SE430109B - Sett att omvandla vermeenergi till elektrisk energi med alkalimetall som arbetsemne samt termoelektrisk generatoranordning for omvandlingen - Google Patents

Description

7806325-2 io l5 20 25 -30 35 2 Driften av de ovan beskrivna kända anordningarna an- sågs tidigare vara optimal när det förelåg en makimal tryckskillnad mellan områdena med högre och lägre tryck.

Som en följd härav var det önskade ångtrycket hos alkali- metallen i området med lägre tryck normalt mycket lågt, dvs av storleksordningen millitorr. Vid detta tryckområde var tryckskillnaden mellan områdena med högre och lägre tryck som störst, vilket ledde till de största förmodade utspänningarna. Vidare utnyttjar de kända anordningarna en uppsamlingszon för alkalimetallånga, vilken zon består av en eller flera kylda väggar i-lågtrycksområdet varpå alkalimetall kondenserar och avtappas för återföring till högtrycksområdet. Värmestrålning åtföljer emellertid på ett ofördelaktigt sätt alkalimetallens väg till de kylda väggarna och hittills har man inte lyckats âtstadkomma f några effektiva_medel för att reducera dessa värmestrål- ningsförluster.

Vid föreliggande uppfinning hâlles ångtrycket i låg- _trycksområdet optimalt vid en nivå, som är tillräcklig för att medge hydrodynamiskt flöde, t ex cirka 0,05 torr eller ' högre, av alkalimetallångan efter dess förångning från ytan av den porösa elektroden. Alkalimetallångan i lågtrycksom- rådet kan sedan passera hydrodynamiskt genom formade öpp- ningar, t ex slitsar, mynningar eller munstycken, som be- gränsar ângflödet under det att värmestrâlningsförlusterna till kylkondensorerna minimeras.

I enlighet med uppfinningen kan nu ett flertal hög- trycksområden med fördel införlivas i en anordning, vilket leder till större förmodade uteffekter för anordningarna jämfört med kända anordningar och metoder. Vidare kan elek- trisk seriekoppling inuti anordningen reducera ledningsför- lusterna. Dessutom kan ett snabbt hydrodynamiskt flöde av alkalimetallånga genom formade öppningar eliminera värme- strålningsförluster som ett praktiskt problem. 10 15 20 25 30 35 7806325-2 3 Kortfattad beskrivning av uppfinningen Enligt uppfinningen åstadkommes ett sätt att omvand- la värmeenergi till elektrisk energi med alkalimetall som arbetsämne, och sättet kännetecknas därav, (1) att alkalimetall upphettas till en temperatur över ca 300°C i en första reaktionszon, som i huvudsak inneslutes av fast elektrolyt, vilken är väsentligen ogenomtränglig för elementär alkalimetall och föreningar därav samt genomtränglig med avseende på katjoner av alkalimetall, varvid den upphettade alkalimetallen i den första reaktionszonen uppnår ett högre àngtryck än det som existerar i en innesluten andra reaktionszon, vilken i huvudsak omger den fasta elektrolytinneslut- ningens ytteryta, som är i elektrisk kontakt med en elektriskt ledande elektrod, vilken är tillräckligt porös för att medge passage av alkalimetall därigenom, varvid tryckskillnaden mellan den första reaktionszonen och den andra reaktionszonen alstrar en elektrisk poten- tial över den fasta elektrolyten, vilken elektriska potential joniserar alkalimetallen till katjoner i den första reaktionszonen med förlust av elektroner till en yttre krets genom en elektriskt ledande negativ ledning, som befinner sig i elektrisk kontakt med alkalimetallen i den första reaktiønszonen och som är i huvudsak elektriskt isolerad från den porösa elek- troden; (2) att alkalimetallkatjonerna omvandlas till elemen- tär alkalimetall i den andra reaktionszonen vid den porösa elektroden med tillförsel av elektroner från den yttre kretsen genom en elektriskt ledande positiv ledning, som är i elektrisk kontakt med den porösa elektroden; (3) att den elementära alkalimetallen föràngas från den porösa elektroden till en ugnszon, som är omgiven av en ugnsvägg med formade öppningsorgan; och ïvaoezzs-2 10 15 20 25 30 35 -4 (4) att alkalimetallànga utmatas från ugnszonen genom de formade öppningsorganen till en kylzon med kylorgan för kondensering av alkalimetall, varvid kylorganen hål- les vid en temperatur, som är minst ca l00°C under tem- peraturen i den första reaktionszonen, och varvid ät- minstone en huvuddel av ugnsväggen hâlles vid en tempe- ratur överstigande temperaturen hos kylorganen.

I Enligt uppfinningen åstadkommas vidare en termo- elektrisk generatoranordning för omvandling av värme- energi direkt till elektrisk energi och anordningen I kännetecknas därav, att den inbegriper: (1) minst tvâ första reaktionszoner, vardera i en motsvarande ínneslutning av fast elektrolyt, som är I väsentligen ogenomtränglig för elementär alkalimetall och föreningar därav samt genomtränglig med avseende på katjoner av alkalimetall; I (2) minst två andra reaktionszoner, som är väsent- ligen inneslutna av en ugnsvägg, vilka andra reaktions- zoner väsentligen innesluter ytterytan hos varje inne-_ slutning av fast elektrolyt, vilken ytteryta är'i elek- trisk kontakt med en porös elektrod, som inbegriper en elektriskt ledande beläggning på ytterytan och som är tillräckligt porös för att medge aikaiimecail att pas- sera därigenom; ' (3) alkalimetall i varje första reaktionszon i flui- g_dumförbindelse med den fasta elektrolyten, (4) organ för elektrisk seriekoppling, vilka inbe- griper: ' (a) elektrisk förbindning från alkalimetallen i den första reaktionszonen i en första inne- slutning av fast elektrolyt till den porösa elektroden på en andra inneslutning av fast g elektrolyt, och (b) elektrisk förbindning från alkalimetallen i den första reaktionszonen i den andra inne- 10 15 20 25 30 35 7806325-2 5 slutningen av fast elektrolyt antingen direkt till den porösa elektroden på den första inne- slutningen av fast elektrolyt eller indirekt därtill genom elektrisk seriekoppling genom en eller flera ytterligare inneslutningar av fast elektrolyt; (5) en elektriskt ledande negativ ledning, som skapar elektrisk förbindning från alkalimetallen i den första reaktionszonen till en yttre krets, vilken negativa ledning är i huvudsak elektriskt isolerad från den porö- sa elektroden, (6) en elektriskt ledande positiv ledning, som skapar elektrisk förbindning från den yttre kretsen till den porösa elektroden, (7) temperaturreglerorgan, som är anpassade att upp- rätthâlla en temperatur i varje första reaktionszon av minst l00°C över den lägsta temperaturen i den andra reaktionszonen och en temperatur hos ugnsväggen över- stigande nämnda lägsta temperatur, (8) organ för uppsamling av alkalimetallànga från en ugnszon, som omges av ugnsväggen, vilka uppsamlings- organ inbegriper: (a) formade öppningsorgan i ugnsväggen för utmat- ning av alkalimetallànga från ugnszonen till en kylzon, samt (b) kylorgan i kylzonen som är anpassade att kondensera alkalimetallångan, samt (9) pumpar och ledningsorgan för att leverera delar av den kondenserade alkalimetallen från kylzonen till den första reaktionszonen i varje inneslutning av fast elektrolyt, varvid alkalimetallen i varje första reak- tionszon är elektriskt isolerad från alkalimetallen i varje annan första reaktionszon.

