DE2829987C3 - Thermoelektrischer Generator und Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie - Google Patents
Thermoelektrischer Generator und Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische EnergieInfo
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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 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 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
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 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 Of inzone 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 abgegeben 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.
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 35 11 715, Derartige Vorrichtungen,
beispielsweise unter Verwendung von Natrium als Arbettsfluid umfassen im allgemeinen einen geschlossenen
Behälter, der in zwei verschiedene Druckbereiche durch einen Festelektrolyt getrennt ist In dem höheren ο
Druckbereicb befindet sich Alkalimetall in Flüssigkeitskontakt mit dem Elektrolyten oder der in elektrischem
Kontakt damit stehenden Elektrode. In dem niedrigeren Druckbereich befindet sich eine poröse Elektrode in
elektrischem Kontakt mit dem Festelektrolyt Die ι ο 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 ι s
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 MillitoiT. In diesem Druckbereich wäre der Druckunter- jo
schied zwischen der höheren Druckzone und niedrigeren Druckzone am größten und führte zu den größten
feststellbaren Spannungsabgaben. Darüber hinaus verwenden derartige bisher bekannte Vorrichtungen eine
Sammelzone für Alkalimetalldampf, die aus einer js 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 nachteilige*' Weise der Bahn dieses Alkalimetalls zu den 4n
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 ,0
nach seiner Verdampfung von der Oberfläche der porösen Elektrode in dem unteren Druckbereich
optimal bei einem ausreichenden Wert zur 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,
Mundstacke, Düsen, passieren, welche die Dampfströmung verengen, wobei der Wärmestrahlungsverlust zu
den Kühlkondensatoren herabgesetzt wird.
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 rascne hydrodynamische Strömung des
Alkalidampfes durch geformte öffnungen Strahlungswärmeverluste beseitigt werden, was von hoher
praktischer Bedeutung ist
Eine Ausführungsform 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 Alkalimetalls ionisch leitend sind; (4) Alkalimetall in der ersten R?,°ktionszone und in
entsprechender Fließverbindung mir 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 Alkalimetali hindurch wandern kann; (6) Leitungseinrichtungen (I) für den
Elektronenfluß zwischen (a) einem ersten Anteil des Alkalimetalls, das sich in der ersten Reaktionszone und
in Fließverbindung 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 Festelektroiyten befindet und (b) einem zweiten Teil der
Elektrodenelemente innerhalb der zweiten Realaionszone
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 Jen Teilen der
Festelektrolyte zu stehen; (8) Temperatur-Regeleinrichtungen, die geeignet sind, in der ersten Reaktionszone
eine Temperatur in, einem Bereich von wenigstens 100° C über die niedrigste Temperatur in der zweiten
Reaktionszone hinaus und eine Temperatur der Ofenwand in eiftim Bereich über die niedrigste
Temperatur hinaus beizubehalten und (9) eine Einricäitung zum Sammeln von Alkalimetalldampf in der
rweiterr 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 da" 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 der Ofenzone verbunden.
F i g. 1 einen sche-natischen senkrechten Schnitt einer
Ausführungsform eines thermoelektrischen Generators gemäß der Erfindung,
einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die eine konzentrische Vorrichtung mit vier Hochdruckbereichen
jeweils von Festelektrolyt umgeben, erläutert,
Fig. 3 einen schematischen senkrechten Dreiviertel-Querschnitt
der Ausführungsform der F i g. 2 mit einer Schnittansicht einer der Hochdruckzonen und
Fig.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 Fig. I Bezug genommen wird, worin ein
thermoelektrischer Alkalimetallgenerator in senkrechtem Schnitt, allgemein mit 2 bezeichnet, wiedergegeben
ist. Die Vorrichtung in Fig. I ist in einem chemisch beständigen Behälter 4, beispielsweise aus rostfreiem
Stahl iintpruphrarht D?r 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 vakuumdichten 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-^-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 Näiic lies 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 800°C 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 Alkalimetalls
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
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
Ofenzon^ 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 I 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 i4 mirieis Pumpe 5ö und Lritung 36 rückgciiihrt.
Die Leitung 36 weist vorzugsweise kapillare Dimensionen auf, um Wärmeleitungsverluste zu verringern. Die
Ofenzone 18 wird bei einer Temperatur von wenigstens 100°C über der Temperatur des Kühlertrogs 22
gehalten.
