 300° C an einer Seite des Festelektrolyten zu Kationen ionisiert wird, die Alkalikationen in einer zweiten Reaktionszone an der anderen Seite des mit einer porösen Elektrode verbundenen Festelektrolyten zu elementarem Alkalimetall zurückverwandelt werden und das elementare Alkalimetall aus der porösen Elektrode ineine Ofeazone verdampft wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Alkalimetalldampf von der Ofenzone durch geformte öffhungseißrichtungen in der die Ofenzone umgebenden Ofenwand hydrodynamisch an eine Kühlvorrichtung zur Kondensierung des Alkalimetalls abgegeben wird, wobei die Kühlvorrichtungen bei einer Temperatur in einem Bereich von wenigstens etwa 100⁰C unterhalb der Temperatur in der ersten Reaktionszone gehalten werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Alkalimetall Natrium verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Alkalidampf aus der Ofenzone durch die geformten Öffnungseinrichtungen bei oder nahe bei Schallgeschwindigkeit ausgeströmt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Alkalidampf in der Ofenzone bei einem Druck in einem Bereich von etwa 1 bis 20 Torr gehalten wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ofenwand etwa 25° C unterhalb der Temperatur der ersten Reaktionszone gehalten wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei jeweils mit einer porösen Elektrode verbundene Festelektrolyte in elektrischer Reihenschaltung verbunden werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das in voneinander elektrisch isolierten Kühlbereichen gesammelte Alkalimetall jeweils so rückgeführt wird, daß es in elektrischen Kontakt mit solchen Innenseiten der Festelektroyte kommt, die in elektrischem Kontakt miteinander stehen.

8. Thermoelektrischer Generator zur Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie unter Verwendung von Alkalimetall als Arbeitssubstanz, für dessen Arbeitszyklus ein oder mehrere Behälter mit Wandungen aus kationisch leitendem Festelektrolyt in einer Ofenzone vorgesehen sind, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine getrennte Kühlvorrichtung durch geformte enge öffnungen mit der Ofenzone verbunden ist.

9. Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 8 mit mehreren Behältern mit Wandungen aus Festelektrolyt, dadurch gekennzeichnet, daß die Behälter zumindest teilweise elektrisch in Reihe geschaltet sind.

10. Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die

Wandungen aus Festelektrolyt ein unten geschlossenes Rohr bilden.

11. Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Festelektrolyten verbundene Elektrode ebenfalls die Form eines unten geschlossenen Rohres hat

12. Thermoelektrischer Generator nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitungen zwischen in Reihen geschalteten Behältern im wesentlichen isotherm gehalten sind