Ytterligare kännetecken hos uppfinningen framgår av den efterföljande beskrivningen samt de osjälv- ständiga patentkraven. 7806325 '-2 10' 15 '20 25 30 435 Ritningsbeskrivning Fig l är ett schematiskt vertikaltvärsnitt av en ut- föringsform av en termoelektrisk generator enligt uppfin- ningen. Fig 2 är ett schematiskt horisontaltvärsnitt av en annan utföringsform av uppfinningen och visar en koncen- 7 trisk anordning med fyra högtrycksområden, som vart och ett är omgivet av elektrolytfastämne. Fig 3_är ett schematiskt 3/4 vertikaltvärsnitt av utföringsformen i fig 2 med en .sektionsvy av en av högtryckszonerna. Fig 4_är ett schema- tiskt horisontaltvärsnitt av en annan utföringsform av upp- finningen och visar många högtrycksområden och nedsänkta upphettningselement i en koncentrisk anordning.

Detaljerad beskrivning av uppfinningen Uppfinningen förstås bäst genom att först hänvisa till fig l, där en termoelektrisk generator, som utnyttjar alka- _ limetall, visas i vertikaltvärsnitt och har den allmänna hänvisningsbeteckningen 2. Anordningen i fig l är inrymd i ett kemiskt beständigt kärl 4, t ex av rostfritt stål.

~ Kärlet eller röret 4 har en fläns 6 vid ena änden. Flänsen 6 är försedd med ett spår, vari en Ö-ringtätning 10 av mjuk metall vilar, vilken tätning åstadkommer en väsentligen vakuumtät' tätning när tätkplattan 12, som är bildad av ett s kemiskt motstândskraftigt material, är fäst till röret 4 medelst ej visade konventionella medel, såsom bultar. Inuti röret 4 finns ett mindre rör 14, som passar tätt in i en urtagning i plattan 12. Röret 14 kan dessutom hållas mot täckplattan 12 med ej visade krokar för att åstadkomma yt- terligare fasthâllning till plattan 12. Röret 14 är t ex utformat av ett katjoniskt ledande elektrolytfastämne, så- som en alkalimetall-B-aluminiumoxid med välkänd sammansätt- ining för dessa anordningar. (Se t ex amerikanska patent- skrifterna 3 404 036; 3 533 848 och 3 535 163). Den undre änden på röret 14 inbegripet sidorna och bottnen är försed- da med en tunn ledare 20 (vars tjocklek är något förstorad på ritningen), som är tillräckligt porös för att medge att arbetsfluidumet (t ex alkalimetall) passerar genom, men tillräcklig tjock för att leda elektricitet. 10 15 20 25 30 35 7806325-2 7 -Nära den undre änden av kärlet 4 finns en tryckzons- separator 24 (gjord av rostfritt eller något annat kemiskt "motståndskraftigt material), som tillåter utsläpp av alkali- metall genom öppningen 26, men som upprätthåller en tryck- skillnad mellan ugnszonen l8 och uppsamlingszonen 16. Efter passage genom öppningen 26 uppsamlas alkalimetallånga t ex som en vätska i kondensortråget 22. Kondensortråget 22 är svetsat till separatorn 24 och är kylt medelst värmeväx- lingsrör 28. Från kondensortråget 22 passerar alkalimetal- len genom ledningen 36 med hjälp av en pump 38 (mekanisk eller elektromagnetisk) till röret 14.

Upphettaren 52 är anordnad runt kärlet 4 och täckplat- tan 12, men kan också finnas i röret 14. Upphettaren 52 visas som en elektrisk anordning, men kan också ha formen av en värmemantel med smält fluidum, som omger röret 4.

Upphettaren 52 håller ugnszonen l8 och dess väggar i huvud- sak isotermiska.

Röret 14 visas i fig l fyllt med smält (t ex flytande) alkalimetall 40 från ledningen 36. Den positiva ledningen 48 sträcker sig från den porösa elektroden 20 genom isola- torn 50 i täckplattan 12.

Vid drift av anordningen omvandlas värme direkt till elektrisk energi. Röret 4 evakueras medelst lämpliga evaku- eringsorgan, såsom en evakueringspump (ej visad) och där- efter stängs ledningen 34 vid ventilen 32. Alkalimetallen 40 i röret 14, som upphettas med upphettaren 52 till en tempe- ratur av cirka 300-800°C eller högre, uppnår ett ångtryck, som är högre än det reglerade trycket i ugnszonen 18. Denna tryckskillnad skapar en elektrisk potential över elektro- lytröret l4. Alkalimetall passerar genom röret 14 i katjo- nisk form med förlust av elektroner till den externa kret- sen genom den negativa klämman 42. Elektroner återvänder genom den positiva ledningen 48 till ledaren 20, där de återförenas med katjonerna av alkalimetallen som passerar genom elektrolyten 14. Passningen mellan rörets 14 ände 7806_32S_-2 l0 15 20 25 30 35 28 -och urtagningen i täckplattan 12 behöver endast vara till- raakiigtotät för att läckage av aikaiimetaii förbi ae mot varandrapassande ytorna är ringa jämfört med den totala lströmmen av alkalimetalljoner genom väggen på röret 14.

Neutral alkalimetall förångas från den porösa elektro- den 20 och skapar ett ângtryck i ugnszonen 18. Genom att exempelvis variera belastningen hos den yttre kretsen för att gynna elektronflöde och resulterande bildning av alkali- metallånga, uppbygges ångtryck i ugnszonen 18. När trycket byggs upp i ugnszonen 18 börjar ett hydrodynamiskt flöde av ånga ut genom öppningen 26 och in i kondensortråget 22, där ångan kyls av värmeväxlaren 28. För alkalimetall, så- som natrium, uppnås lämpligt tryck i ugnszonen 18 i närhe- ten av cirka l torr för önskat flöde av alkalimetallânga.

Trycket i uppsamlingszonen 16 skall hållas vid cirka hälf- ten eller mindre av trycket i zonen 18 genom justering av temperaturen hos kondensorkoppen eller -tråget 22.

Kondensortråget eller -koppen 22 kan temperaturregleras genom exponering för omgivande temperatur, men regleras företrädesvis med värmevâxlarrör 28. Den alkalimetallånga som kondenseras i kondensortråget 22 återföres till röretl4 med hjälp av pumpen 38 och ledningen 36. Ledningen 36 har företrädesvis kapillära dimensioner för att reducera värme- ledningsförluster. Ugnszonen 18 hålls vid en temperatur av minst l00°C över temperaturen hos kondensortråget 22.

Alkalimetallen utmatas sålunda från ugnszonen 18 till kylzonen 16 genom öppningen 26 på ett sådant sätt att den elektriska energi som är förknippad med alkalimetallflödet _ut genom öppningen är stort i jämförelse med värmestrål- ningsförlusten ut genom öppningen 26.