Das Alkalimetall wird somit von der Ofenzone 18 zu der Kühlzone 16 durch öffnung 26 in solcher Weise
entfernt, daß die mit dem aus der öffnung herau«'trömenden
Alkalimetall verbundene elektrische Energie im Vergleich zu dem Strahlungswärmeverlust aus der
öffnung 26 groß ist.
F i g. 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
152
Die Hochdruckbereiche A. B, C und D sind von zylindrischen Rohren 114A B und 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 114Λ 114ßu. dgl. befinden sich
entsprechende poröse Elektrodenelemente 120/4, B
u.dgl., die gleichfalls einzeln im allgemeinen dem porösen Elektrodenelement 20 der Vorrichtung gemäß
F i g. I entsprechen
Die Eintauchheizeinrichtungen 152 erstrecken sich über die Länge der Rohre 114/4, du.dgl. hinaus (siehe
F i g. 3) und liefern Wärmeenergie für die Vorrichtung. Die EKt-iuchheizeinrichtungen sind in dieser Ausführungsfornv
Heizrohre mit geschlossenen Enden und erstrecken sich von einer gemeinsamen Heizquelle,
beispielsweise einem Speicher von Helios'.i-ten. 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 #bzw. Cund D.
(Sie sind deutlicher in F i g. 3 wiedergegeben.)
Die elektrische Verbindung innerhalb der Vorrichtung der Fig. 2 ist durch die Sammelschienenleiter ab
und cd (aus geeignetem leitenden Material, wie beispielsweise Kupferplattierung mit einem alkalibeständigen
Oberzug) wiedergegeben, welche sich zwischen den porösen Elektrodenelementen 120/4 und
120ß bzw. 120C und 120D in Fig.2 erstrecken. Der
Sammelschienenleiter ac erstreckt sich zwischen der porösen Elektrode 120/4 und dem flüssigen Alkalimetall
in der Hochdruckzone C
Die elektrische Reihenschaltung mit der Sammelschiene «ein 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 F i g. 2 und 3
wiedergegeben, umfassen.
Die Ausführungsform der F i g. 2 mag durch Bezugnahme auf F i g. 3 besser verständlich sein, worin die
λ r.-.L—._ ι
schnittsansicht mit einer Schnittansicht der Hochdruckzone
D gezeigt ist.
In F i g. 3 gibt die Querschnittsansicht der Hochdruckzone D in größerem Detail den Durchgangsweg für das
Alkalimetall in Rohr 114D wieder. Das Rohr 114Dist mit flüssigem Alkalimetall ebenso wie die Rohre 114/4.
1 HS und lHCgefüilt.
Im Kühler 122 gesammeltes flüssiges Alkalimetall wandert mittels der elektromagnetischen Pumpe 138
durch die Kapillarleitung 136, die Zweigkapillarleitungen 136Cund I36D 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-Kexamikdichtung abgedichtet die ein geeignetes Metall aufweist wie
beispielsweise eine Tantal- oder Molybdänhülse oder Manschette 174D, mit aufgelöteter Nickel-Titan-Legierung
176D. Die Tantalmanschette ist auf sehr enge Einpassung mit Rohr 114D so maschinell bearbeitet daß
ein Grammatom-Verhältnis Ni-Ti-Lötlegierung von I : I 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
befindet, um unerwünschten Ladungsleckverlust längs
in 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 136/4 zu dem äußeren
Schaltkreis.
ι *. Das Sammelschienenband ac erstreckt sich zwischen
der porösen Elektrode 120/4 und der Zweigleitung 136C und ergibt eine elektrische Verbindung, die im
wesentlichen isotherm ist, in der Ofenzone 118.
;ii 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 3C0°C, und vorteilhaf-
.'i 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-
iii gen, kann jedoch auch KK) Torr oder höher sein,
beispielsweise zwischen etwa 1 bis 20 Torr, zweckmäßig etwa 1 bis 5 Torr.
Der Alkalidampf strömt hydrodynamisch durch Öffnungen 126 und 126' und wird in den Kühlern 122
π 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 Kühlertemperatur, daß der Druck in der Sammelzone
116 etwa die Hälfte des Drucks in der Ofenzone 118 ist,
wiiu eine iwcvkiiiäuigc Strömung von Alkalimetall
durch die Öffnungen 126 und 126' erreicht.
