ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
THERMIONIC CONVERTER

Изобретение относится к области преобразования тепловой энергии в электрическую энергию и может быть использовано в электрогенерирующих элементах энергетической установки.
Известен термоэмиссионный электрогенерирующий канал (ЭГК) активной зоны ядерного реактора [Грязнов Г.М., Пупко В.Я. ТОПАЗ-1 - советская космическая ядерно-энергетическая установка. Природа, 1991, №10, с. 29-36]. ЭГК активной зоны ядерного реактора содержит последовательно соединенные электрогенерирующие элементы, содержащие источники тепла в виде ТВЭЛ, оболочки которых являются катодами, и отделенные от них кольцевым зазором аноды, через изолирующие прокладки соединенные с корпусом ЭГК, охлаждаемым жидкометаллическим теплоносителем, в которых кольцевой зазор между анодом и катодом промывается парами цезия, подаваемыми из цезиевого термостата с одного торца ЭГК и сбрасываемыми в окружающую среду на другом торце ЭГК.
Недостатками такого устройства являются расходная схема циркуляции рабочего тела ЭГК - цезия и относительно низкая эффективность преобразования энергии.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является термоэмиссионный преобразователь, описанный в патенте США на изобретение №5578886, дата публикации - 18.02.1993 г.
Известное техническое решение содержит обогреваемый катод, отделенный от него зазором, заполненным парами цезия, охлаждаемый анод, причем анод выполнен из закрепленной по периметру фольги, в которой имеется по крайней мере несколько отверстий, через которые в зазор подается пар цезия из цезиевого термостата.
Недостатками этого решения являются относительно большое термическое сопротивление анода и обусловленные им относительно большие перепады температуры на рабочей поверхности анода.
Перед авторами стояла задача устранения указанных недостатков, а именно создание термоэмиссионного преобразователя, обладающего большей эффективностью преобразования за счет стабилизации температуры анода.
Для решения поставленной задачи в термоэмиссионном преобразователе, содержащем узел катода, включающий катод и корпус со средствами обогрева, и узел анода, включающий перфорированный анод, корпус со средствами охлаждения и каналом для пропуска пара цезия к перфорированному аноду, причем узел катода и узел анода размещены на корпусе герметичной камеры, заполненной паром цезия, рабочие поверхности катода и анода размещены внутренней полости герметичной камеры и разделены межэлектродным зазором, предлагается:
- анод выполнить в виде пластины;
- на каждой поверхности пластины анода выполнить параллельные продольные пазы, общие направления пазов на сторонах пластины не параллельны, а сумма их глубин превышает толщину пластины.
В частных случаях предлагается:
- пазы выполнить треугольного профиля, пересекающиеся под прямым углом;
- глубину пазов на рабочей поверхности пластины анода выбрать от 0,1 до 0,5 глубины пазов на внутренней поверхности пластины анода;
- пластину анода выполнить из сплавов на основе меди.
Технический результат изобретения - повышение эффективности преобразования энергии следствие приближения параметров проведения термоэмиссионного процесса к оптимальным.
Сущность изобретения поясняется фигурами, где на фиг. 1 представлено схематическое изображение устройства, на фиг. 2 - фронтальный вид анода, фиг. 3 - вид на анод слева, на фиг. 4 - вид на анод сверху.
На фиг. 1-4 приняты следующие обозначения: 1 - анод, 2 - верхние продольные пазы, 3 - гермоввод, 4 - канал подвода пара цезия, 5 - каналы воздушного охлаждения, 6 - катод, 7 - корпус герметичной камеры, 8 - корпус узла анода, 9 - корпус узла катода, 10 - нагреватель катода, 11 - нижние продольные пазы, 12 - отверстия, 13 - патрубок отвода пара цезия, 14 - сильфон, 15 - форкамера.
Термоэмиссионный преобразователь содержит узел катода, включающий катод 6, корпус узла катода 9 и нагреватель катода 10, и узел анода, включающий анод 1, канал подвода пара цезия 4, каналы воздушного охлаждения 5, корпус узла анода 9 и форкамеру 15, размещенные на герметичной камере, заполненном паром цезия, включающей гермоввод 3, корпус герметичной камеры 7, патрубок отвода пара цезия 13 и сильфон 14. Канал подвода пара цезия 4 открывается в форкамеру 15 - полость под пластиной анода 1. Герметичная камера снабжена гермовводом 3 для разрыва электрической цепи между узлами анода и катода и сильфоном 14 для взаимной ориентации рабочих поверхностей собственно анода 1 и катода 6. Рабочие поверхности анода 1 и катода 6 фиксируются параллельно друг другу с межэлектродным зазором в пределах 0.1-1 мм. В верхней части корпус герметичной камеры 7 снабжен патрубком для отвода пара цезия 13. На верхней поверхности пластины анода 1 выполнены верхние продольные пазы 2, на нижней - нижние продольные пазы 11. Направления пазов 2 и 11 не параллельны, а суммарная глубина превышает толщину пластины, вследствие чего в пластине анода 1 формируется массив отверстий 12 для пропуска пара цезия из форкамеры 15 в межэлектродный зазор.
В частных случаях исполнения термоэмиссионного преобразователя предлагается:
- во-первых, верхние продольные пазы 2 и нижние продольные пазы 11 выполнять треугольного профиля и пересекающимися под прямым углом, что соответствует максимальному раскрытию проходного сечения для пропуска пара цезия;
- во-вторых, глубину пазов на рабочей поверхности пластины анода выбирать от 0,1 до 0,5 глубины пазов на внутренней поверхности пластины анода, что увеличивает долю абсорбирующей электроны поверхности анода;
- в-третьих, пластину анода выполнить из сплавов на основе меди, что снижает ее термическое сопротивление и выравнивает температуру рабочей поверхности анода.
Устройство работает следующим образом.
Рабочий процесс осуществляют разогревом катода 6 нагревателем катода 10 до температуры в диапазоне 1100-1300°С в условиях отвода тепла от анода 1 средствами его охлаждения (например, обдувом воздуха, подводимого по каналам воздушного охлаждения 5) при температуре 250-500°С. Внутреннее пространство герметичной камеры термоэмиссионного преобразователя заполняется паром цезия через канал подвода пара цезия 4, форкамеру 15 и систему отверстий 12 в пластине анода 1, образованную пересечением нижних продольных пазов 11 и верхних продольных пазов 2. Устойчивый поток пара цезия в межэлектродном зазоре формируется вследствие отвода пара цезия из герметичной камеры термоэмиссионного преобразователя через патрубок отвода пара цезия 13. В результате термоэмиссионный процесс протекает в условиях вдува пара цезия в межэлектродный зазор через отверстия 12 в пластине анода 1, что, согласно экспериментальным данным, ведет к существенному увеличению эффективности термоэмиссионного преобразования.
Пример конкретного исполнения устройства.
Корпус герметичной камеры 7 термоэмиссионного преобразователя и сильфон 14 выполнены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Наличие гибкого элемента - сильфона 14 позволяет выставить рабочие поверхности анода 1 и катода 6 параллельно друг другу с зазором 0,3-0,8 мм, а гермоввода 3 - разорвать электрическую цепь между узлами катода и анода. Анод 1 изготовлен из бескислородной меди марки МОб с покрытием слоем хрома толщиной 15 мкм со стороны катода 6, катод 6 изготовлен из молибдена с нанесенным покрытием из платины толщиной 5 мкм. Толщина пластины анода 1 составляет 1,8 мм. Верхние продольные пазы 2 выполнены треугольного профиля с углом при вершине 56 глубиной 0,4 мм, нижние продольные пазы 11 выполнены также треугольной формы с углом при вершине 37°, их глубина 1,5 мм. Как верхние, так и нижние пазы выполнены с шагом 1 мм. Направления верхних и нижних пазов взаимно перпендикулярны. Пересечение пазов 2 и 11 формирует решетку отверстий 12 с размером около 0,1 мм, отстоящих друг от друга на 1 мм. Глубина верхних продольных пазов 2 выбрана меньше глубины нижних продольных пазов 11 с целью сохранения рабочей (плоскопараллельной относительно катода 6) поверхности анода 1. Материал изолирующей вставки гермоввода 3 - оксид алюминия.
При выполнении анода из перфорированной никелевой фольги, как это имело место в прототипе, оценки величины перегревы центральной части анода вследствие затрудненного теплоотвода по фольге к периферийной части анода составляют величину до 200 К, в то время как при выполнении анода в соответствии с заявляемым решением неизотермичность рабочей поверхности анода не превышает 10 К, что позволяет провести термоэмиссионный процесс в режиме, близком к оптимальному. В соответствии с экспериментальными данными [Ярыгин В.И. и др. «Термоэмиссионный преобразователь с высокими выходными электрическими характеристиками на основе металл-кислородной системы на коллекторе». - Атомная энергия, 2000, т. 89, вып. 1, с. 39-47], эффективность термоэмиссионного преобразования энергии в значительной степени определяется эффективной работой выхода анода, которая существенно зависит от его температуры. При отклонении температуры анода от оптимального значения на 100 К эффективная работа выхода увеличивается примерно на 0,1 эВ, что приводит к уменьшению эффективности преобразования энергии на 25%.
Использование изобретения позволяет увеличить эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую вплоть до 20%.