Термоэмиссионный преобразователь



Термоэмиссионный преобразователь

 


Владельцы патента RU 2449410:

Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" (RU)

Изобретение относится к термоэмиссионным преобразователям тепловой энергии в электрическую, они широко применяются в ядерных энергетических установках. Термоэмиссионный преобразователь содержит два изолированных электрода, находящихся в вакуумном объеме. Резервуар с рабочим телом - цезий тритиевый гидрид (Cs1H3), соединен с преобразователем. Изобретение позволяет повысить выходные электрические характеристики ТЭП, выходную электрическую мощность. 1 ил.

 

Термоэмиссионный преобразователь тепловой энергии в электрическую (ТЭП) является одним из перспективных устройств, преобразующих непосредственно тепловую энергию в электрическую, они широко применяются в ядерных энергетических установках.

Термоэмиссионный преобразователь энергии в общем случае представляет собой диод с металлическими электродами, установленный с межэлектродным зазором 0,1…1,0 мм в вакуумный объем. Электроды друг от друга заизолированы металлокерамическим переходником. Температура электродов с помощью внешних источников тепла устанавливается и поддерживается в следующем диапазоне: эмиттера 1400…2300 К, коллектора 800…1200 К.

Для эффективного преобразования тепловой энергии в электрическую в межэлектродный зазор ТЭП из резервуара с рабочим телом подают атомы цезия в качестве вещества, обладающего наименьшим потенциалом ионизации 3,89 эВ. Ионы цезия в ТЭП выполняют следующие функции:

регулируют работу выхода электронов на электродах за счет монослойной адсорбции на их поверхности и компенсируют отрицательный электронный заряд между электродами. Наличие ионов в межэлектродном промежутке при определенных условиях возбуждает аномальную низковольтную плазму, которая позволяет эффективно преобразовать внешне подводимое тепло в электрическую энергию. Подробно все виды подачи рабочего тела в ТЭП изложены в работе (Каландаришвили А.Г. Источники рабочего тела для термоэмиссионных преобразователей энергии. - 2-е издание, доп. - М.: Энергоатомиздат, 1993 г. - 304 с.).

Подача рабочего тела в межэлектродный зазор ТЭП обычно осуществляется из специального резервуара, в котором помещают подаваемое рабочее тело: жидкий конденсат цезия или другие соединения цезия (цезий-кислород, цезий-висмут, цезий-водород и др.). Использование различных соединений цезия связано с возможностью повышения выходных электрических параметров ТЭП по сравнению с чисто цезиевым наполнением при одновременной подаче в межэлектродный зазор пара цезия и кислорода, или другой добавки. В этом случае основной рост выходных электрических параметров ТЭП связан с влиянием добавок на работу выхода за счет адсорбции на поверхности электродов.

Наиболее близким к заявляемому является ТЭП, содержащий вакуумный объем с помещенными в него двумя электрически изолированными друг от друга электродами, соединенный с резервуаром с рабочим телом, представляющим собой гидрид цезия, а также средства для подвода и отвода тепла (Каландаришвили А.Г. Источники рабочего тела для термоэмиссионных преобразователей энергии. - 2-е издание, доп. - М.: Энергоатомиздат, 1993 г. - стр.272).

Недостатком этих источников является недостаточное ионообразование в межэлектродном зазоре ТЭП, что лимитирует реализацию более высокого значения выходной электрической мощности преобразователя.

Технический результат - повышение выходных электрических характеристик ТЭП - электронного тока, проходящего через ТЭП, выходной электрической мощности, что в свою очередь приведет к повышению кпд.

Для достижения этого технического результата предложен термоэмиссионный преобразователь энергии, содержащий вакуумный объем с помещенными в него двумя электрически изолированными друг от друга электродами, соединенный с резервуаром с рабочим телом на основе цезия, средства для подвода и отвода тепла, при этом рабочее тело представляет собой цезий-тритиевый гидрид (Cs1H3).

Обычно образование ионов цезия осуществляется по нескольким механизмам: за счет поверхностной ионизации атомов цезия на поверхности эмиттера при высокой температуре эмиттера около 2000 К и выше, когда работа выхода эмиттера приближается по своему значению к потенциалу ионизации цезия. Второй механизм ионизации атомов цезия происходит в низковольтной дуге после ее поджига при умеренных температурах 1500…2000 К. Однако при температурах на эмиттере 1300…1500 К поддержание дугового режима затруднено в связи с трудностями ионизации атомов цезия.

В предложенном изобретении за счет того, что в качестве источника пара рабочего тела используется цезий-тритиевый гидрид (Cs1H3), в рабочем состоянии межэлектродный зазор ТЭП заполняется смесью цезия и трития в парогазовой фазе, что приводит к дополнительному образованию ионов цезия и, следовательно, к повышению электронного тока, проходящего через ТЭП. Процесс ионизации цезия атомами трития происходит за счет бэта-распада атомов трития с выделением средней энергии Еср. - 5,7 кэВ.

На чертеже дан общий вид ТЭП.

Предлагаемый ТЭП содержит следующие основные узлы:

1. Резервуар с источником рабочего тела на основе гидрида цезий-тритий;

2. Патрубок, соединяющий резервуар с рабочим объемом ТЭП;

3. Рабочий объем ТЭП;

4. Эмиттер ТЭП, нагреваемый до рабочих температур от внешнего источника тепла до температур 1400…2300 К;

5. Атомы и ионы цезия в межэлектродном зазоре ТЭП;

6. Бэта-излучатель - тритий;

7. Металлокерамические переходники;

8. Нагрузка;

9. Коллектор ТЭП.

Изобретение реализуется следующим образом: В резервуар рабочего тела 1 помещают цезий-тритиевый гидрид (Cs1H3), который при нагреве выше 500 К полностью разлагается по реакции

При этом в межэлектродном зазоре ТЭП 5 устанавливается стабильная парогазовая смесь с оптимальной величиной давления пара цезия и трития, что приводит к дополнительному образованию ионов цезия, и, как следствие, происходит повышение выходных электрических параметров ТЭП.

ПРИМЕР.

Расчет количества массы трития, необходимого для оптимальной работы термоэмиссионного преобразователя энергии.

Выберем следующие исходные параметры:

- рабочий объем ТЭП 3 - V=10 литров;

- величина давления пара трития в парогазовой смеси в рабочем объеме ТЭП - Р=200 Па;

- средняя рабочая температура - Т=1000 К.

Из уравнения состояния идеального газа: PV=nRT, где Р - давление пара трития, V - занимаемый паром тритием рабочий объем, Т = рабочая температура, определяем концентрацию трития: n=PV/RT, где R - газовая постоянная равная - R=0,0821 л атм мол-1К-1.

Подставляя вышеприведенные значения, получаем:

n=0,25·10-3 мол. трития, отсюда масса, масса трития m=0,75·10-3 г = 0,75 мг.

Это то минимальное количество трития, необходимое для работы ТЭП в оптимальном режиме.

Таким образом, использование в качестве рабочего тела цезий-тритиевого гидрида (Cs1H3) приводит к дополнительному образованию ионов цезия в межэлектродном зазоре ТЭП с помощью бэта-излучателя-1H3 со средней энергией излучения Еср. - 5,7 кэВ и, следовательно, к повышению электронного тока, проходящего через ТЭП, и повышению кпд устройства. Особенно привлекательным представляется использование такого ТЭП при разработке низкотемпературных ТЭП в интервале температур эмиттера 1400…1800 К. Также перспективным является его применение в ТЭП, в которых нагрев электродов осуществляется радиоактивным источником тепла, т.е. имеется дефицит тепловой энергии, поэтому изделия с высоким кпд более предпочтительны.

Термоэмиссионный преобразователь, содержащий вакуумный объем с помещенными в него двумя электрически изолированными друг от друга электродами, соединенный с резервуаром с рабочим телом на основе цезия, средства для подвода и отвода тепла, отличающийся тем, что рабочее тело представляет собой цезий-тритиевый гидрид (Cs1H3).



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологическим приемам решения задачи обеспечения электрической энергией потребностей собственных нужд (средства телемеханики, контрольно-измерительные приборы, освещение, охранно-пожарная сигнализация и т.д.) автономно функционирующих газоредуцирующих объектов магистральных газопроводов и газовых сетей низкого давления.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для производства электрической энергии для малой энергетики и локальных электросетей с использованием как высокопотенциального, так и низкопотенциального тепла, в частности солнечного.

Изобретение относится к области преобразования тепловой энергии в электрическую. .

Изобретение относится к области производства, преобразования и распределения электрической энергии и может быть использовано в устройствах для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.

Изобретение относится к устройствам прямого преобразования тепловой энергии в электрическую термоэмиссионым способом. .

Изобретение относится к области производства, преобразования и распределения электрической энергии и может быть использовано в устройствах для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую энергию.

Изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую с помощью термоэмиссионных преобразователей (ТЭП). .

Изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. .

Изобретение относится к области энергетики, точнее к системам, преобразующим тепловую энергию (солнечную, тепловых электростанций, ядерную и др.) непосредственно в электрическую энергию как в наземных, так и в космических условиях, и может быть использовано для повышения эффективности работы одного из видов этого типа устройств, а именно, термоэлектрических преобразователей энергии (ТЭП) со щелочными металлами (далее - Alkali metal thermal to Electric Conversion (AMTEC)

Изобретение относится к области энергетики, точнее к системам, преобразующим тепловую энергию непосредственно в электрическую энергию, и может быть использовано для повышения эффективности работы одного из видов этого типа устройств, а именно, термоэлектрических преобразователей энергии (ТЭП) со щелочными металлами (далее - Alkali metal thermal to Electric Conversion (AMTEC)

Изобретение относится к ядерной энергетике, в частности к космической, с использованием ядерных реакторов с термоэлектрическим и термоэмиссионным преобразованием

Изобретение относится к области термоэмиссионного преобразования тепловой энергии ядерного реактора в электрическую и может быть использовано при создании многоэлементных электрогенерирующих каналов (ЭГК)

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано при создании энергетических установок прямого преобразования тепловой энергии в электрическую

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую в различных автономных устройствах, где требуется невысокая электрическая мощность с длительным сроком службы

Изобретение относится к радиационной защите в составе ядерной энергетической установки для космического аппарата. Защита в местах прохода трубопроводов снабжена вставками из теплозащитного материала, например, на основе кварцевых волокон, закрепленными на внешней поверхности защиты и отделяющими трубопроводы от герметизирующей оболочки контейнера с гидридом лития. Кроме этого, переднее и заднее днища защиты снабжены разделенными в окружном направлении на полости коллекторами, которые соединены между собой трубками, содержащими охлаждающий теплоноситель и закрепленными на размещенной в гидриде лития между коллекторами перфорированной обечайки защиты, переднее днище которой дополнительно снабжено эквидистантно расположенной сферической оболочкой с радиальными выштамповками, образующими совместно с передним днищем изолированные полости, соединяющиеся в центре и имеющие на периферии выход в полости коллектора на переднем днище, а полости заднего коллектора снабжены патрубками подвода и отвода теплоносителя. При этом узлы крепления защиты к агрегатам ядерной энергетической установки размещены на перегородках полостей коллекторов, выполненных на переднем и заднем днищах защиты. Технический результат: обеспечение приемлемого температурного режима гидрида лития, исключающего выход из него водорода и его диффузию через оболочку защиты в космическое пространство. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к ракетно-космической и авиационной технике. Крыло гиперзвукового летательного аппарата (ЛА) содержит внешнюю оболочку, на внутренней поверхности которой размещен эмиссионный слой-катод, который через бортовой потребитель электроэнергии, токоввод катода и токовывод анода соединен с электропроводящим элементом-анодом, в герметизированные полости, образованные внешней оболочкой нагреваемой части крыла ЛА с эмиссионным слоем и анодом, а также анодом с эмиссионным слоем и вспомогательным анодом введены химические элементы - цезий, барий в парообразной фазе. На внутренней поверхности анода расположен термоэмиссионный слой-вспомогательный катод, а эквидистантно эмиссионному слою основного анода размещен вспомогательный анод, который через дополнительный токовывод, бортовой потребитель электроэнергии и токоввод катода электрически соединен с катодом, образованным внешней оболочкой крыла и нанесенным на ее внутреннюю поверхность эмиссионным слоем. Изобретение направлено на снижение температурно-напряженного состояния крыла. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для генерирования электроэнергии. Технический результат состоит в повышении выходной электроэнергии. Дисперсные структуры, использующие передачу заряда посредством газа и предназначенные для использования в электрических генераторах, содержат множество частиц, содержащих пустоты между первой и второй противоположными поверхностями упомянутых частиц. По меньшей мере, часть упомянутых противоположных поверхностей модифицируют таким образом, что способность передавать заряд упомянутых первых противоположных поверхностей отличается от способности передавать заряд упомянутых вторых противоположных поверхностей. 5 н. и 18 з.п. ф-лы, 12 ил., 11 табл.
Наверх