Fig 2 visar en horisontell tvärsektionsvy av en andra ' utföringsform av uppfinningen. Det cylindriska kärlet 104, som är gjort av ett kemiskt motståndskraftigt material, såsom rostfritt stål, inneslutet i mineralisolering (ej visad), omger högtryckszonerna A, B, C och D samt de ned- sänkta upphettarna 152. 10 15 20 25 30 35 780-6325-2 9 Högtrycksområdena A, B, C och D omges av cylindriska rör ll4A, B, osv, av elektrolytfastämne med flytande alka- limetall inuti,varvid vart och ett individuellt i huvudsak motsvarar röret 14, som innehåller alkalimetall, vid anord- ningen i fíg l. I elektrisk kontakt med rören ll4A, 1148, osv, finns porösa elektrodelement l2OA, B, osv, som likaså individuellt motsvarar i huvudsak det porösa elektrodele- mentet 20 vid anordningen i fig l. _ De nedsänkta upphettarna 152 sträcker sig bortom rö- ren ll4A, B, osv (se fig 3) och alstrar värmeenergi för anordningen. De nedsänkta upphettarna vid denna utförings- form är värmerör med slutna ändar som sträcker sig från en gemensam värmekälla, såsom en ej visad samlingspunkt för heliostater. De nedsänkta upphettarna 152 kan också vara rör med öppna ändar, varigenom ett kontinuerligt flöde av varmt överföringsfluidum (t ex natrium) inkommer och ut- träder vid motsatta ändar hos anordningen. I ett sådant fall är det lämpligt att anordna uppsamlingszonen omkring det cylindriska rörets 104 omkrets.

Ledningarna 136 och 1361 leder alkalimetall från kon- densorerna till högtryckszonerna A och B, respektive C och D. (De visas tydligare i fig 3).

Den elektriska anslutningen inuti anordningen enligt lfig 2 visas i form av samlingsskenor ab och cd (gjorda av lämpligt ledande material, t ex koppar klätt med ett alkali- metallmotståndskraftigt överdrag), som sträcker sig mellan de porösa elektrodelementen l20A och l20B respektive l20C och l20D i fig 2. Samlingsskenan ac sträcker sig mellan de porösa elektroderna l2OA och den flytande alkalimetallen i högtryckzonen C.

Den elektriska seriekopplingen med samlingsskenan ac i anordningen är gjord för att reducera ledningsförluster jämfört med ett arrangemang, vid vilket all alkalimetallen i högtryckzonerna är elektriskt parallellkopplad. Anordning- arna enligt uppfinningen kan inbegripa parallell- eller seriekoppling eller kombinationer därav, såsom visas i fig 2 och 3. vaosszs-2 l0 15 20 25 30 _35 10 Utföringsformen i fig 2 förstås bättre med hänvisning till fig 3, där utföringsformen visas i en 3/4 vertikal tvärsnittsvy med en sektionsvy av högtryckzonen D.

I fig 3 visar sektionsvynav högtryckzonen D mera i detalj passagevägen för alkalimetall in i röret ll4D. Röret ll4D är fyllt med flytande alkalimetall liksom rören ll4A, 11413 och 114c. i _ Flytande alkalimetall, som uppsamlas i kondensorn 122, passerar med hjälp av en elektromagnetisk pump 138 genom kapillärledningen l36, som har kapillära grenledningar l36C och l36D. De kapillära ledningarna 136 och 1361 elektriskt isolerade från botten på kärlet 104 i fig 3. Så- som visas tydligare i sektionsvyn av högtryckzonen D, är grenledningen l36D (liksom de andra grenledningarna) elek- triskt isolerad från täckplattan 112 med isolatorn l72D, som sträcker sig genom täckplattan 112. Grenledningen l36D är visade (liksonxde andra grenledningarna) är tätad till röret ll4D med hjälp av en metall- till keramtätning, som inbegriper lämplig metall, t ex en tantal- eller molybdenhylsa l74D, som är slaglödd med nickel-titanlegering l76D. Tantalhyl- san är maskinbearbetad för mycket noggrann passning med ~ röret ll4D så att en Ni-Ti-hårdlödningslegering medettgramr atomförhållandeavwcirka 1:1 och användning av standard “aktiv metall"-hårdlödningsteknik, åstadkommer den nöd- vändiga högtemperaturtätningen mellan keramiskt material och metall.

Man bör vara noga med att kanten på hylsan l74D befinner sig på avstånd från kanten på den porösa elektro- den l2OD för att förhindra oönskat laddningsläckage längs gröret ll4D, mellan l74D och l2OD.

Samlingsskenan l48 sträcker sig från den porösa elek- troden ll4D genom isolatorn 150 i täckplattan 112 till den ej visade yttre kretsen. Den negativa klämman 142 sträcker sig från alkalimetallen inuti ledningsgrenen l36A till den yttre kretsen. 10 15 20 25 30 78063250 ll Samlingsskenan ac sträcker sig mellan den porösa elek- troden l20A och grenledningen l36C och åstadkommer en elek- trisk förbindelse, som är väsentligen isotermisk, inuti ugnszonen 118.

Vid drift evakueras först ugnszonen 118 och uppsam- lingszonerna 116 och 1161 först till under 0,1 torr, före- trädesvis 0,001 torr, med hjälp av en ej visad vakuumpump.

Den nedsänkta upphettarna 152 upphettar därefter ugnszonen 118 till driftstemperatur, t ex minst 300°C och lämpligen 800°C eller högre. Genom att variera den yttre kretsens be- lastning, uppbyggs lämpligt tryck i ugnszonen 118 när alka- limetallen förångas från de porösa elektroderna. Detta tryck bör normalt vara minst cirka 0,5 torr men kan vara 100 torr eller högre, t ex mellan l-20 torr, helst cirka 1-5 torr.

Alkalimetallânga strömar hydrodynamiskt genom öpp- ningarna 126 och 1261 och uppsamlas 1 kondensorerna 122 och 1221. Kondensorerna 122 och 1221 rata värmeväxlare 128 respektive 1281,smnkyleralkalimetaflr är i kontakt med sepa- angan. mot plattan 124 via de dubbla metall/keramtätningarna 130 och 1301. Genom att hålla kondensortemperaturen sådan, att trycket i uppsamlingszonen 116 är ungefär hälften av tryc- ket i ugnszonen 118, uppnås önskat flöde av alkalimetall genom öppningarna 126 och 1261.

Ytterligare en utföringsform av uppfinningen visas i horisontell tvärsektion i fig 4. En cylindrisk, vakuumtät, värmeisolerande ugnsvägg 400 (gjord av mineralfiber inne- slutet av rostfritt stål) omger ugnszonen 402. Ugnszonen 402 är packad med parallella uppsättningar av B-aluminium- oxidrör 404, såsom beskrivits tidigare, vilka innehåller alkalimetall. Inblandade bland B-aluminiumoxidrören finns nedsänkta upphettare 406. Upphettarna 406 och ß-aluminium- oxidrören 404 är arrangerade i ugnszonen 402, så att centrum hos tre intilliggande rör kan sägas utgöra hörnen på en Kondensorerna 122 och 1221 är isolerade från och tätade 7896325-2 10 15 20 25 30 35 12 liksidig triangel. Det finns en nedsänkt upphettare per två Bëaluminiumoxidrör. Alla B-aluminiumoxidrören och de ned- sänkta upphettarna är cylindriska och har samma diameter och avståndet mellan dem är lika med radien hos B-alumi- niumoxidrören (eller de nedsänkta upphettarrören), dvs cen- trumavståndet motsvarar tre stycken radier hos ß-aluminium- oxidrören (eller de nedsänkta upphettarrören). 7 Ugnsväggen 400 har fyra stycken slitsliknande öppning- ar 408, som leder till uppsamlingszoner 410, vilka inbegri- per kondensorer 412 och kondensorkylrör 414. Kondensorerna 412 kan vara elektriskt isolerade från ugnsväggen 400 med lämpliga, gastäta metall-glas-metal1- eller metall-keram- 4-metall-tätningar, såsom indikeras schematiskt vid 428.

