Способ прямого преобразования тепловой энергии в электрическую и генератор для его осуществления
Изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Способ заключается в том, что для стабилизации температуры в зоне преобразования энергии теплопередачу от движущегося теплоносителя к термоэмиссионным элементам осуществляют с одновременным подогревом теплоносителя через стенку канала от другой его более нагретой части, термоэмиссионные элементы размещены в герметичном корпусе термоэмиссионного генератора в виде сегментов, образующих кольца вокруг канала с теплоносителем с возможностью образования винтовой траектории при прохождении потока теплоносителя, движущегося с выхода канала по его наружной части в обратном направлении по промежуткам между кольцами, движение продолжается до снижения температуры отработавшего потока ниже температуры тепловой эмиссии электронов. Генератор представляет собой герметичный корпус цилиндрической формы с устройством входа потока теплоносителя от внешнего источника и устройством вывода отработавшего потока теплоносителя, внутри корпуса установлены термоэмиссионные элементы в виде колец, собранных из отдельных сегментов и соединенных в единую электрическую цепь. Технический результат: повышение эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую за счет повышения коэффициента полезного действия и снижения габаритов термоэмиссионного генератора. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.
Заявляемое изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую посредством термоэлектронной эмиссии, в частности к получению электроэнергии испарением электронов в сильно разреженный газ или вакуум за счет тепла газов, образующихся при сжигании топлива, и может быть использовано на тепловых электростанциях для снабжения электроэнергией и теплом отдельных зданий промышленной и индивидуальной застройки, в металлургии, транспорте и других отраслях промышленности.
Известен термоэмиссионный генератор, содержащий внешний корпус, внутри которого размещены источник тепла и батарея последовательно соединенных через коммутационную перемычку термоэмиссионных элементов, при этом внешний корпус полностью теплоизолирован от окружающей среды, а каждый из термоэмиссионных элементов выполнен в виде отделенных друг от друга дистанционаторами эмиттера и коллектора, которые отделены от корпуса слоем теплоизоляции, дистанционаторы выполнены из материала с высокой теплопроводностью, обеспечивающего возможность передачи тепла между эмиттером и коллектором, термоэмиссионные элементы плотно упакованы внутри теплового экрана, размещенного на внешнем корпусе, а батарея термоэмиссионных элементов выполнена в форме набора параллельных пластин, одна поверхность которого выполнена в виде эмиттера, а противоположная поверхность - в виде коллектора соседнего термоэмиссионного элемента, все пластины соединены общим теплопроводом - дистанционатором (SU, авторское свидетельство №1822505, H01J 45/00, опубл. 1993).
Полезная работа известного термоэмиссионного генератора осуществляется за счет разности температур эмиттера и коллектора. Способ состоит в преобразовании тепла точечного источника в электрическую энергию. От источника тепло через твердый теплопровод посредством контакта передается на термоэмиссионные элементы, контактирующие с теплопроводом и располагающиеся вдоль последнего. Разность температур между эмиттерами и коллекторами образуется за счет понижения температуры вдоль теплопровода по мере отвода тепла от него. При нагревании эмиттеров в пакете термоэмиссионных элементов до температуры эмиссии происходит выход электронов в межэлектродные промежутки и осаждение их на коллекторах. Полученный электрический ток от последовательно соединенных термоэмиссионных элементов пакета подается во внешнюю электрическую цепь. Применение способа позволяет использовать тепло, прошедшее через каждый термоэмиссионный элемент, в последующих термоэмиссионных элементах, что приводит к увеличению эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую и повышает КПД термоэмиссионного генератора до 40%.
Организация передачи тепла по твердому теплопроводу, обладающему термическим сопротивлением, сопровождается значительным неоправданным падением температуры (температурного напора) вдоль теплопровода. Падение температурного напора происходит также при передаче тепла от мест контактов вдоль пластин, образующих поверхности эмиттеров и коллекторов. Тепловой поток низкой температуры не может быть эффективно использован для преобразования в электроэнергию. Поэтому эффективность преобразования плоскостей элементов, «удаленных» от источника в известном генераторе, невысока. Применение дистанционаторов с высокой теплопроводностью, предназначенных для улучшения передачи тепла между эмиттерами и коллекторами, несколько улучшает подвод тепла к плоскостям элементов, «удаленных» от источника тепла, однако эффективность преобразования генератора не может быть высокой, т.к. дистанционаторы также обладают термическим сопротивлением, вызывающим снижение температуры передаваемого теплового потока.