4-, 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.
vi Die Ofenzone 402 ist mit parallelen Reihen von /J-Aluminiumoxidrohren 404, wie vorstehend beschrieben,
welche Alkalimetall darin enthalten, gepackt Zwischen den /3-Aluminiumoxidrohren sind Eintauchheizeivirichtungen
406 eingesprengt Die Eintauchheizeinrichtungen 406 und die 0-Aluminiumoxidrohre 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-
M tung für je zwei /J-Aluminiumoxidrohre. Sämtliche
ß-Aluminiumoxidrohre und Eintauchheizeinrichtungen
sind zylindrisch und weisen gleichen Durchmesser auf und der Abstand zwischen ihnen ist gleich dem Radius
der ß-Aluminiumoxidrohre (oder Eintauchheizrohre),
b5 d. h. der Abstand von Mittelpunkt zu Mittelpunkt
entspricht drei Radien des 0-Aluminiumoxidrohrs (oder
der Eintauchheizeinrichtung).
Die Ofenwand 400 besitzt vier geformte, schlitzartige
Die Ofenwand 400 besitzt vier geformte, schlitzartige
öffnungen 408 darin, welche zu Sammelzonen 410
führen, welche die Kühler 412 und die Kühlerkühlleitungen 414 umfassen. Die Kühler 412 können von der
Ofenwand 400 durch geeignete, gasdichte Metall-Glas-Metall- oder Metall-Keramik-Metalldichtungen isoliert
sein, was schemntisch an den Stellen 428 angezeigt ist.
Die Ausführungsform der F i g. 4 hat viele Ähnlichkeiten zu derjert'Jen 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 /7-Aluminiumoxidrohr durch eine geeignete Metall-Keramikdichtung
abgedichtet. Der größte Teil des Äußeren des /?-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 /?-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 0-Aluminiumoxidrohren
und im wesentlichen in der gleichen Länge wie die /?-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 optimalen Längen sind eine Funktion: 1. Der maximal herstellbaren Länge
gccigficici Cicniiuiyt (beispielsweise p-AiumiMlurtloxid)-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 Brennzeilen 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 0-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
fl-Aluminhimoxidrohre) ergibt die treibende Kraft für
die Wanderung von Natriumionen durch de*? ^-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
in 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 Regeln
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 gemä3
Fig.4 erzeugt. Der Dampf muß aus den Zentralteilen
>i, 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.
in 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
ι -, 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
4Ii tatsächlich die »kalte« oder »Wärmesink«-Temperatur
der Vorrichtung. Diese hohen Wärmesinktemperaturen ergeben Einrichtungen, die als »Topping«-vjeneratoren
vci wciiuci WCIUCM küiincii. Aufaiiwäimc uci civm
400° C kann zum Betrieb eines thermoelektrischen
4-, »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 0-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 F i g. 2 und 3 praktisch gleich sind und ausführlich in diesen Figuren
erläutert sind.
In vorteilhafter Weise eignet sich die in Fig.4 wiedergegebene Ausführungsform gut zu einer Kombi-
eo 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 Wiederserteiler
sind natürlich voneinander isoliert. Die 5-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 Gruppe verbinden elektrische Leiter die
Elektrode,ielemente 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 i g. 2 und 3 beschriebenen Verfahren leicht ersichtlich.
Eine optimale Einteilung zur Reihenschaltung der Gruppen von /f-Aluminiumoxidrohren der Vorrichtung
der F i g. 4 besteht darin, die Gruppen radial konzentrisch zu machen. Dies geht auf den erwähnten geringen
Druck- und Konzentrationsgradienten 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.
Die Vorrichtung der Fig.4 ist gemäß folgenden
Berechnungen ausgebildet. Die Rohre sind aus Natrium-/?-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 800°C (10730K). Die Berechnungen
3I1IU Iciciii auf aliuct c Tempel aiui cn auüuucillicn.
A. Die ideale Wirksamkeit für den tbermoelektrischen Generator der Fig.4 in Abwesenheit von
Wärmeleitungs- oder Strahlungsverlusten wird nachfolgend
durch (1) wiedergegeben:
VvAAi - Zi"2/4.18
(D
Jeder Ausdruck ;n der Gleichung (t) besitzt die Dimensionen von cal cm2 /f-A^Os/sec. Der Zähler gibt
die durch die Vorrichtung erzielte elektrische Energie wieder. Vist die Spannung bei offenem Schaltkreis; Z\s\
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 Stromdichte. (Die geringe Menge an elektrischer
Energie, weiche 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 Verdampfun^swärme
von flüssigem Natrium, wird mit 23 498 cal/Mol bei 1073° K angenommen. Der letzte Ausdruck im
Nenner ist die absorbierte Wärme ie Mol flüssiges Natrium bei der Kühlertemperatur, wenn es in die
Hochdruckbereiche zurückgepumpt wird. Cn wird mit
etwa 7 cal/Mol angenommen.