Utföringsformen enligt fig 4 har många likheter med den i fig 2 och 3. Varje elektrolytfastämne, som omger en högtryckszon, är ett B-aluminiumoridrör, som är slutet vid den ena änden. Vid den andra änden är det tätat mot en gren- ledning, såsom beskrivits tidigare, som tillför alkalime- tall. Grenledningen är tätad mot B-aluminiumoxidröret med en lämplig metall-keram-tätning. Huvuddelen av utsidan på_ B-aluminiumoxidröret är täckt med en porös elektrod. Me- tall-keram-tätningen befinner sig inuti den isoterma ugns- zonen. Detta medger existens av isoterma samlingsskenor för elektrisk seriekoppling, vilka samlingsskenor är fästa till den porösa elektroden (dvs den positiva sidan) hos ett rör och till grenledningen, dvs det flytande natriumet (den negativa sidan) hos ett annat rör.

De huvudsakliga skillnaderna mellan utföringsformen i fig 4 och den i fig 2 och 3 är tvâ: l. Det finns många tätpackade B-aluminiumoridrör, vilket leder till (a) en högre effekttäthet, och (b) ett lågt förhållande mellan yta 4 och volym hos ugnszonen, vilket följaktligen ger relativt låga värmeledningsförluster. 2. öppningarna, genom vilka alkalimetallångan strömmar från ugnszonen till kondenso- rerna, är anordnade i ugnszonens cylindriska hölje och har formen av långa slitsar, som är parallella med och har väsentligen samma längd som B-aluminiumoxidrören.

Höjden hos denna utföringsform enligt uppfinningen, 10 15 20 25 30 35 7806325-2 13 dvs dimensionen vinkelrät mot planet i fig 4, är 0,6 m, men kan vara l m eller mer. Den optimala längden är en funktion av: l. maximumlängden hos lämpliga elektrolytrör (t ex B-aluminiumoxid), som kan framställas. 2. Den axi- ala elektriska resistansen hos de porösa elektrodelementen på utsidan av de keramiska rören. 3. Den axiala elektriska resistansen hos pelaren av alkalimetall inuti rören. Bety- delsen av punkten 2 ovan minimeras genom att förse de po- rösa elektroderna med förtjockade ribbor, såsom vanligen sker vid bränsleceller eller elektrolytiska fotoceller.

Dessutom kan strömmen avtappas vid intervaller utmed läng- den hos de porösa elektroderna. Betydelsen av punkten 3 ovan, som är minst betydelsefull för nuvarande ß-aluminium- oxidrörlängder, blir alltmer betydelsefull när rörlängderna överstiger en 0,5- l m.

Vid en typisk driftsoperation med användning av natri- um som arbetsfluidum och en ugnstemperatur av 800°C, är ångtrycket hos det flytande natriumet i ß-aluminiumoxid- rören cirka 334 torr. Trycket i ugnszonen regleras lämpli- gen till att ligga nära ett värde under cirka l0 torr, t ex cirka l torr. Tryckskillnaden över väggarna av den fasta elektrolyten (dvs B-aluminiumoxidrören) åstadkommer den drivande kraften för migreringen av natriumjoner genom B-aluminiumoxidelektrolyten.

Optimala arbetstryck i ugnszonen 402 åstadkommas ge- nom att balansera behovet av lågt tryck, vilket leder till hög utspänning, mot behovet av ett tillräckligt högt tryck för att skapa ett snabbt hydrodynamiskt flöde ut ur ugns- väggsöppningarna, så att det förra trycket göres litet me- dan strålningsförlusterna göres nästan försumbara. Regle- ringen av detta ugnstryck sker genom att reglera strömmen som uttas av den yttre elektriska belastningen och som följaktligen reglerar produktionshastigheten av natriumånga vid de porösa elektroderna. Alternativt kan man uppnå ytter- ligare reglering medelst slidjusteringar (ej visat i fig 4) av omrâdet för slitsöppningarna 408.

Alkalimetallånga (t ex natrium) alstras i hela ugns- zonen 402 vid utföringsformen i fig 4. Ångan måste strömma m, 15 20 25y 30 35 7806325-2 14 från mittdelarna av ugnszonen 402 till ugnsväggen 400 och därefter ut genom öppningarna 408. Detta radiella flöde leder till en radiell tryckgradient på grund av friktion.

Sålunda är spänningen som erhålles nära ugnens centrum något lägre än nära periferin. Val av ett praktiskt gräns- värde;å.värdet hos denna tryckgradient leder till en önskad maximumradie hos ugnen vid den aktuella utföringsformen.

I Det snabbaste flödet av alkalimetallånga ut genom öpp- ningarna 408 är ett flöde med ljudhastighet. Detta uppnås när trycket i uppsamlingszonerna 410 är omkring hälften (eller mindre) av trycket på ugnssidan. Om t ex det senare trycket ärwl torr hâlles lämpligen trycket i uppsamlings- zonerna vid cirka 0,5 torr. Detta tryck motsvarar t ex ångtrycket hos natrium vid 4l4°C. Kondensorerna 412 kyls till denna temperatur (eller lägre) med hjälp av kylrör 414.

. Denna temperatur är i själva verket anordningens “kalla temperatur" eller "värmeavledningstemperatur“. Sådana höga värmeavledningstemperaturer ger anordnar, som kan användas. som "topp"-generatorer. Spillvärme vid ca 400°C kan använ- das för att driva en termoelektrisk ”botten”-generator (eller ångturbin, osv), som arbetar mellan cirka 400°C och omgivningstemperatur.

Natriumângan strömmar ut ur öppningarna 408 och konden- serar på de kallare väggarna hos kondensorerna 4l2. Flytan- de natrium rinner nedför väggarna hos kondensorerna 412 e och uppsamlas och leds till pumpar, som återför natriumet *till det inre av B-aluminiumoxidrören via lämpliga led- ningar och fördelningsrör. Dessa rörledningsutformningar visas inte i fig 4, eftersom de i huvudsak motsvarar de vid utföringsformen i fig 2 och 3 och belyses tillfreds- ställande i dessa figurer. I Den i fig 4 visade utföringsformen kan med fördel ut- nyttjas för en kombination av elektrisk serie- och paral- lellkoppling, med fyra steg av seriekoppling. Varje elek- triskt isolerad kondensor avtappar flytande alkalimetall till sin egen uppsamlingsledning, därefter till sin egen pump, och därifrån till sin egen återfördelningsledning.

De fyra pumparna och äterfördelningsledningarna är natur- 10 15 20 2st 30 35 7806325-2 15 ligtvis isolerade från varandra. B-aluminiumoxidrören är uppdelade i fyra grupper med lika antal rör i varje grupp, och varje grupp är elektriskt seriekopplad med nästa grupp.

Inom en grupp förbinder elektriska ledare elektrodelementen, som är i kontakt med rören och alkalimetallen i rören i gruppen står i elektrisk kontakt så att det föreligger parallellkoppling för sådan grupp. Detaljerna förattâstad- komma detta framgår klart av metoderna, som beskrivits i samband med anordningen i fig 2 och 3.

En optimal uppdelning för seriekoppling av grupperna av B-aluminiumoxidrör hos anordningen i fig 4 är att göra grupperna radiellt koncentriska. Anledningen härtill är den ringa tryck- och koncentrationsgradienten hos alkalimetall- ångan och den följaktligen omvända gradienten i utspänning, såsom nämnts. Detta leder till parallellkoppling mellan elementarceller med så nära likadan utspänning som möjligt.

