DE1501657B1 - Brennstoffbeheizter thermionischer Konverter - Google Patents

Description

front die Korrosion der Dioden verhältnismäßig rasch fortschreitet. Mit zunehmender Korrosion sinkt aber der thermoelektrische Wirkungsgrad des Konverters.

Da bei solchen thermionischen Konvertern relativ hohe Temperaturen bei möglichst kompakter Bauweise erzielt werden sollen, kommt auch der Ausgestaltung des Wärmeaustauschers für die Erhitzung

stehen, wodurch wegen der hohen Temperatur und io digen Verbrennung nur einen unwesentlichen Anteil der Anwesenheit von Sauerstoff an der Flammen- an Sauerstoff aufweisen, so daß die Korrosion der die Korrosion der Dioden verhältnismäßig Dioden vermindert und der gute Wirkungsgrad auf

eine größere Zeitdauer erhalten bleibt. Da die Dioden unmittelbar an den Ausströmöffnungen der 15 Brennkammer angeordnet sind, ist der Wärmeinhalt der Verbrennungsgase noch hoch genug, um eine ausreichende Aufheizung der Dioden zu ermöglichen. Die weiterhin noch gekennzeichnete Ausgestaltung des angeschlossenen Wärmeaustauschers ermöglicht

der Verbrennungsluft besondere Bedeutung zu. Bei ao es, daß der Wärmeaustauscher die an ihn im dem bekannten Konverter erfolgt die Vorheizung der Rahmen der obigen Aufgabe gestellten Forderungen Verbrennungsluft dadurch, daß diese vor dem Ein- mit gutem Wirkungsgrad erfüllen kann. Dies wird führen in die Brennkammer nach Art eines ge- insbesondere durch die Anordnung von Staukörpern mischten Kreuzstrom- und Gegenstromverfahrens in den einzelnen Kanälen erreicht, die jeweils nur durch die aus der Brennkammer austretenden Ver- 25 mit einer horizontalliegenden Lochreihe und mit gebrennungsgase aufgeheizt wird, die durch eine Mehr- ringem Abstand zueinander angeordnet sind, so daß zahl von geraden Rohren zum Auslaß strömen. Diese durch die hier erzielte sinusförmige Strömung der von den heißen Verbrennungsgasen durchströmten Aufbau einer Grenzschicht an den Wärmedurch-Rohre sind in einer runden Kammer gleichmäßig ver- gangswänden weitgehend vermieden wird, da teilt angeordnet und werden von der vorzuheizenden 30 eine parallele Strömung zur Trennwand nur in Verbrennungsluft umströmt, welche über gleichmäßig äußerst kurzen Teilstücken auftreten kann. In Ververteilie Öffnungen in der Kammerwandung eintritt. bindung mit der Tatsache, daß die Öffnungen in den Die eintretende Luft strömt teilweise quer zu den Staukörpern benachbarter Kanäle so angeordnet Rohren und zum Teil entlang den Rohren in Rieh- sind, daß sie einander genau gegenüberliegen, wotung auf die Brennkammer. Sowohl durch diese un- 35 durch die entgegengesetzt gerichteten Strahlen im gezielte Strömung an der Außenseite der die Ver- gleichen Wandbereich auftreffen, wird erreicht, daß brennungsgase führenden Rohre als auch durch die die auf der einen Seite aufgebrachte Wärmemenge geradlinige Strömung der Verbrennungsgase in den unmittelbar durch das Medium auf der anderen Seite Rohren wird der Aufbau von den Wärmeübergang der Trennwand abgeführt wird, ohne daß eine beeinträchtigenden Grenzschichten weder an der 40 Wärmeleitung längs der Trennwand eintreten würde. Innenseite noch an der Außenseite dieser Rohre ver- Die für den den Wärmeaustauscher bildenden Teil

mieden, wodurch der Wirkungsgrad des Wärmeaus- des thermionischen Konverters erforderlichen Bautauschers und damit der Gesamtwirkungsgrad des glieder sind erfindungsgemäß gekennzeichnet durch thermionischen Konverters nachteilig beeinflußt wird. dreifach abgekröpfte, teilweise ineinanderschiebbare, Aufgabe der Erfindung ist es, einen brennstoff- 45 am schmalen unteren Ende abgeschlossene Baubeheizten thermionischen Konverter zu schaffen, der glieder mit senkrechten Wänden, die zusammen mit bei geringstem Platzbedarf ein Aufheizen der Dioden nachfolgenden Baugliedern gleicher Art zwei parauf die zum Betrieb derselben erforderliche hohe allele Kanäle mit einer gemeinsamen Trennwand bil-Temperatur bei einem auf die Dauer erhalten blei- den, wobei die innerhalb der Kanäle liegenden senkbenden guten Gesamtwirkungsgrad gestattet. Weiter- 50 rechten Wände mit je einer Reihe benachbarter öffhin soll durch ein günstiges Bauprinzip die Verwen- nungen versehen sind.

