Устройство для подачи пара цезия в термоэммисионный преобразователь



Устройство для подачи пара цезия в термоэммисионный преобразователь
Устройство для подачи пара цезия в термоэммисионный преобразователь

 


Владельцы патента RU 2464668:

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

Изобретение касается термоэмиссионного преобразования тепловой энергии в электрическую и относится к устройствам подачи пара цезия в межэлектродный зазор термоэмиссионного преобразователя (ТЭП). Технический результат - повышенная емкость по цезию достигается за счет того, что предложено устройство для подачи пара цезия в термоэмиссионный преобразователь ТЭП, содержащий источник пара цезия, выполненный из пиролитического ориентированного цезированного графита, и размещенного в корпусе с установленным на нем нагревателем, при этом источник пара цезия выполнен в виде полого цилиндра, размещенного между герметизирующими верхнюю и нижнюю плоскости цилиндра двумя пластинами, верхняя из которых сплошная, при этом полость цилиндра соединена с резервуаром с источником жидкого конденсата цезия, внутренний объем которого герметично перекрыт источником пара от рабочего объема. На резервуаре с жидким конденсатом цезия установлен нагреватель и патрубок с вентилем, а источник конденсата цезия выполнен в виде капиллярной структуры с жидким конденсатом цезия. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

 

Изобретение касается термоэмиссионного преобразования тепловой энергии в электрическую и относится к устройствам подачи пара цезия в межэлектродный зазор термоэмиссионного преобразователя (ТЭП), где требуется регулируемая подача пара цезия, широкий спектр рабочих температур, а также повышенная емкость по цезию.

В термоэмиссионных преобразователях атомы цезия выполняют одновременно несколько функций:

- адсорбируясь на поверхности электродов ТЭП регулируют работу выхода электронов;

- ионизируясь на горячей поверхности эмиттера или в межэлектродном промежутке в случае реализации дугового режима компенсируют пространственный электронный заряд, ограничивающий и прохождение электронного тока через межэлектродный зазор.

Известны устройства для подачи пара цезия, содержащие металлический резервуар с жидким конденсатом цезия (см, Каландаришвили А.Г. Источники рабочего тела для термоэмиссионных преобразователей энергии. - 2-е издание, доп. - М.: Энергоатомиздат, 1993 г. - стр.14, 30-31).

Нагревая температуру резервуара с жидким конденсатом цезия, осуществляют подачу пара цезия с оптимальным давлением около нескольких сот паскаль, что соответствует температуре резервуара около 550-650 К.

Однако такие устройства для подачи пара цезия обладают рядом недостатков:

- низкая оптимальная рабочая температура около 550-650 К, что в отдельных случаях затрудняет температурную привязку устройства к установке;

- наличие жидкой фазы при эксплуатации термоэмиссионной установки в условиях невесомости может вызвать технические трудности;

- резкая зависимость выходных электрических параметров от температуры резервуара.

Известны устройства (см. Каландаришвили А.Г. Источники рабочего тела для термоэмиссионных преобразователей энергии. - 2-е издание, доп., - М.: Энергоатомиздат, 1993 г. - стр.203, Alleau Т., Devin В., Lesneur R. Применение соединений графит-цезий в термоэмиссионных преобразователях. Pros. Internat. Conf. on Thermion. Electr. Power Gener., Lond., Sept. 1965, p.11-19. Кравченко Ю.А., Столяров Г.А. Источники паров цезия с прессованным и пиролитическим графитом для ТЭП, Гвердцители И.Г., Каландаришвили А.Г., Цхакая В.К. Источники паров цезия на основе цезированного графита для ТЭП. Pros. 3rd Internat. Conf. on Thermion. Electr. Power Gener., Juelich, 1972, Vol.3, p.1139-1146), в которых пар цезия в межэлектродный зазор термоэмиссионного преобразователя подается из резервуара, в котором помещено одно из соединений графита с цезием.