Det skall påpekas att det inte är nödvändigt att ha en separat öppning för varje separat stegznrelektriskserie- koppling. Det är möjligt att låta en öppning betjäna sepa- ra-ta, ömsesidigt isolerade sektioner hos en Kondensor.

Det är naturligtvis mycket lätt att parallellkoppla cellerna. De olika kondensorerna (om det finns mer än en) behöver då inte isoleras från ugnsväggen med metall-keram- -metalltätningar. En enda uppsamlingsledning, pump och för- delningsledning räcker. Denna mekaniska förenkling leder emellertid till en reduktion i termisk effektivitet på grund av vissa ofrånkomliga samlingsskeneledningsförluster.

EXEMPEL Anordningen i fig 4 är konstruerad enligt följande beräkningar. Rören är konstruerade av natrium-ß-a1uminium- oxid, såsom beskrivits tidigare och såsom är välkänt inom tekniken.

Tabell l definierar alla betecknar och enheter som an- vänds vid dessa beräkningar. Alla beräkningarna är gjorda för en ugnszonstemperatur av 800°C (l073°K). Beräkningarna kan lätt utsträckas till andra temperaturer.

A. Den ideala verkningsgraden för den termoelektriska generatorn i fig 4 i frånvaro av värmelednings- eller 10 _15 20 25 30 35 s (1) H = 7806325-2 lö strâlningsförluster ges av (l) nedan: vi/4,18 - zi2/4,18 vi/4,1s - zi2/4,1s + (i/F) L + (i/F) cp AT Varje term i ekvationen (l) har dimensionerna cal/s/cmz B-aluminiumoxid. Täljaren representerar den elek- triska energi som alstras av anordningen. Vgär spänningen hos den öppna kretsen, Z är den totala impedansen per cm B-aluminiumoxid, dvs summan av det ohmska motståndet plus alla andra källor för polarisation. Den rör sig för närva- rande om cirka 0,4 ohmrcmz för rör med en väggtjocklek av l mm och är inte någon stark funktion av temperatur eller strömtäthet (man bortser från den ringa mängd elektrisk kraft som används av pumpen för flytande natrium. Denna kraft har befunnits vara försumbar) Nämnaren i ekvationen (l) inbegriper den uttagna elektriska energin plus det ex- tra värme, som måste tas ut samtidigt. L, som är ångbild- ningsvärmet för flytande natrium, har satts till 23 498 cal/mol vid lO73°K. Den sista termen i nämnaren är absorberat värme per mol flytande natrium vid kondensor- temperaturen när det pumpas tillbaka till högtrycksområdet.

CP har satts till cirka 7 cal/mol.

EMK:n eller spänningen hos den öppna kretsen ges av Nernst ekvation (2): ' 4,18 RT (2) V ln po/P * F där po är ångtrycket för natrium vid temperaturen T, som erhålles ur ekvation (3): (3) lnpo = -12423/T + 17,391 T, i och p är oberoende variabler. Kondensortempera- turen (dvs den lägsta temperaturen i kylzonen) erhålles genom återinsättning av ekvation (3) och är den temperatur, vid vilken ångtrycket för natrium är p/2 (maximalt massflöde _av natrium inträffar vid ett tryck i uppsamlingszonen som _ är ungefär hälften av trycket i ugnszonen), vilket ger ekva- tion (4): ?806325~2 17 12423 12423. (4) T = = C 17,39-ln p/2 18,083-lnp Kombination av (1), (2) och (4), Qer (RI/F)ln po/p-Zi/4,18 n (T: i! P)= munmpurmUmw+@mnmm ?1un 1 ( F) V 18,083-lnR_ Om man beaktar att T=lO73°K erhålles ur (3) ln po = 5,813.

Insättning av detta och alla andra tidigare noterade värden i ekvation (5) och division med (RT/F) ger ekvationen (6) 5,812-lnp - 4,33li (6) n (1073, i. P) = - 20,356-inp-4,331i - 40,787 18,083-lnp Utspänningen vid strömflöde är: (7) V=0,537 -0,0923S lnp -0,41 Några numeriska värden på V, n och Tc vid olika värden på p och i ges i tabell 2.

B. Strålningsförluster Enligt standardverk avseende fluidumströmning är ström- ningshastigheten genom en öppning lika med ljudhastigheten om trycket på lågtryckssidan är mindre än eller lika med (çfï) çšï gånger det på högtryckssidan. Cp/Cv = l,667 för en enatomig gas. Tryckförhällandet för ljudhastighetsström- ning är därför 0,49.

Enligt standarverk är ljudhastigheten: (8) C = (Vp'/p)1/2 = 2454 T1/2 cm/s, för Na-ånga.

Per cmz öppning är flödet i moler Na/cmz-s: <9) f = p/M X 2454 ml/2 = 3,933 x 1o'2 p/æl/2.

Om man exempelvis väljer att arbeta vid l torr på högtrycks- sidan av en öppning vid lO73°K, vid en spänning av 0,443 V per rör, med en kondensortemperatur av 687°K och med en ideal verkningsgrad av 0,28 (denna kombination upptages i tabell 2) är f = 1,216 x 10-3, vilket motsvarar en ström av ll7 A/cmz öppningsarea och en uteffekt av 0,443::ll7= 52,0 W per cmz öppningsarea. Förluster på grund av svartkropps- strålning mellan l073°K och 687°C är maximalt 5,67 x 1042 x (10734 - 6874) = 6,25 W/omz. Om man arbetar 0 vsoeszs-2 10 15 20 *den konventionell radie av 0,25 cm och angränsande rör är 25 30 35 18 vid en ideal verkningsgrad av 28 % är värmetillförseln 51,4/0,28 = 185,7 W/cmz öppningsarea. Strålningsförluster- na kommer därför att sänka verkningsgraden till 185,7/(1s5,7+s,2s) x 2s>= 21 % som högst. 0 Den faktiska strâlningsförlusten kommer att vara mind- re än den beräknade på grund av (a) den begränsade längden hos öppningen vilken är lika med tjockleken hos ugnsisole- ringen, och (b) kondensorns reflektivitet.

Det inses att enligt dessa beräkningar strålningsför- lusterna är nästanförsumbara vid anordningarna enligt upp- finningen.

C. Värmeledningsförluster _ Innan värmeledningsförlusterna uppskattas bör en maxi- mal ugnsdiameter fastställas. Av fig 4 är det uppenbart att det måste förefinnas ett tryckfall mellan ugnens mitt och dess cylindriska vägg för att framdriva natriumângan, som alstras i ugnen vid de porösa elektrodelementen, utåt mot öppningarna i ugnsväggen.