Die EMK oder Spannung bei offener Schaltung ist als eine Nernst-Gleichung (2) wiedergegeben:
V =-■
4.I8RT
in worin po der Dampfdruck von Natrium bei der
Temperatur T darstellt und durch die Gleichung (3) wiedergegeben wird:
In/J0 = -'.2 423 T + 17.391
T, /und ρ sind unabhängige Variable. Die Kühlertemperatur
(d. h. die niedrigste Temperatur in der Kühlzone) wird durch Wiederanwendung der Gleichung
(3) erhalten und isi die Temperatur, bei der der Dampfdruck von Natrium p/2 ist (maximaler Massefluß
von Natrium erfolgt bei einem Druck in der SaimiicizuMc, der etwa die Käiilc ucm Diucks in dci
Ofenzone ist) und wird durch die Gleich ng (4) 4'>
wiedergegeben:
12 423
17.39 - In ρ 2
\_2 423
78.083 - In ρ
78.083 - In ρ
. 14)
Durch Kombination von (1), (2) und (4) ergibt sich die Gleichung (5):
ί,ρ) =
(RT F) In (P0 jp) - Zi 4AS
(RTIF) In (Po P) - ZV4AS + (L F)
Unter Berücksichtigung von T= 1073° K wird aus (3)
in po = 5ß\3 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).
:,{T = !O73CK. Lp) =
_ 5.812 - In ρ - 4.3311
20.356 - In ρ - 4.331 i 18.083
- In π
Die Abgabespannung unter Stromfluß beträgt:
V = 0,537 - 0,09235 In ρ - 0,4i. (7)
V = 0,537 - 0,09235 In ρ - 0,4i. (7)
Einige numerische Werte von V, η und Tc bei
verschiedenen Werten von ρ und / sind in Tabelle II wiedergegeben.
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
(ttt)
—fachen
desjenigen auf der Hochdruckseite ist. Cp/Cv= 1,667 für
ein einatomiges Gas. Das Druckverhältnis für Schallströmung
ist daher 0,49.
Gemäß Standardtext ist die Schallgeschwindigkeit;
Gemäß Standardtext ist die Schallgeschwindigkeit;
(8)
für Natriumdampf.
Je cm2 der öffnung ist die Strömung in MoINa/
cm2 see:
/ = ο/Μ χ 2454 Γ"2 = 3,983 χ ΙΟ"2 ρ/Γ"2. (9)
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 wird (diese Kombination ist ein Posten in Tabelle II), so ist /-1,216 χ ΙΟ"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 ΙΟ-'2 χ(1073«-687*)=6,25 Watt/cm2.
Bei einem Betrieb bei einer idealen Wirksamkeit von 28% beträgt die zugeführte Wärmeleistung 51,4/
0,28 =185,7 Watt/cmJ der Öffnungsfläche. Die Strahlungsverluste
verringern daher die Wirksamkeit auf höchstens 185,7/(185,7+6,25)x28-27%.
Der tatsächliche Strahlungsverlust ist geringer als berechnet, wegen (a) der endliehen Länge der öffnung,
die gleich der Dicke der Ofenisolierung ist, und (b) der Reflektivität des Kühlen.
Wie ersichtlich, sind die Strahlungsverluste in den Vorrichtungen der Erfindung gemäß diesen Berechnungen
fast vernachlässigbaf.