dung von keramischen Materialien oder Silizium- Diese Bauglieder, die so einfach aufgebaut sind,

karbid ermöglicht werden. daß sie sowohl zwei Strömungskanäle begrenzen als

Diese Aufgabe wird bei einem thermionischen auch die jeweiligen Staukörper bilden, ermöglichen Konverter der eingangs erläuterten Art erfindungs- 55 es, einen Wärmeaustauscher durch bloßes Ineingemäß dadurch gelöst, daß der Sammelraum für die anderfügen der einzelnen Bauglieder herzustellen, der Abgase konzentrisch um eine ringförmige Brenn- einen einfachen und raumsparenden Aufbau zeigt kammer angeordnet ist, daß die Dioden so angeord- und mit wenig Schweiß- bzw. Lötarbeit auskommt, net sind, daß sie jeweils in unmittelbarer Nähe vor Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfin-

je einer zugeordneten Ausströmöffnung der Brenn- 60 dung ist gekennzeichnet durch zwischen zwei parkammer für die Verbrennungsgase enden, daß eine allele Kanalwände einschiebbare und mittels Abzentral durch die Brennkammer geführte Abgaslei- standhalter voneinander getrennte Staukörper mit tang den Sammelraum und zumindest einen Kanal einem parallel zur Kanalwand verlaufenden Wandverbindet, der durch eine Trennwand von einem für teil, der eine Reihe eng benachbarte Öffnungen und die vorzuheizende Verbrennungsluft dienenden Kanal 65 an den Enden nach den entgegengesetzten Seiten vorgetrennt ist, daß in jeden Kanal Staukörper mit je springende Ansätze aufweist, die eng an den Kanaleinem parallel zur Trennwand verlaufenden Wand- wänden anliegen, teil, der eine Reihe eng benachbarter Öffnungen auf- Diese vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ge-

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

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

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

F i g. 1 einen senkrechten Schnitt durch einen erfindungsgemäßen thermionischen Konverter,

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

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

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

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

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

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

Die Brennkammer 10 hat Stau- bzw. Umlenkglieder oder Wirbelerzeuger 22, durch welche die durch Öffnungen oder Ansaugschlitze 23 eintretende vorgeheizte Luft strömt. Diese Wirbelerzeuger 22 erzeugen eine Turbulenz und Mischung von vorgeheizter Luft und Brennstoff, das, einmal gezündet, wirksam verbrennt unter Bildung heißer Verbrennungsgase, welche aus der Brennkammer 10 strömen. Die in F i g. 1 mit 24 bezeichnete Diode kann irgendeiner bekannten Art entsprechen, wie sie beispielsweise in der USA.-Patentschrift 3 054 914 beschrieben ist. Eine Mehrzahl dieser Dioden sind konzentrisch um das Ende 12 der Brennkammer 10 angeordnet und sind durch Träger 25 gehalten, die an den Seitenwänden 26 des Gehäuses 27 angeordnet sind. Diese Träger 25 sind an Ansätzen 28 an den Seiten der Kühler- oder Abstrahlanordnung 29 befestigt, die mit dem Kollektor im Innern der Emitterhülse 11 in Verbindung stehen und den gewünschten thermischen Abgleich bzw. die gewünschte Temperaturdifferenz zwischen Kollektor und Emitter aufrechterhalten. 30 ist ein Caesiumreservoir zur Nachlieferung von Caesium zum Elektrodenzwischenraum zwischen dem Emitter und dem Kollektor zur Verminderung der Raumladung, wie es für Caesiumdioden oder thermionische Energiewandler bekannt ist. Da die Konstruktion solcher Caesiumdioden bekannt ist, sollen die Dioden hier nicht näher beschrieben werden.