Известен также способ прямого преобразования тепловой энергии в электрическую и термоэмиссионный генератор для его осуществления. Этот способ принят в качестве прототипа для заявленного способа. В известном способе теплопередача осуществляется через поток движущегося теплоносителя, который подают к термоэмиссионным элементам, последние размещены в герметичном корпусе термоэмиссионного генератора в виде многоэтажной батареи с возможностью образования спиралевидной траектории прохождения потока теплоносителя по этажам батареи, отделенных друг от друга горизонтальными каналами, катоды термоэмиссионных элементов выполняют функцию эмиттеров, а аноды термоэмиссионных элементов выполняют функцию коллекторов, при этом поток теплоносителя пропускают по первому каналу, нагревая эмиттеры термоэмиссионных элементов первого этажа, по меньшей мере, до температуры тепловой эмиссии электронов, на выходе из канала поток теплоносителя через канал обводной магистрали подают на вход следующего канала в том же направлении, что и поток теплоносителя предыдущего канала, при этом один и тот же поток теплоносителя одновременно используют в качестве охлаждающего агента для коллекторов термоэмиссионных элементов предыдущего этажа батареи и в качестве потока теплоносителя для нагрева эмиттеров термоэмиссионных элементов следующего этажа батареи, рабочий цикл повторяют до снижения температуры отработанного потока ниже температуры тепловой эмиссии электронов. Термоэмиссионные элементы связаны между собой в единую электрическую цепь (RU, патент №2144241, H01J 45/00, опубл. 1998).
Для дополнительного повышения эффективности использования энергии отработанного теплового потока на выходе могут быть установлены любые известные устройства для утилизации полезного тепла, например теплообменники.
Из этого же источника известен термоэмиссионный генератор, представляющий собой герметичный корпус с устройством входа потока теплоносителя от внешнего источника и устройством вывода отработанного потока теплоносителя, внутри корпуса установлены термоэмиссионные элементы, соединенные между собой в единую электрическую цепь, термоэмиссионные элементы размещены в виде многоэтажной батареи, зазоры между этажами которой образуют каналы прохождения потока теплоносителя, обеспечивая возможность передачи тепла эмиттерам термоэмиссионных элементов и охлаждения коллекторов термоэмиссионных элементов, при этом выход предыдущего канала соединен с входом последующего канала посредством канала обводной магистрали, что определяет спиралевидную форму траектории движения потока теплоносителя через батарею термоэмиссионных элементов. Эмиттеры термоэмиссионных элементов, расположенные в конце траектории движения потока теплоносителя, снабжены более развитой поверхностью, чем эмиттеры термоэмиссионных элементов, размещенные в начале его траектории.
Термоэмиссионный элемент вышеназванного генератора выполнен в виде плоского герметичного кожуха, внутри которого размещены эмиттер, коллектор и механизм переноса электронов через межэлектродное пространство. Способ преобразования тепловой энергии в электрическую и термоэмиссионный генератор для его осуществления позволяет увеличить эффективность использования энергии теплового потока за счет организации конфигурации движения потока через термоэмиссионные элементы. КПД термоэмиссионного генератора может достигать 60%.
Высокая температура теплоносителя в первом (верхнем) канале термоэмиссионного генератора, образованном термоэмиссионными элементами и верхней частью корпуса, а также в обводных теплоизолированных каналах приводит к неоправданным тепловым потерям тепловой энергии теплоносителя через стенки корпуса и каналов, что снижает КПД известного генератора. Утолщение теплоизоляции с целью уменьшения тепловых потерь приводит к увеличению его габаритов, и генератор получается громоздким.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по изменению схемы расположения термоэмиссионных элементов для формирования винтообразной траектории перемещения теплоносителя. Достигаемый при этом технический результат заключается в повышении эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую за счет повышения коэффициента полезного действия и снижении габаритов термоэмиссионного генератора.