В этих устройствах подача пара цезия осуществляется из твердой фазы, а оптимальная рабочая температура колеблется от 650 до 1000 К в зависимости от содержания количества цезия в графите. С увеличением оптимальной рабочей температуры (которое связано с уменьшением количества цезия в графите) более пологой становится зависимость выходных электрических параметров от температуры резервуара с блоком из цезированного графита.

Прототипом является устройство для подачи пара цезия в термоэмиссионный преобразователь ТЭП, содержащий источник пара цезия, выполненный из пиролитического ориентированного цезированного графита. Источник пара цезия помещен в резервуар с установленным на нем нагревателем, резервуар соединен с рабочим объемом ТЭП

(См. Гвердцители И.Г., Каландаришвили А.Г., Цхакая В.К. Источники паров цезия на основе цезированного графита для ТЭП. Pros. 3rd Internat. Conf. on Thermion. Electr. Power Gener., Juelich, 1972, Vol.3, p.1139-1146).

В качестве источников пара цезия в ТЭП в основном используются соединения C10Cs и C24Cs, обладающие наибольшей емкостью, которым соответствуют следующие равновесные реакции:

12C10Cs⇔5C24Cs+7Cs,

3C24Cs⇔2C36Cs+Cs

Основным недостатком таких устройств является небольшая емкость по цезию. Большая емкость по цезию необходима для устройств при длительной эксплуатации ТЭП. В этом режиме работы ТЭП очистка рабочего объема преобразователя и межэлектродного зазора (МЭЗ) от остаточных газов осуществляется за счет прокачки пара цезия через МЭЗ, что приводит к безвозвратной потери массы цезия.

В таблице «Количество цезия в слоистых соединениях графита на 1 г пирографита» приводятся расчетные и экспериментальные данные по количеству цезия на 1 г пиролитического графита для различных двухфазных систем цезий-графит.

Таблица
Реакция Расчет Эксперимент
5C8Cs⇔4C10Cs+Cs; 0,277 0,150
12C10Cs⇔5C24Cs+7Cs; 0,647 0,525
3C24Cs⇔2C36Cs+Cs; 0,154 0,112
4C36Cs⇔3C48Cs+Cs. 0.077 0,923

Техническим результатом, на которое направлено изобретение, является увеличение емкости устройства по цезию, что приводит к увеличению длительности эксплуатации ТЭП, и обеспечение широкого спектра рабочих температур.

Для этого предложено устройство для подачи пара цезия в термоэмиссионный преобразователь ТЭП, содержащий источник пара цезия, выполненный из пиролитического ориентированного цезированного графита и размещенного в корпусе с установленным на нем нагревателем, при этом источник пара цезия выполнен в виде полого цилиндра, размещенного между герметизирующими верхнюю и нижнюю плоскости цилиндра двумя пластинами, верхняя из которых сплошная, при этом полость цилиндра соединена с резервуаром с источником жидкого конденсата цезия, внутренний объем которого герметично перекрыт источником пара от рабочего объема ТЭП.

При этом на резервуаре с жидким конденсатом цезия установлен нагреватель и патрубок с вентилем.

При этом источник цезия выполнен в виде капиллярной структуры с жидким конденсатом цезия.

На фиг.1 и 2 приведена принципиальная схема конструкции устройства, которая содержит:

1. рабочий основной объем, связанный с межэлектродным зазором ТЭП;

2. патрубок, соединяющий источник пара цезия с межэлектродным зазором ТЭП;

3. сильфон;

4. подвижная сплошная пластина;

5. полый цилиндр из цезированного ориентированного графита;

6. корпус из нержавеющей стали;

7. неподвижная пластина;

8. нагреватель для нагрева цезированного графита;

9. резервуар;

10. вентиль высокотемпературный;

11. капиллярная структура, заполненная жидким конденсатом цезия;

12. нагреватель для нагрева жидкого конденсата цезия;

13. термоэмиссионный преобразователь энергии;

14. выходной дроссель;

15. блок поглотителя цезия, выполненный из ориентированного пирографита;

16. патрубок, соединяющий рабочий объем ТЭП с вакуумной системой.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