För beräkningen förutsättes det liksidiga triangelf arrangemanget i fig 4. Radien hos varje rör antages vara åtskilda med ett centrumavstând av 0,75 cm och det finns ett nedsänkt upphettningsrör per två B-aluminiumoxidrör med samma radie om.0,25 cm. Ett tryckfall av 0,5 torr kan tolereras från trycket 1,5 torr vid ugnens mitt till 1,0 torr vid ugnens periferi. Detta reducerar utspänningen hos de innersta rören med endast 0,037 V enligt ekvation (7). 0 dEnligt ett standardverk visar följande formler (från Bergelin m fl) tryckfallet per tubrad vid laminär fluidum- strömning över en uppsättning tuber vid isotermiska be- tingelser: 280. . 2 _ (lo) AP = ___ (EE)l,6 (0Vmax ) lb kšaft (NRe)V( P) ( 29c ) ft. där (NRe§ är ett modifierat Reynold's tal, som visar sig _ vara cirkä 10, dvs gott och väl inom området för laminär strömming, och 7806325~2 19 (ll) (NRe)v = Dv vmax P/u där den hydrauliska radien DV erhålles ur 4 X (fria paketvolymen) (12) DV = (rörens exponerade ytarea) p är densiteten, n är viskositeten Vàa är maximumhastig- heten för natriumånga. I ekvationen (lä) är Dt rördiame- tern och P delningen, som är lika med rörens centrumavstånd, vid det triangulära arrangemanget av B-aluminiumoxidrör och nedsänkta värmerör.

Parametern ß = P/Dt ( = 1,5 för valda värden) är de- finierad. Det kan visas (genom en argumentering av typ kristallografisk enhetscell) att för anordningen i fíg 4 DV är i enlighet med ekvation (l3) nedan: 4(1o,a9ß2r2 - 3¶r2> 2 (13) DV = ---------- = (2,205 B -2) r = 0,74 cm 3x2¶r Med en ändring av sorterna blir ekvationen (10) ekvation (1o1)= (101) Ap 0,2l0ß'l'6 pV2max/2 (N torr ll Re)v (14) ap o,1o5ß“1'° v¿axu/(2,205 sz -2)r torr Viskositet u för natriumånga vid lO73°K sättes till 1,8 x 1o°4 V är hastigheten för natriumânga genom gapen mellan max rören. Den ökar som en funktion av radialkoordinaten R, som poise. är tvärsektionsavståndet från ugnens centrum, eftersom natriumånga alstras i hela ugnen. Vàax skall nu beräknas.

I anordningen enligt fig 4 är antalet S-aluminiumoxid- rör per cmz tvärsnitt 0,l925/ßz r2. Följaktligen är antalet rör inom en radie É 0,l925 ¶§2/ß2r2 = 0,605 šz/ßzrz. Per längdenhet har dessa rör en total ytarea av 3,80 §2/Bzr.

I överensstämmelse med exemplet under punkten B ovan, sättes strömtätheten till 0,24 A/cmz B-aluminiumoxid. Inom radien É produceras därför 9,45 x 10-6 fiz/ßzr moler natriumånga per cm längd hos ugnen. Denna ånga strömmar utåt genom 7806325~2 20 en area av ungefär 2¶§ (1-B-1), som är den öppna arean mel- 1en rören. ner föijer ett vmax (â)x,p(â)/23 = 1,so4 x 1o'6š/(1-ß'1)ß2r moler/emz-e, där p(â)/23 = p (§)/6,23 X l04T) enligt den ideala gaslagen. Sålunda (15) vmax (ä) = 9,373 x 1o'2 T ä/ßzr p(š) (1-ß'1) 0,984 r 1o'2 ß'1'6nT ä e(16)_ Ap = - 2 (z,2o5 BZ -2) BZ (1-ß'l) r gp(å) Antalet tubrader per längdenhet är cirka 0,577/Br och om man insätter detta plus värdena T=l073 och n = 1,8 x 10-4 ger ekvationen (16) 5 5 1,1o X 1o'3 ä d š 6 5 1 _ (16 ) P(R)a = - _ P 4' (1-ß 1)r (2,2os az-2)ß 3 Integrering av (161) från ä = o, p = 1,5 r111 ä = af, p = 1,0 medger lösning för ugnsradíen R . (Integreringen förväntas ej leda till större fel). Sålunda 1,1o x 1o'3 âz 2 (11) p = 2 zs - _ ' (2,zos 62 -2) B4'6 r3 (1-ß 1) ___, ___ 1,10 x 1o'3 Rfz ( 75) 1 = 2,25 - 2 4 6 3 _l (z.2oa ß -2) ß ' r (1-ß ) Öm de valda värdena B = 1,5 och r = 0,25 insättes i (171) erhålles Rf = 10,65 cm för innerradien på ugnen. fienna ugn hyser cirka 490 ß-aluminiumoxidrör med en elektrisk uteffekt av 81 W per cm ugnslängd för valda parametrar. W Liksom tidigare produceras 9,45 x 10-6 R_2/B2 I mfller natriumånga per sekund per centimeter ugnslängd. För R = 10,65 cm, B = 1,5 och r = 0,25 cm erhålles att det pro- duceras 1,905 x 10-3 att ljudhastighetsströmningen ut ur ett munstycke är 3,983 X 1o"2 p/rl/2 = 1,216 X 1o"3 'och lO73°K. Om man dividerar antalet moler som produceras moler/cm/s. Ur ekvation (9) erhålles moler/cmz/s vid l torr per längd per sekund, med antalet moler som strömmar per öppningsarea, erhålles ett värde av 1,57 cm omkretsavstånd och därför är varje öppning i fig 4 cirka 0,4 cm bred.

Med en mineralfilts isolering, som är 5 cm tjock och 10 15 20 25 30 35 7806325~2 21 har en termisk ledningsförmåga inom temperaturområdet av 1,44 x 10-3 W/cm (OC) och ett temperaturfall av 775°C är den resulterande värmeförlusten 18,4 W per cm ugnslängd. vid den ursprungliga verkningsgraden 27 % (se under punkten (B), måste värmetillförseln per cm ugnslängd vara 81/0,27 = = 300 W, vartill ledningsförlusten av 18,4 W nu måste läg- gas till. Detta försämrar den termiska verkningsgraden från 27 % till 25,4 %. Ändyteförlusterna har försummats här, eftersom de är omvänt beroende av ugnens längd och i prin- cip kan göras försumbara.

D. Samlingsskenförluster.

För låga spänningar och höga strömstyrkor kan värme- ledningsförlusterna utmed de elektriska samlingsskenorna vara avsevärda. Om samlingsskenorna ges ett alltför stort förhållande längd:tvärsektion blir de elektriska resistans- förlusterna stora. Det finns alltid ett optimalt förhållan- de längd:area och en därtill hörande förlust, som inte kan reduceras. Samlingsskenförlusterna kan göras små om spän- ningen kanhöjasgenom elektrisk seriekoppling. Några få steg av seriekoppling synes räcka.

Verkningsgraden kan visas vara _ nV -2 (oy)_l (18) n = nV/ni °(Uy) + KATBy samlingsskenans tvärsektionsarea där y = (samlingsskenanslängd)-+(strömmen isamlingsskenan) Beräkningen göres för två samlingsskenor, en positiv och en negativ. ni är verkningsgraden i frånvaro av samlingssken- förluster och n är antalet steg av elektriska seriekopp- lingar. V är spänningen per element, 0 och K är den elek- triska ledningsförmågan respektive den termiska lednings- förmågan hos samlingsskenorna och A T är temperaturfallet längs samlingsskenorna. För optimering måste y vara ekva- tionens positiva rot. (19) yz - (4/nøv)y + <1 - 2 ni'1)/ (2øKAæ> = o För värdena i tabell 3 antages det att V = 9,44 V,' U = 2,14 X 105 ohm'l -em'1 ni = o,2s, K = 3,7 w/cm-(°c). 7806325-2 10 is 20' 22 och AT = 775°C. Dessa värden motsvarar egenskaperna hos koppar och är i övrigt i överensstämmelse med de tidigare ' valda parametrarna. Enbart parallellkoppling leder till n = l, medan då n = 2 det finns en seriekoppling.

Det framgår av tabell 3 att vid enbart parallellkopp- ling erhålles en betydande verkningsgradsförsämring från 25 % till 15 %. Med tre steg av seriekoppling förbättras verkningsgraden 22 %. Vid mer än tre steg blir förbätt- ringen allt mindre. Med n steg menas att B-aluminiumoxid- rören är uppdglade i n stycken paket med lika antal i var- je, varvid rören i ett paket är parallellkopplade och de separata paketen är seriekopplade. De imaginära delnings- ytorna mellan paketen bör i så hög grad som möjligt utgöras av koncentriska cylindriska ytor. Ett dylikt schema skulle bäst klara av den lilla ändringen i spänning per rör som en funktion av koordinaten É.

E. Effekttäthet.

Under punkt C ovan beräknas en elektrisk uteffekt av 81 W per cm.ugnslängd vid en ugnsdiameter, inbegripet iso- lering, av 31,3 cm. Detta ger 105 kw/m3. Detta värde in- begriper inte den volym som upptages av kondensorerna, pumparna och återcirkulationsrören. En total effekttäthet D överstigande SO kW/m3 och som närmar sig 100 kw/m3 synes möjlig.

Symbol UUOG 'U/flkzfii-“OQWIPH Z O W (D v < QDTÉRÉ 23 TABELL 1 Innebörd K Ljudhastigheten Värmekapacitet för flytande Na Diametern hos B-aluminiumoxidrören Hydraulisk radie Molärt flöde (av Na-ånga ut ur öppningen) Faradays konstant (= 96500) Gravitationskonstanten (= 32,17) Strömtäthet (i 8-aluminiumoxid) Ängbildningsvärme Molekylvikt (för Na = 23) Modifierat Reynolds tal Na-ångas tryck i ugnen Ãngtryck för Na Tryck Delning (röravstånd) Radien hos ett B-aluminiumoxidrör Gaskonstanten Radialkoordinat i ugnen Ugnens innerradie Ugnens, dvs den höga, temperaturen Kondensorns, dvs den låga, temperaturen = T - T ' cond = T _ Tomgivande Utspänning per element Na~ångans hastighet i ugnen Area/längd/ström i samlingsskenan Impedans (ühmsk plus polarísatíon) hos 6-aluminiumoxidrörväggarna P/Dt CP/CV (för Na-ånga = 1,667) Verkningsgrad Termísk ledningsförmåga (samlingsskenan) Na-ångans viskositet Na-ångans densitet Elektrisk ledningsförmåga (samlingsskenan) 7806325-2 Enhet cm/s cal/mol °C cm Cm 2 moler/cm_ s coulomb/mol fot/sz 2 A/cm ca1/mol g/mol dimensionslöst Torr Torr dyn/cmz cm Cm 1,937 eal/°c mel CN volt cm/s cm/A 2 ohm cm dimensionslös dimensionslös dimensionslös W/cm OC poise g/cm3 Ohm-1 1 C111 7806325-2 24 TABELL 2 Beräkningar för T = 1073°K 2 1 v w/002 16666. (norr) (amp/cmz) (volt) keram Verkníizgíåradx' (OK) 0,5 o 0,604 0 0,345 662 0,5 - 0,04 0,588 0,024 0,339 662 0,5 0,08 0,572 0,046 0,332 662 0,5 ¶ 0,16 0,540 0,086 0,320 662 0,5 ' 0,24 0,508 0,122 I 0,306 662 0,5 0,32 0,476 0,152 0,293 662 0,5 ¶ 0,40 0,444 0,177 0,278 662 0,5 0,48 0,412 0,198 0,264 662 0,5 0,56' 0,380 0,213 0,248 662 1,0 0 0,539 0 0,321 687 1,0 0,04 0,523 0,021 0,315 687 1,0 0,08 0,507 0,041 0,308 687 1,0 0,16 0,475 4 0,076 0,294 687 1,0 ¶ 0,24 0,443 0,106 0,280 687 1,0, 0,32 ¶ 0,411 0,132 0,265 687 ¶1,0 0,40 0,379 0,152 0,249 687 2,0 o 0,475 0 0,300 714 2,0 ¶ ,0,03 0,453 0,014 0,290 714 2,0 0,06 0,451 0,027 0,285 714 2,0 0,12 0,427 0,051 , 0,274 714 2,0 0,18 0,403 0,073 3 0,262 714 2,0 0,24 0,379 0,091 0,251 714 2,0 0,30 0,355 0,106 0,238 714 3,0 90 -0,437 0 N 0,280, 731 3,0 0,12 0,389 0,047 ' 0,257 731 3,0 3 0,24 0,341 0,082 0,232 731 f3,0 0,36 0,293 0,106 0,206 731 4,0 Z 0 0,411 0 0,268 744 4,0 i 0,12 ' 0,363 0,044 0,244 744 4,0 0,24 0,315 0,076 0,219 744 4,0 1 0,36 0,267 0,096 0,192 744 10,0 0 0,314 0 6 0,227 787 10,0 0,12 0,278 0,033 0,200 787 10,0 ' 0,24 - 0,230 0,055 0,171 787 7806325-2 25 *Verkningsgraden vid effekten 0 är ett beräknat gränsvärde.

Praktiska verkningsgrader är naturligtvis O vid uteffek- ten O.

TABELL 3 _¿L. _X_ _n_ 1 9,979 x 1o'5 0,151 2 8,696 x 1o'5 0,195 3 6,300 x 1o'5 0,212 4 . 8,108 x 1o°5 o,221 1o 7,174 x :Lo'5 0,238

Claims (18)