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

Unmittelbar an die Wand 31 anschließend und mit dieser zusammenhängend folgt der erste gelochte Wandteil 35, bestehend aus dem nach einwärts oder allgemein quer verlaufenden Teil 36, der die Fortsetzung des in der Wandstärke reduzierten Endes 33 bildet, einem im wesentlichen zylindrischen Wandteil 37 und einem abschließenden, nach einwärts oder quer verlaufenden Teil 38, der sich von der Außenwand 34 weg erstreckt. Der gelochte Wandteil 37 hat eine Mehrzahl von kleinen öffnungen 39 in kreisförmiger Anordnung. Unmittelbar an den Teil 38 anschließend und mit diesem zusammenhängend ist ein innerer nichtperforierter, im wesentlichen zylindrischer Wandteil 41 vorgesehen. Das Ende 42 des inneren Wandteils 41 ist mit einer geneigten, innen geschliffenen Paßfläche 43 und das entgegengesetzte Ende des Wandteils 41 mit einer ähnlich geneigten, aber außen geschliffenen Paßfläche 44 versehen. Die Paß-

Hache 43 eines Baugliedes sitzt, wenn die Bauglieder ineinandergesteckt sind, wie es in F i g. 1 gezeigt ist, auf der geneigten, außen geschliffenen Paßfläche 44 des unmittelbar angrenzenden Baugliedes und bildet so eine gasdichte Verbindung 45.

Ein zweiter gelochter Wandteil 47 mit im wesentlichen zylindrischer Gestalt hat eine Mehrzahl von engbenachbarten Öffnungen 48 und ist durch den querverlaufenden Teil 49 mit einem Ende des inneren

von dieser Trennwand S weg erstreckt, längs des durch die Pfeile im Kanal F 2 in F i g. 1 angedeuteten Strömungsweges.

Die Öffnungen 39, 48 und 58 können irgendeine 5 gewünschte Form einschließlich der kreisförmigen oder elliptischen Gestalt haben. Die Querschnittsflächen dieser Strahlen werden durch die Querschnittsflächen der Öffnungen 39, 48 und 58 eingestellt. Je kleiner die Querschnittsfläche dieser Öffnungen ist,

Wandteils 41 verbunden. Eine nichtperforierte Ab- io um so besser ist es, vorausgesetzt, daß sie nicht zu schlußplatte 51 erstreckt sich vollständig über das klein wird, so daß sie während des Betriebs durch Abschlußende des zweiten Wandteils 47. feinverteilte Teilchen in den Verbrennungsprodukten

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau ist ein End- verstopft werden kann.

glied M' ohne Abschlußplatte 51 ausgeführt und bil- Für einen gelochten Wandteil 37 mit einem Durch-

det einen Ausgang 53 für die Verbrennungsgase. Der 15 messer von etwa 8 cm wurden acht gleichmäßig von-Ausgang 53 kann mit einem Abhitzekessel oder der einander entfernte Öffnungen mit einem Durchmesser Atmosphäre in Verbindung stehen. Eine ringförmige von jeweils etwa 5,1 cm als wirksam befunden. Für Kammer 54 für die Luftzufuhr umgibt den inneren den gelochten Wandteil 47 mit einem Durchmesser nichtperforierten Wandteil 41 des Endgliedes M'. Die von etwa 4,32 cm können acht Öffnungen mit jeweils Luft wird durch eine Leitung 55 in die Kammer 54 20 einem Durchmesser von 1,27 cm vorgesehen werden, eingeführt. Die Kammer 54 ist innen durch die Wand Die Wände können jede gewünschte Anzahl von Öff-35 mit Öffnungen 39 eines abgeschnittenen End- nungen haben, die zu der Bildung einer Vielzahl von gliedes M" begrenzt. engbenachbarten Strahlen mit geringer Querschnitts-

Die zentrale zylindrische Abgasleitung 13 hat eine fläche führen, welche auf die Wärmeaustauschwand zylindrische Kappe 56, deren Seitenwände 57 mit 25 auftreffen, so daß im wesentlichen der gesamte einer Mehrzahl von kreisförmig angeordneten, eng Flächenbereich dieser Wand von diesen feinen Strahbenachbarten Öffnungen 58 versehen sind, um eng- len von den gegenüberliegenden Seiten her getroffen benachbarte Strahlen von Verbrennungsgasen zu bil- wird, wodurch eine laminare Grenzschicht des Gases den, die auf den diesen Öffnungen gegenüberliegen- auf irgendeiner Seite der Trennwand 5 auf ein Miniden Teil der Wärmeaustauscherwand S auftreffen. 30 mum herabgedrückt, wenn nicht vollständig verhin-Der unmittelbar zu der Kappe 56 benachbarte Teil dert und ein optimaler Wärmeübergang und mithin

Wärmetransport durch die Wand erreicht wird.