После обезгаживания всего устройства через вентиль 10 производится заправка цезием полого цилиндра из цезированного ориентированного графита 5 и капиллярной структуры 11, после чего вентиль 10 герметично перекрывается. Полость цилиндра соединена с резервуаром 9, верхняя плоскость герметично перекрыта сплошной металлической пластиной 4, которая прикреплена к сильфону 3, соединенного с корпусом устройства 6, выполненного, например, из нержавеющей стали. Такое крепление дает возможность компенсации расширения пиролитичекого графита при нагревании и насыщении его цезием. Нижняя плоскость цилиндра 5 герметично перекрыта пластиной 7 с отверстием, соединяющим внутреннюю полость цилиндра 5 с резервуаром с цезием 9. При нагревании цезиевого конденсата 11 нагревателем 12 происходит подпитка пиролитического графита 5 в процессе работы. Количество массы цезия заправленного в капиллярную структуру 11 каждый раз определяется ресурсом работы источника пара цезия и установки в целом. Такое устройство позволяет обеспечить требуемый расход массы цезия при условии, что изостера сорбции (зависимость величины давления пара цезия от температуры резервуара 9) для жидкого конденсата цезия всегда должна превышать изостеру сорбции для выбранного источника пара на основе цезированного графита, что автоматически реализуется в данном устройстве.

Пример.

С целью обеспечения стабильной длительной работы термоэмиссионного преобразователя энергии 13 необходимо постоянно в течении всего периода работы производить очистку межэлектродного зазора 17 и рабочего объема ТЭП от остаточных газов. Наиболее перспективным с точки зрения очистки от остаточных газов - это их выброс через специальный дроссель 14 с дальнейшей откачкой через патрубок 16 с помощью вакуумной системы. Однако при этом вместе с остаточными газами происходит выброс и определенной массы цезия. Поэтому к источникам пара цезия, обеспечивающим работу ТЭП, предъявляются дополнительные требования - они должны обладать определенной емкостью по массе цезия, конкретная величина которой зависит от срока службы изделия и от принятой системы очистки, которые определяют массовый суточный расход рабочего тела (цезия).

Обычно для эффективной очистки достаточным является массовый расход цезия около 0,5 г/сутки.

Экспериментальная установка для исследования предлагаемого устройства для подачи пара цезия в режиме расхода массы цезия 0,5 г/сутки представлена на фиг.2.

В качестве источника пара цезия был выбран цезированный графит состава C8Cs (вес чистого графита равнялся 5 граммам), температура которого поддерживалась нагревателем 8 постоянной и равной около 800 К. Во внутренний объем резервуара 9 перегонялось 20 грамм жидкого конденсата цезия. При температуре 800 К соединению C8Cs соответствует двухфазная равновесная реакция

5C8Cs⇔4C10Cs+Cs;

согласно которой при 5 граммах графита в случае использования прототипа, источника пара цезия без подпитки из внутреннего объема из жидкого конденсата цезия максимальная емкость (см выше таблицу) соответствует 1,5 г цезия. При этом будет поддерживаться на постоянном уровне давление насыщенного пара цезия от цезированного графита.

В нашем случае было использовано предлагаемое устройство, которое подключалось к экспериментальной установке (см. Фиг.2), в котором источник пара цезия 5 был выполнен на основе цезированного графита состава C8Cs. Аналогичным образом могут быть выполнены источники пара рубидия и калия.

В процессе работы ТЭП в режиме с расходом цезия источник пара 5 непрерывно подпитывался атомами цезия из жидкого конденсата. Поток направленного пара цезия от цезированного графита 5 попадал в рабочий объем 1 и по патрубку 2 проникал в рабочий объем ТЭП 13 и, попадая в межэлектродный зазор 17 ТЭП, захватывал остаточные газы, которые через выходной дроссель 14 попадали в блок поглотителя рабочего тела (цезия) на основе пирографита 15, который селективно адсорбировал атомы цезия и пропускал через патрубок 16 остаточные газы к вакуумной откачке.