Указанный результат в части способа достигается тем, что в способе прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, заключающемся в передаче тепла движущегося теплоносителя термоэмиссионным элементам, размещенным в герметичном корпусе генератора и электрически связанным между собой в единую электрическую цепь, при этом катоды термоэмиссионных элементов нагревают, по меньшей мере, до температуры тепловой эмиссии электронов, аноды термоэмиссионных элементов охлаждают, а получаемый электрический ток подают на нагрузку, теплопередачу осуществляют через стенки канала от нагретого движущегося вдоль по каналу теплоносителя и от этого же теплоносителя, поступающего с выхода канала и движущегося в обратном направлении, при этом термоэмиссионные элементы размещают кольцевыми рядами, составленными из отдельных сегментов перпендикулярно стенкам кожуха, охватывающего канал с нагретым теплоносителем, пространство между стенками канала и кожуха разделяют на отдельные секции с образованием промежутков между кольцевыми рядами и проемов между сегментами для обеспечения возможности движения потока по винтовой траектории, сегменты термоэмиссионных элементов размещают таким образом, что каждый промежуток образован либо анодами, либо катодами термоэмиссионных элементов, при этом поток теплоносителя пропускают через первый промежуток, образованный катодами термоэмиссионных элементов, поток, перемещающийся по окружности с нагревом катодов в этом промежутке и охлаждением при переходе через проем между сегментами второго кольцевого ряда, направляют в следующий промежуток, образованный анодами термоэмиссионных элементов, в котором поток теплоносителя используют в качестве охлаждающего агента для анодов и из которого поток подают в пространство между каналом и кожухом, размещенное под вторым и третьим промежутками, для подогрева потока через стенку канала за счет отбора тепла от потока, движущегося по каналу, затем поток направляют в третий промежуток, образованный катодами, и рабочий цикл повторяют до снижения температуры отработавшего потока ниже температуры тепловой эмиссии электронов.
Энергия отработавшего теплового потока может быть дополнительно использована на подогрев дутьевого воздуха, а на выходе могут быть установлены любые известные устройства утилизации полезного тепла, например теплообменники, что существенно повышает эффективность использования тепла.
Для реализации заявляемого способа предлагается термоэмиссионный генератор, представляющий собой герметичный корпус цилиндрической формы с устройством ввода потока теплоносителя от внешнего источника и устройством вывода отработавшего потока теплоносителя, внутри корпуса установлены термоэмиссионные элементы, соединенные между собой в единую электрическую цепь, термоэмиссионные элементы выполнены в виде отдельных сегментов и образуют ряды колец с промежутками для прохождения потока теплоносителя, обеспечивая возможность передачи тепла катодам термоэмиссионных элементов и охлаждение анодов этих элементов, в кольцах из сегментов образованы проемы, благодаря которым и промежуткам тепловой поток при движении имеет винтообразную форму. Катоды термоэмиссионных элементов, расположенные в конце траектории движения потока теплоносителя, снабжены более развитой поверхностью, чем катоды термоэмиссионных элементов, размещенных в начале траектории.
Заявляемый термоэмиссионный генератор и способ преобразования тепловой энергии в электрическую иллюстрируется следующими чертежами.
На фиг.1 - общий вид термоэмиссионного генератора;
фиг.2 - термоэмиссионный генератор, продольный разрез;
фиг.3 - сечение А-А по фиг.2;
фиг.4 - сечение Б-Б по фиг.3;
фиг.5 - узел А по фиг.2;
фиг.6 - график распределения температуры теплоносителя в термоэмиссионном генераторе.
Согласно настоящему изобретению способ прямого преобразования тепловой энергии в электрическую заключается в передаче тепла движущегося теплоносителя термоэмиссионным элементам, размещенным в герметичном корпусе генератора и электрически связанным между собой в единую электрическую цепь, при этом катоды термоэмиссионных элементов нагревают, по меньшей мере, до температуры тепловой эмиссии электронов, аноды термоэмиссионных элементов охлаждают, а получаемый электрический ток подают на нагрузку.
Теплопередачу осуществляют через стенки канала от нагретого движущегося вдоль по каналу теплоносителя и от этого же теплоносителя, поступающего с выхода канала и движущегося в обратном направлении, при этом термоэмиссионные элементы размещают кольцевыми рядами, составленными из отдельных сегментов перпендикулярно стенкам кожуха, охватывающего канал с нагретым теплоносителем, пространство между стенками канала и кожуха разделяют на отдельные секции с образованием промежутков между кольцевыми рядами и проемов между сегментами для обеспечения возможности движения потока по винтовой траектории, сегменты термоэмиссионных элементов размещают таким образом, что к обеим сторонам каждого промежутка примыкают либо катоды, либо аноды термоэмиссионных элементов.
Поток теплоносителя пропускают через первый от конца промежуток, к которому примыкают катоды термоэмиссионных элементов, поток, двигаясь по окружности, нагревает катоды промежутка и, несколько охладившись, через проем между сегментами второго кольцевого ряда поступает в следующий промежуток, окаймленный анодами, и делает еще виток, в данном промежутке поток теплоносителя используют в качестве охлаждающего агента для анодов, из второго промежутка поток подают в секцию пространства между каналом и кожухом, размещенную под вторым и третьим промежутками, где он подогревается через стенку канала, отбирая тепло от участка потока движущегося по каналу и поступает в третий промежуток, окаймленный катодами, рабочий цикл повторяют до снижения температуры отработавшего потока ниже температуры тепловой эмиссии электронов.
Предлагается новый прием организации теплообмена между тепловыми потоками в термоэмиссионном генераторе. В заявляемом способе тепловая энергия подвижного теплоносителя тратится на преобразование в электроэнергию, и одновременно происходит подогрев подвижного теплоносителя от участка теплоносителя, имеющего более высокую температуру. Это обеспечивает возможность поддержания диапазона температур на уровне, при котором преобразование происходит с максимально возможным значением КПД, и достигается при этом минимальный объем преобразующих элементов, и, следовательно, повышается компактность генератора. К тому же размещение наиболее горячей части потока в центре генератора и применение подогрева дутьевого воздуха за счет отвода тепла от граничной области генератора обеспечивают снижение потерь тепловой энергии через стенки корпуса и уменьшение теплоизоляционного материала в корпусе.
Настоящий способ реализуется термоэмиссионным генератором, состоящим из герметичного корпуса с устройством ввода потока теплоносителя от внешнего источника и устройством вывода отработавшего потока теплоносителя, внутри корпуса установлены термоэмиссионные элементы, выполненные в виде отдельных сегментов, образующих ряды с промежутками для прохождения потока теплоносителя и соединенных между собой в единую электрическую цепь. При этом корпус выполнен цилиндрической формы, устройство ввода потока теплоносителя смонтировано в центре указанного корпуса вдоль его продольной оси, а ряд отдельных сегментов термоэмиссионных элементов образует ряды колец перпендикулярно стенкам с промежутками для прохождения потока теплоносителя для обеспечения возможности передачи тепла катодам термоэмиссионных элементов и охлаждения анодов этих элементов, причем в кольцах из сегментов образованы проемы для обеспечения возможности движения потока теплоносителя по винтообразной траектории.
Применение заявляемого способа и термоэмиссионного генератора для его осуществления позволяет значительно повысить эффективность преобразования энергии теплового потока в электрическую энергию за счет его рационального использования и повысить КПД термоэмиссионного генератора до 70-80%. В известных нам источниках информации не обнаружено данных об известности заявляемого приема организации движения теплового потока через термоэмиссионные элементы термоэмиссионного генератора при одновременном подогреве потока, применение этого приема позволяет существенно повысить эффективность преобразования тепловой энергии без дополнительных затрат на теплоизоляцию корпуса генератора.
Ниже рассматривается пример конкретного исполнения термоэмиссионного генератора.
Корпус 1 (фиг.1, 2) термоэмиссионного генератора имеет цилиндрическую форму. Непосредственно к стенкам корпуса примыкает двойной слой теплоизоляции 2, между слоями теплоизоляции имеются промежутки, по которым в процессе работы движется газообразный теплоноситель (воздух). В центре корпуса, соосно с ним, размещена охлаждаемая топка 3. Вокруг топки 3 размещен кожух 4, а пространство между стенками топки и кожуха разделено на отдельные секции перегородками 5. Топливо в топку подается через форсунку 6, а горячий дутьевой воздух поступает через патрубок 7 из промежутка между слоями теплоизоляции 2. Рабочая зона, расположенная между кожухом 4 и внутренним слоем теплоизоляции, разделена на секции сегментообразными термоэмиссионными элементами 8 с проемами 9 и коммутационными выводами 10. Причем сегменты расположены так, что в каждой секции к противоположным поверхностям примыкают либо только аноды А, либо катоды К, расположенные внутри сегментов. В вынесенном круге (фиг.5) изображено взаимное расположение катодов и анодов в сегментах. Выход топки 3 соединен проходом 11 с первым от конца топки проемом, образованным термоэмиссионными элементами. На кожухе для прохождения подвижного теплоносителя выполнены вырезы 12. На фиг.4 изображена форма проемов между сегментами термоэмиссионных элементов, а перегородки 5 обозначены штриховыми линиями. К корпусу примыкают теплообменник 13 для подогрева дутьевого воздуха и теплообменник 14 для подогрева воды. Траектории движения дыма обозначены сплошными линиями со стрелками. Термоэмиссионные элементы 8 объединены в единую электрическую цепь и подключены к нагрузке коммутирующими проводами 15 (фиг.3).
Процесс преобразования тепловой энергии в электрическую в термоэмиссионном генераторе происходит следующим образом.
Через форсунку 6 в топку подается топливо и горячий воздух. В цилиндрической части топки 3 происходит сгорание топлива с выделением тепловой энергии, и образуется горячий газ (дым). Через стенки топки тепло передается в рабочую зону, и по мере продвижения дыма вдоль топки температура его понижается. Характер изменения температуры дыма в функции длины топки изображен на фиг.6, и, как следует из графика, в зоне горения температура дыма достигает 1650°С, а на выходе она равна 900°С. При температуре 900°С дым поступает в последнюю секцию рабочей зоны через проход 11, где он направляется по кругу и омывает поверхности сегментов, к которым примыкают катоды К. По мере движения по кругу дым отдает часть тепловой энергии катодам, где она преобразуется в электричество и частично нагревает аноды этих сегментов. Обойдя круг, охлажденный до 700°С дым поступает в соседнюю от последней секцию, к внутренним стенкам сегментов которой примыкают аноды, где он несколько нагревается, отводя тепло от анодов. Температура дыма на выходе из этого участка порядка 750°С, что значительно ниже, чем на последнем участке, обрамленном катодами. Поэтому с анодной секции дым направляется через вырезы 12 в пространство, ограниченное цилиндрическими поверхностями топки с кожухом и плоскими перегородками, где он подогревается снова до температуры 900°С. На фиг.6 эта часть графика изображена ломаной линией. Нагрев осуществляется за счет тепла, поступающего через стенку топки, поток дыма внутри которой при этом охлаждается. Далее подогретый дым поступает в следующую катодную секцию, и процессы теплообмена будут повторяться по мере продвижения от конца корпуса к началу, как это продемонстрировано на графике изменения температуры дыма рабочей зоны на фиг.6. Как следует из графика, уровень температуры в анодных секциях устанавливается значительно ниже, чем в катодных. Этим обеспечивается требуемый перепад температур между катодами и анодами в термоэмиссионных элементах. При данной схеме движения дыма в рабочей зоне устанавливается постоянство температуры, при которой находятся термоэмиссионные элементы, а ее значение 700-900°С при средней 800°С является оптимальным для условий преобразования тепла в электричество и условий надежности (долговечности) работы материала, из которого термоэмиссионные элементы изготовлены. Охлаждение анодов крайних сегментов, примыкающих к корпусу (фиг.2), осуществляется через охлаждаемые теплоизолированные стенки. Из первой слева секции дым при температуре 300°С по торцевому межизоляционному промежутку проступает в теплообменник 13 и при прямотоке отдает тепло дутьевому воздуху, температура его при этом уменьшается до 150°С, а температура дутьевого воздуха повышается приблизительно до 150°С. Дальнейшее повышение температуры дутьевого воздуха до 300°С происходит в зоне воздушного охлаждения. Изменение температуры воздуха на фиг.6 обозначено тоники линиями со стрелками. Температура дыма снижается в теплообменнике 12 до 40°С, такое возможно при встречном теплообмене между дымом и теплоносителем, пропускаемым через теплообменник 14. Термоэмиссионные элементы 8 образуют между собой единую электрическую цепь и подключены к клеммам нагрузки генератора коммутирующими проводами 15 (фиг.3).
Изложенная здесь организация процесса теплообмена в термоэмиссионном генераторе обеспечивает экономичность его работы и компактность генератора.
Настоящее изобретение промышленно применимо, так как для его реализации используются известные технологии, применяемые в настоящее время на производстве теплогенераторов. Все конструктивные элементы заявляемого термоэмиссионного генератора могут быть изготовлены на известном оборудовании с использованием известных промышленных технологий. Заявляемый способ может быть применен на любой тепловой электростанции и в других теплогенерирующих процессах энергетических силовых установок.
1. Способ прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, заключающийся в передаче тепла движущегося теплоносителя термоэмиссионным элементам, размещенным в герметичном корпусе генератора и электрически связанным между собой в единую электрическую цепь, при этом катоды термоэмиссионных элементов нагревают, по меньшей мере, до температуры тепловой эмиссии электронов, аноды термоэмиссионных элементов охлаждают, а получаемый электрический ток подают на нагрузку, отличающийся тем, что теплопередачу осуществляют через стенки канала от нагретого движущегося вдоль по каналу теплоносителя и от этого же теплоносителя, поступающего с выхода канала и движущегося в обратном направлении, при этом термоэмиссионные элементы размещают кольцевыми рядами, составленными из отдельных сегментов перпендикулярно стенкам кожуха, охватывающего канал с нагретым теплоносителем, пространство между стенками канала и кожуха разделяют на отдельные секции с образованием промежутков между кольцевыми рядами и проемов между сегментами для обеспечения возможности движения потока по винтовой траектории, сегменты термоэмиссионных элементов размещают таким образом, что к обеим сторонам каждого промежутка примыкают либо катоды, либо аноды термоэмиссионных элементов, при этом поток теплоносителя пропускают через первый промежуток, образованный катодами термоэмиссионных элементов, поток, перемещающийся по окружности с нагревом катодов в этом промежутке и охлаждением при переходе через проем между сегментами второго кольцевого ряда направляют в следующий промежуток, образованный анодами, в котором поток теплоносителя используют в качестве охлаждающего агента для анодов и из которого поток подают в пространство между каналом и кожухом, размещенное под вторым и третьим промежутками, для подогрева потока через стенку канала за счет отбора тепла от потока, движущегося по каналу, затем поток направляют в третий промежуток, образованный катодами, и рабочий цикл повторяют до снижения температуры отработавшего потока ниже температуры тепловой эмиссии электронов.
2. Термоэмиссионный генератор, состоящий из герметичного корпуса с устройством ввода потока теплоносителя от внешнего источника и устройством вывода отработавшего потока теплоносителя, внутри корпуса установлены термоэмиссионные элементы, выполненные в виде отдельных сегментов, образующих ряды с промежутками для прохождения потока теплоносителя и соединенных между собой в единую электрическую цепь, отличающийся тем, что корпус выполнен цилиндрической формы, устройство ввода потока теплоносителя смонтировано в центре указанного корпуса вдоль его продольной оси, а ряд отдельных сегментов термоэмиссионных элементов образуют ряды колец перпендикулярно стенкам с промежутками для прохождения потока теплоносителя для обеспечения возможности передачи тепла катодам термоэмиссионных элементов и охлаждение анодов этих элементов, причем в кольцах из сегментов образованы проемы для обеспечения возможности движения потока теплоносителя по винтообразной траектории.