Die Gestalt der einzelnen Bauglieder M ist derart, daß sie leicht aus hochtemperaturbeständigem Mate-35 rial gegossen oder aus Metallblechteilen gestanzt bzw. geprägt werden können. Die geschliffenen Paßflächen 43 und 44 erfordern kein Hartlöten oder Schweißen zur Bildung gasdichter Verbindungen, wenn die Wärmeaustauscher bei mäßig überatmosphärischen Ende des Kragens 59 verbunden ist. Das entgegen- 40 Drücken oder unter atmosphärischem oder subatmogesetzte Ende des Kragens 59 grenzt an die Quer- sphärischem Druck betrieben werden. Der Wärmewand 63, welche die Öffnungen bzw. Ansaugschlitze austauscher und die damit in Verbindung stehende 23 der Brennkammer 10 enthält. Brennkammer kann bei Unter- oder Überdruck be-

Die einzelnen Bauglieder sind dreifach abgekröpft, trieben werden, wobei die Luft in die Leitung 55 einwie es in Fig. 1, 2 und besonders in Fig. 3 gezeigt 45 geführt wird. Wenn relativ hohe Drücke angewandt ist. Auf diese Weise ergibt sich das stufenartige Profil werden, etwa um 0,211 atü, können an Stelle der der einzelnen Bauglieder. durch Zusammenschieben der geschliffenen Paß-

Wenn die einzelnen Bauglieder durch Ineinander- flächen 43 und 44 gebildeten Verbindungen 45 hartstecken in Richtung der Längsachse des Wärmeaus- gelötete Verbindungen verwendet werden, wo die tauschers mit fortlaufenden dichten Verbindungen 50 inneren nicht perforierten, im wesentlichen zylin-45 zusammengebaut sind, bilden die inneren nicht- drischen Teile 41 von benachbarten Baugliedern M perforierten zylindrischen Wandteile 41 die Trenn- aneinandergrenzen.

wand S des Wärmeaustauschers. Die Wände 34 und 5 Die Endglieder M', M" und M'" in F i g. 1 können

begrenzen einen ringförmigen äußeren Kanal Fl, der aus Baugliedern durch Entfernen bestimmter Teile in Wärmeaustausch mit einem inneren Kanal Fl 55 hergestellt werden.

steht, wobei die KanäleFl und Fl voneinander Beim Betrieb des in Fig. 1 gezeigten Aufbaues

durch die Trennwand S getrennt sind. Eines der Strö- strömt mit etwa 21^: C eingeführte Luft in einem allmungsniedien strömt längs eines sinusförmigen Weges gemein sinusförmigen Weg mit Aufstrahlen der Luft durch den Kanal Fl mit abwechselnden Wegstrecken in einer Vielzahl von engbenachbarten Strahlen auf längs der Trennwand S und durch die Öffnungen 39, 60 die Trennwand S an einer Mehrzahl von benachwelche engbenachbarte Strahlen des Strömungs- barten Punkten längs der Länge dieser Wand und im mediums bilden, die auf die Trennwand 5 auftreffen wesentlichen über den gesamten Umfang der Wand und diese wieder verlassen, wie es durch die Pfeile durch den Wärmeaustauscher. Bei Anwendung von im KanalFl in Fig. 1 angedeutet ist. Das andere sieben Stufen, wie es in der Figur gezeigt wird, wo-Strömungsmedium strömt durch den inneren Kanal 65 bei jede Stufe eine Wärmeaustauschzone bildet, in F 2 in allgemein sinusförmigem Verlauf, der sich der eine gelochte Wand mit Öffnungen für den alternierend durch die Öffnungen 48 unter Bildung Durchgang von Luft zur Bildung von Strahlen, die von auf die Trennwand S auftreffenden Strahlen und auf die Trennwand S auftreffen, angeordnet ist, er-

des Wärmeaustauschers ist durch einen zylindrischen Kragen 59 gebildet, der mit dem Ende 60 des Baugliedes M'" etwa durch Hartlöten verbunden ist, dessen Form in F i g. 1 gezeigt ist. Das Bauglied M'
umfaßt eine Abschlußplatte 51, einen gelochten Wandteil 47 mit einer Mehrzahl von kreisförmig angeordneten Öffnungen 48 und eine innere nichtperforierte Seitenwand 62, deren eines Ende mit einem

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

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

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

Das heiße Strömungsmedium tritt in den Wärmeaustauscher durch die zentral angeordnete Einlaßleitung 76, die mit den Öffnungen 48 in Verbindung steht, deren Anordnung für das Aufstrahlen des heißen Strömungsmediums auf den (in F i g. 2) unteren bzw. linken Teil der inneren Fläche der Trennwand S geeignet gewählt ist. Dieses Strömungsmedium entweicht durch den Ausgang 78 des Gehäuses 79. ■ Aus dem Kanal Fl entweicht das (erwärmte) Strömungsmedium durch die Austrittsöffnungen 81, die in eine Kammer 82 führen. Wenn Luft durch das Hindurchströmen durch den Kanal Fl vorgeheizt wird, kann diese heiße Luft von der Kammer 82 aus in eine Brennkammer eingespeist werden, welche die Verbrennungsgase nach ihrer Wärmeabgabe an irgendeine vorgesehene Oberfläche durch das Auslaßrohr 76 wieder aus den Wärmeaustauscher abgibt.

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

Der Wärmeaustauscher gemäß Fi g. 4 umfaßt mehrere ringförmige Kanäle für die Strömungsmedien. Die Kanäle F4, F6, FS und FlO sind für das aufzuheizende Strömungsmedium vorgesehen, das, wie im nachfolgenden beschrieben, am unteren Ende des Wärmeaustauschers mit einer relativ niedrigen Temperatur, im allgemeinen Umgebungstemperatur, eintritt und am oberen Ende des Wärmeaustauschers mit erhöhter Temperatur entweicht. Die Kanäle F 5, F 7, F 9 und FIl sind die Durchgänge für das wärmeabgebende Strömungsmedium, das am oberen Ende des Wärmeaustauschers eintritt und in eine Kammer 87 am unteren Ende des Wärmeaustauschers austritt.

Die Kanäle F 4 und F 6, durch die das aufzuheizende Strömungsmedium aufwärts strömt, haben zwischen sich den Kanal F 5, durch den das heiße Strömungsmedium abwärts strömt. In ähnlicher Weise sind die Kanäle F 6 und F 8 zu beiden Seiten und in indirekter Wärmeaustauschbeziehung zum Kanal F 7 und die Kanäle F 8 und FlO zu beiden Seiten des Kanals F9 angeordnet; der Kanal F11 liegt am weitesten innen. Diese Kanäle werden durch zylindrische Trennwände 88 und S' gebildet, die, wie es in F i g. 4 gezeigt, konzentrisch und mit gewissem Abstand zueinander angeordnet sind und die jeweiligen Kanäle seitlich begrenzen. Innerhalb jedes so gebildeten ringförmigen Kanals sind Stau- bzw. Umlenkglieder 89 angeordnet, und zwar in einer im wesentlichen die volle Länge des jeweiligen Kanals einnehmenden Reihe. Diese Stau- oder Umlenkglieder ■ bestehen aus zylindrischen, sich vertikal erstreckenden Wandteilen 91 mit einer Vielzahl von engbenachbarten Öffnungen 92 und mit jeweils nach entgegengesetzten Richtungen umgebogenem, sich in Querrichtung erstreckendem Randteil 93 und 94 angrenzend an das obere und untere Ende des zylindrischen Teils. Diese umgebogenen Ränder 93, 94 sind so dimensioniert, daß die einander entgegengesetzten Kanten dieser Ränder 93 und 94 mit den Trennwänden 88 und S' des Durchgangs, in dem sie angeordnet sind, in Reibungskontakt sind.

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

Ein Verteiler 96 ist nahe am unteren Ende des Wärmeaustauschers angeordnet. Dieser Verteiler ist durch eine äußere zylindrische Wand 97, eine innere Wand 98, den Boden 99 und eine obere Wand 101 begrenzt. Die äußere Wand 97 ist mit einer Reihe von am Umfang angebrachten Öffnungen 102 für die Zufuhr des aufzuheizenden Strömungsmediums zum Verteiler 96 versehen. Durch den Verteiler 96 gehen in vertikaler Richtung kreisförmig angeordnete Reihen von rohrähnlichen Durchgängen 103. Je eine solche kreisförmige Reihe von Durchgängen 103 ist für jeden der Kanäle F 5, Fl, F 9 und FIl vorgesehen. Diese rohrähnlichen Durchgänge schaffen eine Verbindung der KanäleF5, F7, F9 und FIl mit dem Ausgangsverteiler 87. Die obere Wand 101 des Verteilers 96 hat kreisförmig angeordnete Reihen von öffnungen 104 zur Verbindung mit dem unteren Teil jedes der Kanäle F 4, F 6, F 8 und FlO. Wie in F i g. 4, in der Teile der Durchgänge 103 zur besseren Übersicht weggelassen wurden, deutlich zu sehen ist, bietet der Verteiler 96 der Strömung des zutretenden Strömungsmediums die volle Kammerausdehnung, die sich vom äußeren Umfang bzw. der Außenwand des Wärmeaustauschers bis zur Innenwand des Kanals FlO erstreckt, so daß jeder der ringförmigen Kanäle F 4, F 6, F 8 und FlO mit Strömungsmedium versorgt wird, das längs eines allgemeinen sinusförmigen Weges durch diese Kanäle aufwärts strömt.