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
von Mittelpunkt zu Mittelpunkt getrennt, und es besteht
ein Eintauchheizrohr fftr je zwei/Ϊ-Aluminiumoxidrohre
mit dem gleichen Radius von 0,25 cm. Ein Druckabfall
von 0,5 Torr kann von den 1,5 Torr am Mittelpunkt des
5 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
ίο (von Bergelin et aL) den Druckabfall je Rohrreihe in
laminarer Fließströmung durch eine Reihe von Rohren unter isothermen Bedingungen:
Ip =
280 (D1) 1,6
(2gc)
0,45 kg Kraft 0,09 m2
(10)
worin (NgJr die modifizierte Reynold'sche Zahl ist, die
bei etwa 10 liegt, d. h, gut im laminaren Strömungsbereich liegt und
= Dv
(Π)
worin der hydraulische Radius D, durch folgende Gleichung wiedergegeben ist:
" ~ (ausgesetzter Oberflächenbereich der Rohre)'
(12)
wobei ρ die Dichte, μ die Viskosität und V™, die
maximale Geschwindigkeit des Natriumdampfs sind. In der Gleichung (10) ist Dx der Rohrdurchmesser und F
der Abstand gleich dem Rohrabstand von Mittelpunkt zu Mittelpunkt in der Anordnung des gleichseitigen
Dreiecks von ^-Aluminiumoxid und Heizeintauchrohren.
Der Parameter β - P/D, (-14 für gewählte Werte) ist
bestimmt Es kann gezeigt werden (durch Beweisführung anhand einer kristallographischen Einheitszelle),
daß für die Vorrichtung der F i g. 4 Dr der nachfolgenden
Gleichung (13) entspricht:
" 3 χ 2jtr
(13)
= (2,205 f - 2) r = 0,74 cm.
Bei einer Änderung der Dimensionen wird die Gleichung (10) zur Gleichung (IO')
Ip = 0,210/J-|e eVimax/2(7V1,J1(Torr, (10')
Ip = 0,105/Γ1·6 ^,/1/(2,205/P - 2)rTorr. (14)
Die Viskosität /* des Natriumdampfes bei 1073° K
wird als 1,8 χ 10~4 Poise angenommen.
Vm,r ist die Geschwindigkeit des Natriumdampfe!
durch die Lücken zwischen den Rohren. Sie nimmt al· eine Funktion der Radialkoordinate R der Querschnittsentfernung
vom Mittelpunkt des Ofens zu, weil dei Natriumdampf über den gesamten Ofen erzeugt wird
Κ™» wird nun berechnet.
In der Vorrichtung der F i g. 4 beträgt die Zahl der
/?-AJununiumojcidrohre/cm2 des Querschnitts 0,1925/
ß2 Is. Somit ergibt sich die Anzahl der Rohre innerhalb
eines Radius Aals
0,1925ji7?V/J2 ι*=0,605 F?I(P fi.
Je Einheitslänge haben diese Rohre einen Gesamtober-
Je Einheitslänge haben diese Rohre einen Gesamtober-
flächenbereich von 3,80 R2Z^r. In Obereinstimmung mit
dem Beispiel von Abschnitt B wird die Stromdichte als
0,24 A/cm2 des 0-Aluminiumoxids angenommen. Innerhalb
eines Radius R werden daher 9,45 χ 10~6 T(1IfPr MoI Natriumdampf je cm Länge des Ofens
erzeugt Dieser Dampf strömt durch eine Fläche von etwa 2jtä(1-0-') nach außen, dem offenen Bereich
zwischen den Rohrea Es folgt, daß
V**x(R) x e(R)/23 = 1,504 χ 10"6R/(l -/T1) fr Mol/cm2 sec,
wobei
<?(R)/23 = p(R)/6,23 χ 10* T
gemäß dem idealen Gasgesetz ist Somit ergibt sich:
gemäß dem idealen Gasgesetz ist Somit ergibt sich:
0,984 χ ΙΟ"2/*-1·6/
\p = -
\p = -
(15)
(16)
(16)
Die Anzahl der Rohrreihen je Einheitslänge beträgt etwa 0,577/0/-und indem dies plus die Werte Γ=1073
und μ=ίβχ10~* eingefügt werden, ergibt Gleichung
(16)
1,10 χ
Intcgnerung von (16') aus Ä=0, p=l,5 bis R= Rf,
p·= 1,0 ermöglicht die Lösung für den Ofenradius Rn(Es
ist nicht zu erwarten, daß die Integrierung zu großen Fehlern führt) Somit ergibt sich
1,10 χ
12,205/i2 -
12,205/i2 -
P = a25 - , (17)
- 2,25 -
Unter Einfügung der gewählten Werte von 0=1,5
und r-0,25 in (17*) ergibt sich Rf 10,65 cm für den
Innenradius des Ofens. Dieser nimmt etwa 490 0'Aluminiumoxidrohre mit einer elektrischen Abgabeleistung
von 81 Watt je cm Ofenlänge für gegebene Parameter auf.
Wie vorher werden 9,45xlO-*Ä-2/02rMol Natrtumdampf
je Sekunde je cm Länge des Ofens erzeugt. Für Ä-10,65 cm, 0-14 und r-0,25 cm ergeben sich
dann 1,905 χ 103 Mol/cm see Aus Gleichung (9) ist die
Schallströmung aus einer Düse
3583 χ 10-Jp/7i«- U16 χ 10-* Mol/cm* see
bei 1 Torr und 1073° K. Somit wird durch Division der erzeugten Mole je Länge je Sekunde durch die Mole, die
bei 1 Torr und 1073° K. Somit wird durch Division der erzeugten Mole je Länge je Sekunde durch die Mole, die
je Öffnungsfläche strömen, ein Wert von 1,57 cm
jo 5 cm und einer mittleren Wärmeleitfähigkeit über den
Temperaturbereich von 1,44XlO-3 Watt/cm (0C) 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 unberücksichtigt
gelassen, weil sie umgekehrt von der Länge des Ofens abhängen und im Prinzip vernachlässigbar
gemacht werden können.
-. 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.
genügen.-
nV - 2(^v)"1
Qiierschnittsfliichc einer Sammelschiene
(Lunge der Sammelschiene) χ (Stromstärke in der Sammelschiene)
(18)
18
Die Berechnung erfolgt für zwei Sammelschienen, eine positive und eine negative, tj, ist der Wirkungsgrad
in Abwesenheit von Sammelscbjenenverlusten und η 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 ATlst der Temperaturabfall längs
der Sammelschiene. Zur Optimierung muß y die positive
Wurzel der nachfolgenden Gleichung sein.
f - WnaV)y + (1 - 2f/fl)/(2<rx/IT) = ο. (19)
Für die Werte in Tabelle III wird angenommen, daß V=OM Volt, O=^HxIO5OhIn-On-', τ;,=0,25,
κ=3,7 Watt/cm (0Q und dr=775°C sind. Diese Werte
entsprechen den Eigenschaften von Kupfer und stimmen im übrigen mit den vorhergewählten Parametern
fiberein. Eine insgesamt Parallelschaltung führt zu Jj= 1. Wo Ji=2 ist, ergibt sich eine Reihenschaltung.
Aus Tabefle III ist ersichtlich, daß 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
Bezeichnung
22% verbessert Überdies hinaus kommt man leicht in verringernden Rückfall. Durch /j-Stufen wird ausgedrückt,
daß die /)-Aluminiumoxidrohre in η 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 verändernden JSpannung je
Rohr als eine Funktion der Koordinate R gewachsen sein.
ι;, 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
Einheiten
AT
Δ T6
Δ T6
Faraday (= 96 500)
Druck
Spannungsabgabc (je Element) Geschwindigkeit des Na-Dampfs im Ofen
Fläche/Länge/Stromstärke in der Sammelschiene
Rohrwände
P/D,
cm see"1
cal ΜοΓ1 C1
cm
cm
Mol cm"2 see"1
0,5 m see"2
A cm"2
cal Mol1
Gramm ΜοΓ1
Torr
Torr
dyn cm"2
cm
cm
1,987 cal ( C) '
cm
cm
0K
0K
0K
0K
Volt
cm see '
cm Λ '
Ohmcm2
cm Λ '
Ohmcm2
Dimensionslos Dimensionslos
Mol
F | ortseuung | Beschreibung | (Sammelschiene) | V | ;lschiene) | Wirkungs | Einheiten |
Bezeichnung | Wirkungsgradbruch | Viskosität des Na-Dampfs | (Volt) | gradbruch· | Dimensionslos | ||
Symbol | Wärmeleitfähigkeit | Dichte des Na-Dampfs | 0,604- | 0,345 | Watt cnT1 ( C)"1 | ||
Ί | Elektrische Leitfähigkeit (SamiTU | 0,588 | Watt/cm2 | 0,339 | Poise | ||
K | 0472 | Keramik | 0,332 | Gramm cm"3 | |||
= 10730K | 0,540 | 0 | 0,320 | Ohm"1 cm ' | |||
P | / | 0,508 | 0,024 | 0,306 | |||
σ | (A/cm"2) | 0,476 | 0,046 | 0,293 | |||
Tabelle II | 0 | 0,444 | 0,086 | 0,278 | Tcond. | ||
Berechnung für T | 0,04 | 0,412 | 0,122 | 0,264 | 0K | ||
