|
| Начало раздела Производственные, любительские Радиолюбительские Авиамодельные, ракетомодельные Полезные, занимательные | Хитрости мастеру Электроника Физика Технологии Изобретения | Тайны космоса Тайны Земли Тайны Океана Хитрости Карта раздела |   |
| Использование материалов сайта разрешается при условии ссылки (для сайтов - гиперссылки) | |||
Навигация: => | На главную/ Каталог патентов/ В раздел каталога/ Назад / |
|
ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2030018
ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ РЕАКТОР-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
Имя изобретателя: Титков Алексей Семенович
Имя патентообладателя: Титков Алексей Семенович
Адрес для переписки:
Дата начала действия патента: 1992.02.10
Изобретение относится к устройствам прямого преобразования тепловой энергии в электрическую термоэмисионным способом. Сущность изобретения: корпус термоэмиссионного реактора преобразователя заполнен парами цезия, электрогенерирующие элементы выполнены плоскими с оболочкой эмиттера швеллерной формы и коллекторами, установленными эквидистантно боковым рабочим поверхностям эмиттера. Система охлаждения коллекторов выполнена в виде двух полых торцевых дисков, соединенных полыми коммутирующими пластинами, на которых закреплены коллекторы, а проводники, соединяющие элементы, выполнены из гофрированных лент.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к устройствам прямого преобразования тепловой энергии в электрическую термоэмиссионным способом.
Известно, что термоэмиссионный преобразователь тепловой энергии в электрическую (ТЭП) является источником электрической энергии с низким напряжением и высокой плотностью тока. Такое свойство ТЭП делает принципиально важным вопрос о джоулевых потерях электрической мощности на электродах ТЭП. С целью уменьшения этих потерь и увеличения выходного напряжения на клеммах термоэмиссионных устройств (ТЭУ), последние состоят из множества ТЭП конечных размеров, соединенных между собой последовательно.
В большинстве известных конструкций термоэмиссионного реактора-преобразователя (ТРП), в котором тепло от ядерного топлива превращается в электрическую энергию с помощью ТЭП, последние имеют цилиндрическую геометрию электродов. В эмиттерную оболочку такого ТЭП помещают ядерное топливо. ТЭП в совокупности с ядерным топливом называют электрогенерирующим элементом (ЭГЭ). Наибольшее распространение получили конструкции ТРП, в которых ЭГЭ соединены последовательно в виде гирлянды. Длина гирлянды, т.е. электрогенерирующий канал (ЭГК), соответствует длине активной зоны реактора.
Основными недостатками таких конструкций являются
сложность отработки ЭГК и всей конструкции ТРП в целом в лабораторных условиях с
электронагревом, имитирующим тепло от ядерного топлива, что ведет к удлинению сроков
отработки и создания ТРП, а и к их существенному удорожанию, так как подготовка,
проведение и анализ результатов испытаний в реакторных условиях занимают значительно
больше времени и стоят значительно дороже чем в лабораторных;
малая объемная доля ядерного топлива, что ведет к увеличению критической загрузки;
относительно большие потери тепловой и электрической мощности на электродах ЭГЭ,
которые связаны в основном с джоулевыми потерями электрической мощности и
неравномерностью распределения температуры вдоль эмиттерной оболочки ЭГЭ; эта
неравномерность в значительной степени связана с теплоотводом по коммутационной
перемычке, соединяющей эмиттер с коллектором и привариваемой к торцу эмиттера, а и
отводом тепла по дистанционаторам.
Известен термоэмиссионный реактор-преобразователь, содержащий герметичный цилиндрический корпус в виде обечайки, первого и второго фланцев, в котором размещены последовательно соединенные коммутирующими проводниками ЭГЭ, выполненные в виде протяженных эмиттеров, заполненных ядерным топливом, и коллекторов, установленных с межэлектродными зазорами, заполненными парами цезия, и систему охлаждения. В данной конструкции ТРП длина ЭГЭ соизмерима с длиной активной зоны реактора. В этой конструкции ЭГК состоит из одного ЭГЭ и поэтому его называют одноэлементным ЭГК. В ТРП с одноэлементными ЭГК их последовательное соединение происходит вне активной зоны. Однако существенный недостаток этой конструкции заключается в больших джоулевых потерях на электродах ЭГЭ при увеличенных плотностях тока. Поэтому такая конструкция может работать только при малых плотностях тока, а следовательно, при малых удельных электрических мощностях и малых КПД (1-2 Вт/см2 и 5-7% соответственно).
Техническим результатом является увеличение выходной мощности и КПД ТРП за счет уменьшения потерь тепловой и электрической мощности на электродах ЭГЭ.
Для достижения указанного технического результата в известном термоэмиссионном реакторе-преобразователе корпус выполнен с электроизолирующей обечайкой и заполнен парами цезия, а ЭГЭ выполнены плоскими с оболочками эмиттеров швеллерной формы, расположенных рядами, разделенными плоскими пластинами, на которых на электроизолирующих слоях жестко закреплены плоские коллекторы эквидистантно боковым рабочим поверхностям оболочек эмиттеров, при этом система охлаждения коллекторов выполнена в виде полости в первом фланце, полости, разделенной на входную и выходную части, выполненной в дополнительном фланце, установленном вне корпуса перед вторым фланцем, и соединенной с теплообменником и коммутирующих полостей, выполненных в плоских пластинах, а коммутирующие проводники выполнены в виде гофрированных линий с чередованием участков для закрепления вдоль оболочек эмиттеров и свободных участков, расположенных между гофрами с ортогональными отростками для соединения с коллекторами.
Тепловой контур, предназначенный для выноса тепла, выделяющегося на коллекторах, выполнен таким образом, чтобы завершающей операцией сборки ТРП была установка цилиндрической обечайки корпуса и его герметизация.
 |  |
 |  |
 |  |
На фиг. 1 схематически изображен ТРП общий вид; на фиг. 2, 3 и 4 сечения А-А, Б-Б и В-В на фиг. 1 соответственно; на фиг. 5 - коммутирующий проводник; на фиг. 6 - вольтамперные характеристики.
ТРП содержит цилиндрическую обечайку 1 корпуса; первый и второй фланцы 2, дополнительный фланец 3, плоскопараллельную пластину 4, теплообменник 5, полость 6 для прокачки теплоносителя, изолирующий слой 7, коллектор 8, эмиттер 9, коммутирующий проводник 10. Кроме того, позициями 11 и 2 показаны ядерное топливо и ввод паров цезия соответственно (см. фиг. 2). ТРП и содержит межэлектродный зазор 13 и дистанционатор 14 (см. фиг. 3). На фиг. 5 показаны место 15 для крепления на эмиттерной оболочке; гофр 16, отросток 17 для соединения с коллектором, электрические клеммы 18.
Пример. На фиг. 6 приведены вольтамперные характеристики (ВАХ) ТЭП, полученные экспериментально в лабораторном приборе ТЭП с плоской геометрией электродов, в котором эмиттером служит грань (110) монокристалла вольфрама, а коллектор изготовлен из молибдена. Межэлектродный зазор 0,25 мм. ВАХ получены при температуре эмиттера ТЕ=1900 К; температура цезиевого резервуара ТР=600 К; температура коллектора ТС=1- 1000 К, 2-1200 К.
Расчеты электрической мощности и КПД на выходе ЭГЭ проводят исходя из этих ВАХ при
условии изотермичности электродных поверхностей ТЭП на основе следующих формул:
Wв=j(V-VE-Vc); (1)
в = 
где Wb и b - соответственно
удельная мощность и КПД на выходе ЭГЭ;
j и V - соответственно плотность тока и напряжение, вырабатываемые ТЭП на электродах;
VE и VC - соответственно потери напряжения на эмиттерной и коллекторной
оболочках;
q*с - эффективная теплота конденсации электронов на коллекторе;
qz - плотность теплового потока на коллектор, связанного с излучением эмиттера;
qcs - плотность теплового потока на коллектор, связанного с теплопроводностью
паров цезия.
Потери напряжения на электродах определяются по формуле
Vп= 
h
j
(L-x)dx
=1/2 IполнRполн (3) где L и h - соответственно линейные размеры электродов в
направлении протекания тока и в направлении, перпендикулярном к нему;
- удельное сопротивление материала
электрода;
S - площадь поперечного сечения оболочки электрода в направлении тока;
Iполн и Rполн - соответственно полный ток, проходящий через ЭГЭ, и полное
сопротивление электрода в направлении протекания тока.
Для расчетов данные по qz; qcs и взяты соответственно из известных решений, а значения q*c, полученные в
эксперименте, для ТС=1000 К и 1200 К соответственно равны 1.92 и 2.15 эВ.
Для расчета электрической мощности на выходе ЭГЭ одноэлементного ЭГК геометрические размеры были взяты из известного решения, а именно длина L= 200 мм; диаметр 14 мм; толщина эмиттерной оболочки 1 мм, а ниобиевого коллектора 1,5 мм. Расчет для ТС=1000 К дает Wbmax=2,2 Вт/см2 и преимущества предлагаемой конструкции, как видно из результатов расчетов, приводимых ниже, неоспоримы. Более интересным является сравнение с ЭГК гирляндного типа. Типичные средние размеры ЭГЭ и ЭГК гирляндного типа следующие: L=40 мм; диаметр 10 мм; толщина оболочки эмиттера 0,5 мм и толщина коллектора 0,4 мм.
Геометрические размеры ЭГЭ в предлагаемой конструкции взяты следующие: ширина 12 мм; толщина эмиттерной оболочки 1,5 мм; толщина ниобиевого коллектора 1 мм. Длина ЭГЭ в предлагаемой конструкции на выходную мощность не влияет. Поэтому ее можно взять произвольной.
Результаты расчетов сведены в табл. 1 и 2 ЭГЭ и ЭГК гирляндного типа и ЭГЭ с плоскими протяженными электродами соответственно.
 | Из приведенных в табл. 1 и 2 данных видно, что и с точки зрения выходных электрических параметров предлагаемая конструкция ТРП имеет преимущество перед ТРП гирляндного типа. Если учесть, что в ЭГЭ ЭГК гирляндного типа имеется сильная неизотермичность эмиттера из-за отсоса тепла по коммутирующему проводнику, приваренному к его торцу, а эмиттер ЭГЭ в предлагаемой конструкции лишен этого недостатка, так как коммутирующий проводник распределен вдоль всего эмиттера и приваривается в местах с повышенной температурой, то вышеуказанное преимущество еще более усиливается. |
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ РЕАКТОР-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий герметичный цилиндрический корпус в виде обечайки и первого и второго фланцев, в котором размещены последовательно соединенные коммутирующими проводниками электрогенерирующие элементы, выполненные в виде протяженных эмиттеров, оболочки которых заполнены ядерным топливом, и коллекторов, установленных с межэлектродными зазорами, заполненными парами цезия, и систему охлаждения коллекторов, отличающийся тем, что обечайка выполнена электроизолирующей и заполнена парами цезия, а электрогенерирующие элементы выполнены плоскими с оболочками эмиттеров швеллерной формы, расположенных рядами, разделенными плоскими пластинами, на которых на электроизолирующих слоях жестко закреплены плоские коллекторы эквидистантно боковым рабочим поверхностям оболочек эмиттеров, при этом система охлаждения коллекторов выполнена в виде полости в первом фланце полости, разделенной на входную и выходную части, выполненной в дополнительном фланце, установленном вне корпуса перед вторым фланцем, и соединенной с теплообменником, и коммутирующих полостей, выполненных в плоских пластинах, а коммутирующие проводники выполнены в виде гофрированных лент с чередованием участков для закрепления вдоль оболочек эмиттеров и свободных участков, расположенных между гофрами с ортогональными отростками для соединения с коллекторами.
Версия для печати
Дата публикации 13.02.2007гг
Created/Updated: 25.05.2018