ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ ГЕНЕРАТОР

ТЕРМОЭМИССИОННЫИ ГЕНЕРАТОР
Полезная модель относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, в частности, к получению электроэнергии посредством испарения электронов в сильно разряженный газ или вакуум за счет тепла газов, образзтощихся при сжигании топлива, и может быть использовано для электроснабжения отдельных зданий, транспортных средств и других энергопотребителей.
Известен многоэлементный электрогенерируемый канал термоэмиссионного реактора-преобразователя для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Такой канал содержит последовательно соединенные электрогенерирующие элементы с внутренним расположением топлива, заключенные в герметичную оболочку, коммутационные переходники, соединяющие эмиттеры с коллекторами соседних электрогенерирующих элементов. Внутри коммутационных переходников выполнены каналы, соединяющие полости межэлектродного зазора и тепловыводящего элемента. Между соседними коллекторами установлен металло-керамический узел, одна из манжет которого соединена с коллектором, а другая - с коммутационным переходником. В последнем выполнен канал, соединяющий тракты в коллекторах. Кроме того, многоэлементный канал имеет электрическую изоляцию на внутренней и внешней поверхности герметичной оболочки, торцевые отражатели нейтронов и расположенный, по крайней мере с одного конца электрогенерирующего канала, металлокерамический узел. При этом его изолятор, расположенный в его конце , и торцевой отражатель сопряжены друг с другом так, что их сопрягаемые
поверхности расположены внутри торцевого отражателя и плотно соединены между собой, а расположенные соосно отверстия образуют канал для прохода паров цезия (РФ, заявка № 93058007/07, МПК Н 01 J 45/00, опубл. 10.04.97).
Данный многоэлементный электрогенерируемый канал весьма компактен, однако его эффективность невысока. Его конструкция такова, что все эмиттеры имеют одинаковую температуру. Температура коллекторов ниже температуры эмиттеров, но ее значение также одинаково для всех коллекторов, т.е. общий КПД преобразования всего канала равен КПД преобразования одного элемента и находится в пределах 12-17%.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является термоэмиссионный генератор, содержащий герметичный корпус с устройством подачи (входа) потока теплоносителя 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 (каждый этаж представляет собой ряд эмиттеров). Зазоры между этажами (рядами) образуют каналы прохождения потока теплоносителя, обеспечивая возможность передачи тепла эмиттерам термоэмиссионных элементов и охлаждение коллекторов термоэмиссионных элементов. При этом выход предыдущего канала соединен со входом последующего канала посредством канала обводной магистрали, что определяет спиралевидную траекторию движения потока теплоносителя через батарею термоэмиссионных элементов. В данной конструкции эмиттеры термоэмиссионных элементов, расположенные в конце траектории движения потока теплоносителя (верхний ряд), имеют более развитую поверхность, чем эмиттеры термоэмиссионных элементов, размещенные в начале траектории (более низкие ряды). Каждый из термоэмиссионных элементов содержит эмиттер и коллектор, размещенные с
межэлектродным зазором внутри герметичного кожуха, тепловой экран и механизм переноса электронов через межэлектродный промежуток (РФ, патент № 2144241, МПК Н 01 J 45/00, опубл. БИ № 1, 10.01.00) - прототип.
В известном термоэмиссионном генераторе нагрев эмиттеров и охлаждение коллекторов термоэмиссионных элементов производится одним и тем же потоком нагревателя. Это позволяет часть тепла из поступающего непосредственно в термоэмиссионные элементы и не преобразованного в электрическую энергию отводить и подавать (передавать) обратно в тот же поток нагревателя, не выбрасывая в окружающую среду, а используя полезно при преобразовании в электрическз ю энергию в других термоэмиссионных элементах, омываемых потоком по ходу его дальнейшего движения по тракту термоэмиссионного генератора. Общий КПД преобразования такого генератора весьма высок и достигает 60% несмотря на невысокий КПД преобразования каждого термоэмиссионного элемента в отдельности.
Однако, известный термоэмиссионный генератор некомпактен, т.к. перевод теплового потока последовательно с одного этажа на другой в известном генераторе осуществляется через обводные каналы, которые занимают объем, приблизительно равный объему преобразующей части генератора, а полезного процесса преобразования тепла в электрическую энергию в них не происходит.
Задачей данной полезной модели является усовершенствование конструкции термоэмиссионного генератора.
Технический результат, который будет достигнут от использования заявляемого технического решения заключается в повышении компактности и эффективности термоэмиссионного генератора.
Технический результат достигается за счет того, что в термоэмиссионном генераторе, включающем герметичный корпус с устройством входа теплоносителя и устройством вывода отработанного
теплоносителя, расположенную внутри корпуса многоэтажную батарею из плоских рядов термоэмиссионных элементов, образующих каналы, термоэмиссионные элементы установлены в два ряда, отделенные друг от друга теплоизолирующей перегородкой. При этом плоские эмиттеры термоэмиссионных элементов в рядах расположены ступенчато, соединяя выход канала предыдущего ряда со входом канала последующего ряда, а последний ряд термоэмиссионных элементов снабжен теплообменником.
Сущность полезной модели заключается в конструктивном расположении термоэмиссионных элементов.
Установка термоэмиссионных элементов в герметичном корпусе генератора в два ряда, разделение их установленной по центру корпуса теплоизолирующей перегородкой и расположение термоэмиссионных элементов ступенчато позволяет значительно снизить габариты генератора за счет распространения эффекта преобразования тепла в электрическую энергию на всем пути движения теплоносителя, а также увеличить общее значение КПД термоэмиссионного генератора путем увеличения начальной температуры потока нагревателя за счет подогрева дутьевого воздуха теплообменником, расположенным в последнем ряду термоэмиссионных элементов.
Из анализа научно-технической и патентной литературы заявленной совокупности признаков генератора не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии данного технического решения критерию «новизна.
Полезная модель поясняется чертежом, где на фиг. изображен общий вид термоэмиссионного генератора в разрезе.
Термоэмиссионный генератор состоит из размещенных в корпусе 1 плоских термоэмиссионных элементов 2, топки 3 (для сжигания топлива и образования потока теплоносителя 4). Термоэмиссионные элементы 2 размещены в корпусе 1 в виде многоэтажной батареи с зазорами между
этажами, выполняющими функцию каналов прохождения потока теплоносителя (на фиг. показано 5 этажей термоэмиссионных элементов). Термоэмиссионные элементы 2 размещены таким образом, что к одной плоскости (верхней) внутри кожуха каждого термоэмиссионного элемента примыкает плоский эмиттер, а к другой - коллектор. Ряды термоэмиссионных элементов отделены один от другого теплоизолирующей перегородкой 5. Корпус снабжен устройством вывода отработанного потока теплоносителя 6, устройством подачи воздуха 7 и теплообменником (воздухонагревателем) 8, размещенным в нижней части корпуса 1. Термоэмиссионные элементы 2 объединены в единую электрическую цепь и подключены через выходные клеммы 9 (схема внутренней коммутации термоэмиссионных элементов между собой и выходными клеммами на чертеже не показана). Сплошными стрелками обозначен путь движения потока теплоносителя 4 по каналам корпуса 1, штриховыми линиями - трасса движения дутьевого воздуха, штрихпунктирными - направление подачи топлива.
Заявляемый термоэмиссионный генератор работает следующим образом.
Горячий продукт (теплоноситель) 4, получаемый в топке 3 от сжигания топлива в подогретом дутьевом воздухе поступает в верхний канал корпуса 1, нагревая эмиттеры термоэмиссионных элементов 2 верхнего этажа, поток теплоносителя при этом охлаждается. При прохождении по первому каналу поток теплоносителя сначала движется вдоль канала в направлении от топки 3, затем огибает теплоизолирующую перегородку 5 и движется в обратном направлении. На конце первого канала уровень размещения плоских т термоэмиссионных элементов 2 плавно (ступенчато) изменяется до уровня второго канала. Поток теплоносителя по измененному уровню размещения термоэмиссионных элементов 2 поступает на вход второго канала. Проходя по второму каналу, он отдает тепло эмиттерам второго этажа термоэмиссионных
элементов 2, одновременно охлаждая коллекторы верхнего этажа термоэмиссионных элементов, отбирая от последних тепло, излучаемое эмиттерами термоэмиссионных элементов верхнего этажа. На выходе из второго многоэтажного зазора батареи термоэмиссионных элементов поток теплоносителя поступает на вход третьего межэтажного зазора и т.д.
Поток теплоносителя движется по межэтажным зазорам (каналам) по спиралевидной траектории.
В нижний канал батареи термоэмиссионных элементов поток поступает достаточно охлажденным и использование его для дальнейшей переработки в электрическую энергию не эффективно.
Теплообменником 8, расположенным в нижнем канале , подогревают дутьевой воздух (поток теплоносителя, следуя по нижнему этажу, охлаждает коллекторы термоэмиссионных элементов нижнего этажа и отдает тепло дутьевому воздуху через стенки теплообменника 8).
Отработанный поток теплоносителя удаляется через устройство вывода 6. Термоэмиссионные элементы 2 образуют между собой единую электрическую цепь и подключены к клеммам 9.
Оптимальная разность температур между эмиттерами и коллекторами термоэмиссионных элементов 2, при которых достигается достаточная плотность тока эмиссии, обеспечивается подбором необходимого количества термоэмиссионных элементов при их размещении на этажах. Изменение плотности тока эмиссии может также производиться изменением поверхности излучения эмиттеров без изменения общих габаритов термоэмиссионных элементов.
В заявляемом термоэмиссионном генераторе значительно снижены габариты и увеличена эффективность использования энергии теплового потока при сохранении необходимой траектории движения потока теплоносителя через термоэмиссионные элементы, что позволяет получить значительный
экономический эффект при незначительных дополнительных затратах на усовершенствование существующих термоэмиссионных генераторов.