009 530/65

Der Aufbau des oberen Endes des Wärmeaustauschers ist ähnlich der in Verbindung mit dem Verteiler 96 beschriebenen Bauweise. Ein Verteiler 110 im oberen Bereich des Wärmeaustauschers hat Einlaßöffnungen 111 für den Zutritt des heißen Strömungsmediums zum oberen Bereich jedes der Kanäle FIl, F 9, F 7 und F 5. Die obere Wand 112 dieses Verteilers hat kreisförmig angeordnete Reihen von Auslaßöffnungen 113, die mit dem oberen Bereich der Kanäle F 4, F 6, F 8 und FlO in Verbindung stehen und für den Durchtritt des aufgeheizten Strömungsmediums in die Verteiler- bzw. Sammelkammer 114 dienen.

Es ist zu bemerken, daß die Teile des Wärmeaustauschers gemäß Fig. 4 von vergleichsweise einfächer Gestalt sind und damit leicht aus hochtemperaturfesten Konstruktionsmaterialien einschließlich Keramik und Siliziumkarbid gefertigt werden können. Für die Bildung des Wärmeaustauschers ist es lediglich notwendig, die entsprechenden Verteiler bzw. Sammelkammern mit den die Kanäle begrenzenden zylindrischen Wänden zusammenzubauen und in diese Kanäle die Stau- bzw. Umlenkglieder 89 und die Abstandshalter 95 einzusetzen. Ein Hartlöten oder andersartiges Verbinden der Stauglieder und/ oder Abstandshalter 95 ist nicht notwendig. Beim Betrieb des Wärmeaustauschers gemäß F i g. 4 strömt in jedem Paar von benachbarten Kanälen, wie beispielsweise F 4 und F 5, aufzuheizendes Strömungsmedium längs eines sinusförmigen Weges aufwärts unter Passieren der Öffnungen 92 und Auftreffen bzw. Aufprallen auf die Trennwand S\ welche diese beiden Strömungsdurchgänge voneinander trennt; im angrenzenden Durchgang F 5 strömt heißes Strömungsmedium im Gegenstrom nach unten unter Aufprallen auf die gleiche Wärmedurchgangswand, die diese beiden Kanäle voneinander trennt. Auf diese Weise werden die gegenüberliegenden Seiten bzw. Flächen der Wärmedurchgangswände, welche die einzelnen Kanäle F4 und F5, F6 und F7, F8 und F9 sowie FlO und FIl voneinander trennen, durch eine Vielzahl von engbenachbarten Strahlen der jeweiligen Strömungsmedien bestrahlt, die an den gegenüberliegenden Seiten der trennenden Wärmedurchgangswand strömen, woraus sich ein optimaler Wärmeübergang vom Strömungsmedium mit hoher Temperatur zu dem Strömungsmedium mit niedriger Temperatur ergibt.

Claims (9)

Patentansprüche:

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

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

3. Konverter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwischen zwei parallele Kanalwände (88, 5") einschiebbare und mittels Abstandshalter (95) voneinander getrennte Staukörper (89) mit einem parallel zur Kanalwand verlaufenden Wandteil (91), der eine Reihe eng benachbarter Öffnungen (92) und an den Enden nach den entgegengesetzten Seiten vorspringende Ansätze (93, 94) aufweist, die eng an den Kanalwänden (88, S') anliegen (F i g. 4).

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

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

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

7. Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Kanäle (Fl, F2) konzentrisch zueinander liegen.

8. Konverter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kanäle (F4, F6, F8, FlO) für die Verbrennungsluft bzw. mehrere Kanäle (F5, F7, F9, FIl) für die Abgase mit je einem gemeinsamen Verteiler (96 bzw. 110) in Verbindung stehen (Fig. A).

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

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen