Warum macht Wärmestrahlung die thermionische Umwandlung nicht unfähig, sich der Carnot-Effizienz zu nähern?

Die thermionische Umwandlung folgt der klassischen Richardson-Dushmann-Gleichung für den thermionischen Strom als Funktion des Quadrats der Temperatur:

J R D = A 0 T 2 exp ⁡ ( − ϕ k B T )
Wo

  • J R D die Emissionsstromdichte ist.
  • T ist die Emissionstemperatur.
  • A 0 ist ein materialspezifischer Korrekturfaktor
  • ϕ ist die umweltvermittelte Austrittsarbeit des Materials , und
  • k B Dies ist die Boltzmann-Konstante

Aber die thermische Verlustleistung ist eine Funktion der vierten Potenz der Temperatur nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz:

P = A σ T 4
Wo

  • P ist die durch Wärmestrahlung verlorene Leistung
  • T ist die Emissionstemperatur.
  • A ist der Bereich der thermischen Emission, und
  • σ ist die Stefan-Bolzmann-Konstante

Obwohl viel darüber gesprochen wird, dass der Aufbau von Raumladungen der begrenzende Faktor für die thermionische Umwandlungseffizienz ist , scheint der Nachteil der Potenz von 2 durch Wärmestrahlungsverluste die thermionische Umwandlung zu einem grundsätzlich unpraktischen Ansatz zur Annäherung an die Carnot-Effizienz zu machen.

Was vermisse ich?

Denken Sie daran, Akronyme zu buchstabieren.

Antworten (1)

Laut diesem Artikel „Thermionic Energy Conversion in the Twenty-first Century: Advances and Opportunities for Space and Terrestrial Applications“ ist die Wärmestrahlung tatsächlich ein Konstruktionsproblem.

Sie erwähnen zwei Potenzgesetze, und ja, das impliziert, dass der Wirkungsgrad bei hohen Temperaturen sinken muss, aber es impliziert auch, dass bei ausreichend niedrigen Temperaturen der Effekt der Wärmestrahlung vernachlässigbar werden muss.

Die Kraft des Potenzgesetzes ist nicht das Einzige, und bei der Bewertung, ob eine Technologie sinkt oder schwimmt, läuft es auf eine praktische Frage hinaus, was die tatsächlichen Koeffizienten usw. sind und was der endgültige Kompromiss ist, der in der Technik eingegangen wird .

Ich habe meine Frage geändert, um relevanter zu sein. In diesem Papier heißt es beispielsweise: "... es gibt keinen physikalischen/chemischen Grund dafür, dass ein thermionischer Konverter nicht in der Nähe des Carnot-Wirkungsgrads mit hoher Stromerzeugung arbeiten kann." Da die Umgebungstemperatur des Kühlkörpers nicht geändert werden kann, muss man die Eingangstemperatur erhöhen – was meinen Fokus auf die Temperaturskalierung motiviert.
Nun, wie der Artikel erwähnt, wenn Sie senken können σ dann gewinnst du. Bei Infrarotstrahlung und glänzenden Metalloberflächen ist das nicht so schwer.
Was die Annäherung an die Carnot-Effizienz betrifft, gibt es meiner Meinung nach einen impliziten Qualifizierer "bei geeigneten Temperaturen". Jede existierende Wärmekraftmaschine hat einige praktische Bedenken wie diese: Selbst wenn sie Carnot bei einem Temperaturpaar erreichen können, wird dies wahrscheinlich nicht bei allen Temperaturpaaren der Fall sein. Einige können dies über einen größeren Bereich halten, andere arbeiten nur in einem engen Bereich um ein bestimmtes Temperaturpaar herum effizient.
Im Fall eines Radioisotop-Thermogenerators kann die Quelle so heiß werden, wie Sie möchten. Sie interessieren sich also möglicherweise nicht einmal für die Annäherung an die Carnot-Effizienz, sondern für die absolute Effizienz.
Ich konnte kein " σ " im Artikel. Was ist das?
In dem Artikel heißt es: „Somit ist es für einen thermionischen Konverter zumindest im Idealfall möglich, sich dem Carnot-Wirkungsgrad anzunähern. Angesichts der hohen Temperaturen, mit denen die thermionische Emission kompatibel ist, kann dieser Wirkungsgrad außerdem relativ hoch sein. Zum Beispiel ein ‚Standard‘ Der Konverter könnte mit einem Emitter von 1.800 K und einem Kollektor von 1.000 K arbeiten, was zu einem Carnot-Wirkungsgrad von 44 % führt. Ich sehe jedoch in dem Artikel keine Rechtfertigung für die Behauptung, dass die thermionische Effizienz 44% erreichen kann. Was ist ein "'Standard'-Konverter"?
Ah, Entschuldigung, ich wollte "Emissionsgrad" sagen, was nicht der Fall ist σ sondern eher gewöhnlich ε . Niedriger Emissionsgrad bedeutet niedrige Strahlung. Wie auch immer, dieses Argument ist ermüdend, Sie haben keine tatsächliche Gleichung für die Obergrenze der thermionischen Effizienz angegeben, über die Sie sich so Sorgen machen. Lassen Sie mich wissen, wenn Sie es abgeleitet haben.
Warum macht Wärmestrahlung die thermionische Umwandlung nicht unfähig, sich der Carnot-Effizienz zu nähern?
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v