P | 0,08 | 0,380 | 0,152 | 0,248 | 662 | ||
(Torr) | 0,16 | 0439 | 0,177 | 0,321 | 662 | ||
0,5 | 0,24 | 0423 | 0,198 | 0,315 | 662 | ||
0,5 | 0,32 | 0407 | 0,213 | 0,308 | 662 | ||
04 | 0,40 | 0,475 | 0 | 0,294 | 662 | ||
0,5 | 0,48 | 0,443 | 0,021 | 0,280 | 662 | ||
0,5 | 0,56 | 0,411 | 0,041 | 0,265 | 662 | ||
04 | 0 | 0,379 | 0,076 | 0,249 | 662 | ||
0,5 | 0,04 | 0,475 | 0,106 | 0,300 | 662 | ||
04 | 0,08 | 0,453 | 0.132 | 0,290 | 687 | ||
0,5 | 0,16 | 0,451 | 0,152 | 0,285 | 687 | ||
0,24 | 0,427 | 0 | 0,274 | 687 | |||
0,32 | 0,403 | 0,014 | 0,262 | 687 | |||
0,40 | 0,379 | 0,027 | 0,251 | 687 | |||
0 | 0,355 | 0,051 | 0,238 | 687 | |||
0,03 | 0,437 | 0,073 | 0,280 | 687 | |||
0,06 | 0,389 | 0,091 | 0,257 | 714 | |||
0,12 | 0,341 | 0,106 | 0,232 | 714 | |||
,0 | 0,18 | 0,293 | 0 | 0,206 | 714 | ||
,0 | 0,24 | 0,411 | 0,047 | 0,268 | 714 | ||
,0 | 0,30 | 0,363 | 0,082 | 0,244 | 714 | ||
,0 | 0 | 0,315 | 0,106 | 0,219 | 714 | ||
,0 | 0,12 | 0,267 | 0 | 0,192 | 714 | ||
,0 | 0,24 | 0,314 | 0,044 | 0,227 | 731 | ||
,0 | 0,36 | 0,278 | 0,076 | 0,200 | 731 | ||
2,0 | 0 | 0,230 | 0,096 | 0,171 | 731 | ||
2,0 | 0,12 | 0 | 731 | ||||
2,0 | 0,24 | 0,033 | 744 | ||||
2,0 | 0,36 | 0,055 | 744 | ||||
2,0 | 0 | 744 | |||||
2,0 | 0,12 | 744 | |||||
2,0 | 0,24 | 787 | |||||
3,0 | 787 | ||||||
3,0 | 787 | ||||||
3,0 | |||||||
3,0 | |||||||
4,0 | |||||||
4,0 | |||||||
4,0 | |||||||
4,0 | |||||||
10,0 | |||||||
10.0 | |||||||
10.0 | |||||||
*) Die Wirkungsgrade bei Null-Leistung stellen einen berechneten Begrenzungswert dar. Praktische Wirkungsgrade sind natürlich
Null bei Null-Leistunfesabgabe.
21 22
I | 9.979 XlO | 0.151 |
2 | 8.696 ΧΙΟ' | 0,195 |
3 | 8,3(K) x IO ( | 0,212 |
4 | 8.108 x IO ' | 0,221 |
IO | 7.774 x IO ' | 0.238 |
I MlIVU .' MIiItI /ι'ίΐ'ΙίΜΙΙΠίΙιΠ
Claims (10)
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 über 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 in eine Ofenzone verdampft wird, dadurch ge- r
kennzeichnet, daß der Alkalimetalldampf von der Ofenzone durch geformte öffnungseinrichtungen
in der die Ofenzone umgebenden Ofenwand hydrodynamisch an eine Kühlvorrichtung zur
Kondensicrung 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.
Z 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 Öffnungseinrichtun- jo gen bei oder nahe bei Schallgeschwindigkeit
ausgeströmt wird.
4. Verfahren nach einem -Jer Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Alkalidampf in der
Ofenzone bei einem Druck r. einem Bereich von t~> 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 I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei
jeweils mit einer porösen Elektrode verbundene Festelektrolyte in elektrischer Reihenschaltung
verbunden werden. 1 >
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 v> 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 ο
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 m> Offnungen mit der Ofenione 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 U1 dadurch gekennzeichnet, daß die
Verbindungsleitungen zwischen in Reihen geschalteten Behältern im wesentlichen isotherm gehalten
sind.
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