mn 15 20 25 30 7806325 ' 2 «26 PATENTKRAV
1. l. Sätt att omvandla värmeenergi till elektrisk energi med alkalimetall som arbetsämne, k ä n n e Q t.e c k n a t därav, (l) att alkalimetall upphettas till en temperatur över ca 300°C i en första reaktionszon, som i huvudsak inneslutes av fast elektrolyt, vilken är väsentligen ogenomtränglig för elementär alkalimetall och föreningar därav samt genomtränglig med avseende på katjoner av alkalimetall, varvid den upphettade alkalimetallen i den första reaktionszonen uppnår ett högre ångtryck än det som existerar i en innesluten andra reaktionszon, vilken i huvudsak omger den fasta elektrolytinneslut- dningens ytteryta, som är i elektrisk kontakt med en elektriskt ledande elektrod, vilken är tillräckligt porös för att medge passage av alkalimetall därigenom, varvid tryckskillnaden mellan den första reaktionszonen och den andra reaktionszonen alstrar enelektrisk poten- tial över den fasta elektrolyten, vilken elektriska potential joniserar alkalimetallen till katjoner i den första reaktionszonen med förlust av elektroner till en yttre krets genom en elektriskt ledande negative ledning, som befinner sig i elektrisk kontakt med alkalimetallen i den första reaktionszonen och som är i huvudsak elektriskt isolerad från den porösa elek- troden; _ (2) att alkalimetallkatjonerna omvandlas till elemen- tär alkalimetall i den andra reaktionszonen vid den porösa elektroden med tillförsel av elektroner från den yttre kretsen genom en elektriskt ledande positiv aledning, som ärgi elektrisk kontakt med den porösa elektroden; f (3) att den elementära alkalimetallen föràngas från den porösa elektroden till en ugnszon, som är omgiven av en ungsvägg med formade öppningsorgan; och 10 15 20 25 30 7806325 ~2 27 \ (4) att alkalimetallånga utmatas fràn ugnszonen genom de formade öppningsorganen till en kylzon med kylorgan för kondensering av alkalimetall, varvid kylorganen hål- les vid en temperatur, som är minst ca 100°C under tem- peraturen i den första reaktionszonen, och varvid åt- minstone en huvuddel av ugnsväggen thàlles vid en tempe- ratur överstigande temperaturen hos kylorganen,
2. 2. Sätt enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att alkalimetallen är natrium.
3. ,3. Sätt enligt kravet l, k ä n n e t e c k n a t därav, att alkalimetallångan utmatas från ugnszonen genom de formade öppningsorganen vid eller nära dess ljudhastig- het.
4. 4. Sätt enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att alkalimetallângan i ugnszonen hålles vid ett tryck av cirka 0,5-20 torr.
5. 5. Sätt enligt kravet 4, k ä n n e t e c k n a t därav, att alkalimetallen är natrium, och att ugnsväggen hålles vid en temperatur över cirka 25°C under temperatu- ren i den första reaktionszonen. I
6. 6. Sätt enligt kravet 1, k ä n n e t e c k - n a d därav, att den fasta elektrolyten inbegriper minst två delar, som vardera väsentligen innesluter en motsvarande första reaktionszon och som vardera är effektivt elektrisktförbunden med en porös elektrod, varvid det föreligger en väsentligen isotermisk elek- trisk förbindning från (I) alkalimetallen i den första reaktionszonen hos en första del av den fasta elektro- lyten till (II) den porösa elektroden hos en andra del av den fasta elektrolyten. '
7. 7. Sätt enligt kravet 6, därav, att utmatningen inbegriper åstadkommande av tillräckligt tryck i ugnszonen för att alkalimetall- ånga skall strömma genom formade öppningsorgan fràn ugnszonen till kylorganen, varvid kylorganen innefattar kylzoner, som är elektriskt isolerade från varandra, i tillräckligt antal för att åtminstone motsvara antalet delar av fast elektrolyt. k ä n n e t e c k n a t vsoszzs-2 .lö gdärav, as -n
8. 8. Sätt enligt kravet 7, k ä n n e t e c k n a t därav, att man återför alkalimetallen, som uppsamlats i kylomràdena i portioner, vilka är elektriskt isolerade från varandra, varvid var och en av portionerna av alkali- metall återföres från ett kylomràde för att placera por- tionerna i elektrisk kontakt med de insidor hos elektro- lvtfastämnena som äri den del av elektrolytfastämnena som har elektrodelement i elektrisk kontakt med varandra.
9. 9. Sätt enligt kravet 7, k äan n e t e c k n a t därav, att aikaiimetaiiendär natrium. '
10. 10; Sätt enligt kravet 9, k ä n n e-t e c k n a t att natriumångan, som strömmar genom de formade > öppningsorganen från ugnszonen, utträder.från ugnszonen 15 20 25 i en ström med en hastighet vid eller nära dess ljudha- stighet, 7
11. ll. Termoelektrisk generatoranordning för omvandling av värmeenergi direkt till elektrisk energi, k ä n n eo- t e c k n a d därav, att den inbegriper: i (l) minst två första reaktionszoner, vardera i en motsvarande inneslutning av fast elektrolyt, som är väsentligen ogenomtränglig för elementär alkalimetall och föreningar därav samt genomtränglig med avseende på katjoner av alkalimetall, (2) minst två andra reaktionszoner, som är väsent- ligen inneslutna av en ugnsvägg, vilka andra reaktions- zoner väsentligen innesluter ytterytan hos varje inne- slutning av fast elektrolyt, vilken ytteryta är i elek- itrisk kontakt med en porös elektrod, som inbegriper en * elektriskt ledande beläggning på ytterytan och som är 30 35 tillräckligt porös för att medge alkalimetall att pas- sera därigenom, ' (3) alkalimetall i varje första reaktionszon i flui- dumförbindelse med den fasta elektrolyten, Å (4) organ för elektrisk seriekoppling, vilka inbe- i griper: (a)-elektrisk förbindning från alkalimetallen i den ' första reaktionszonen i en första inneslutning 10 15 20 25 30 7806325 ~ 2 29 av fast elektrolyt till den porösa elektroden på en andra inneslutning av fast elektrolyt, och (b) elektrisk förbindning från alkalimetallen i den första reaktionszonen i den andra inne- slutningen av fast elektrolyt antingen direkt till den porösa elektroden på den första inne- slutningen av fast elektrolyt eller indirekt därtill genom elektrisk seriekoppling genom en eller flera ytterligare inneslutningar av fast elektrolyt, (5) en elektriskt ledande negativ ledning, som skapar elektrisk förbindning från alkalimetallen i den första reaktionszonen till en yttre krets, vilken negativa ledning är i huvudsak elektriskt isolerad från den porösa elektroden, (6) en elektriskt ledande positiv ledning, som skapar elektrisk förbindning från den yttre kretsen till den porösa elektroden, (7) temperaturreglerorgan, som är anpassade att upp- rätthålla en temperatur i varje första reaktionszon av minst l00°C över den lägsta temperaturen i den andra reaktionszonen och en temperatur hos ugnsväggen över- stigande nämnda lägsta temperatur, j (8) organ för uppsamling av alkalimetallànga från en ugnszon, som omges av ugnsväggen, vilka uppsamlings- organ inbegriper: ' (a) formade öppningsorgan i ugnsväggen för utmat- ning av alkalimetallànga från ugnszonen till en kylzon, samt (b) kylorgan i kylzonen som är anpassade att kondensera alkalimetallångan, samt (9) pumpar och ledningsorgan för att leverera delar av den kondenserade alkalimetallen från kylzonen till den första reaktionszonen i varje inneslutning av fast elektrolyt, varvid alkalimetallen i varje första reaktionszon är elektriskt isolerad från alkalimetal- len 1 varje annan första reaktionszon. 7806325-2 10 15 zu, 25 n a d §0
12. 12. Anordning enligt kravet ll, därav, att de formade öppningsorganen för ut- k-ä n n e t e c k matning är anpassade att medge passage vid eller nära ljudhastigheten hos alkalimetallånga från ugnszonen till kylorganen.
13. 13. Anordning enligt kravet 12, k ä n n e t e e k n a d därav, att kylorganen innefattar minst två kylzoner, som vardera är elektriskt isolerade från varandra. n a d
14. 14. Anordning enligt kravet 12, k ä n n e t e c k - därav, att varje inneslutning av fast elektrolyt inbegriper minst ett rörformigt organ. n a d
15. 15. Anordning enligt kravet 14, k ä n n e t e“c k därav, att det rörformiga organet har ett rör- formigt andra organ i yttre fysisk och elektrisk kon- takt därmed, 'n a d vilket organ utgör ett av elektrodelementen.
16. l6. Anordning enligt kravet 15, k ä n n e t e c k - därav, att alkalimetallen är natrium.
17. 17. Anordning enligt kravet 16, ' k ä n n e t e-c k - n a d därav, att temperaturreglerorganen är anpassade att hålla organen för elektrisk förbindning väsentligen isotermiska. n a d oxide n a d
18. 18. Anordning enligt kravet ll, k ä n n e tie c k - A därav, att elektrolytfastämnet är ß-aluminium- lektrolytQ A' l9Ä Anordning enligt kravet 18, därav, att_alkalimeta1len är natrium. k ä n n e t e c k v