При этом массовый расход цезия определялся выходным дросселем 14 и равнялся примерно 0,5 г/сутки.

Проведенные испытания показали, что устройство для подачи пара цезия обеспечивает стабильную работу пара цезия ТЭП в режиме работы с расходом массы цезия около 0,5 г/сутки в течение около 1000 часов.

1. Устройство для подачи пара цезия в термоэмиссионный преобразователь (ТЭП), содержащий источник пара цезия, выполненный из пиролитического ориентированного цезированного графита и размещенный в корпусе с установленным на нем нагревателем, отличающееся тем, что источник пара цезия выполнен в виде полого цилиндра, размещенного между герметизирующими верхнюю и нижнюю плоскости цилиндра двумя пластинами, верхняя из которых сплошная, при этом полость цилиндра соединена с резервуаром с источником жидкого конденсата цезия, внутренний объем которого герметично перекрыт источником пара от рабочего объема.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на резервуаре с жидким конденсатом цезия установлены нагреватель и патрубок с вентилем.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник конденсата цезия выполнен в виде капиллярной структуры с жидким конденсатом цезия.



 

Похожие патенты:

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 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 термоэмиссионным преобразователям тепловой энергии в электрическую, они широко применяются в ядерных энергетических установках. .

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 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.

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в источниках тепловой и электрической энергии. В заявленном способе предусмотрено формирование высоковольтного электрического разряда между установленными последовательно анодным (3) электродом и катодным (4) электродом, выполненным из гидридообразующего металла, формирование вихревого потока инертного газа вдоль оси между электродами и инжекция в этот поток горячего водяного пара. Высоковольтный электрический разряд между анодным и катодным электродами формируют путем подачи на них комбинированного напряжения. Между электродами устанавливают зонды-электроды (6) для снятия электрической энергии. Заявленное устройство содержит кварцевую трубу (1), электродный анод и катод, выполненный из гидридообразующего металла, формирователь вихревого потока инертного газа (2), а также, по крайней мере, одну пару зондов-электродов, выполненных с возможностью снятия электрической энергии. Электродный анод выполнен в виде инжектора водяного пара, электродный катод выполнен в виде сопла (8) с отверстием для выпуска горячего пара. Генератор электрической энергии (5) выполнен с возможностью формирования комбинированного напряжения, включающего постоянную и высокочастотную составляющие. Техническим результатом является повышение интенсивности процесса одновременной генерации тепловой и электрической энергии. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области электромашиностроения и может быть использовано в электромеханических преобразователях энергии автономных объектов. Технический результат - повышение энергоэффективности, преобразование тепловых потерь в повышение КПД ЭМПЭ на 1-2%. Термоэмиссионный магнитопровод статора содержит обогреваемый катод, отделенный от него зазором, заполненным парами цезия, охлаждаемый анод, цезиевый термостат. Обогреваемый катод, зазор, заполненный парами цезия, и охлаждаемый анод расположены на внешней стороне магнитопровода статора с каналами, для подачи паров цезия, а на охлаждаемом аноде расположены аксиальные каналы охлаждения, во внутренней части статора расположен ротор. 4 ил.

Термоэмиссионный способ тепловой защиты частей летательных аппаратов (ЛА) включает отвод теплового потока от нагреваемой части ЛА к менее нагретой с помощью термоэмиссионного модуля посредством размещения на внутренней поверхности нагреваемых частей ЛА электропроводящего материала или покрытия, обладающего при нагреве высокой эмиссией электронов, - эмиттера, установку с зазором от эмиттера электропроводящего элемента - коллектора, на котором осаждают эмитируемые электроны и через бортовой автономный потребитель электроэнергии транспортируют к эмиттеру, с последующей герметизацией, вакуумированием образованной между эмиттером и коллектором полости и введением в нее химических элементов или соединений, уменьшающих работу выхода электронов. Изобретение направлено на снижение температурно-напряженного состояния частей двигательной установки ЛА. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх