ГЕНЕРАТОР РАБОЧЕГО ТЕЛА ДЛЯ ТЕРМОЭМИССИОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ Российский патент 1997 года по МПК H01J45/00 

Изобретение относится к методу преобразования тепловой энергии в электрическую, преимущественно термоэмиссионному, и источникам рабочего тела, преимущественно паров щелочных металлов, и может быть использовано при создании экспериментальных устройств для исследований термоэмиссионных преобразователей энергии (ТЭП), плазменных ключевых элементов и преимущественно для реакторных испытаний термоэмиссионных электрогенерирующих сборок (ЭГС).

Лабораторные исследования ТЭП и реакторные испытания ЭГС являются одним из основных этапов создания термоэмиссионных энергетических установок, в том числе на основе термоэмиссионного реактора-преобразователя. При этом необходимо тщательное вакуумное обезгаживание ТЭП и ЭГК и обеспечение межэлектродных зазоров (МЭЗ) рабочим телом, обычно паром цезия требуемого давления. Для этого в составе экспериментального устройства предусматривается специальный источник рабочего тела, который называют обычно генератором рабочего тела (ГРТ).

Известно большое количество типов устройств для подачи и регулирования давления рабочего тела ТЭП и ЭГК (А.Г. Каландаришвили. Источники рабочего тела для термоэмиссионных преобразователей энергии. М. Энергоатомиздат, 1986, сс. 13-19, 29-32). Различают жидкостные (обычные) термостаты на основе тепловых труб в виде адсорбционного, абсорбционного, электролитического источника пара цезия (ГРТ).

Наиболее близким к предлагаемому является источник пара цезия на основе тепловой трубы (там же, с. 71-74).

ГРТ выполнен в виде цезиевой тепловой трубы.

Он содержит корпус, внутри которого закреплен металловолокнистый фитиль из нержавеющей стали. ГРТ условно разделен на 3 зоны: нагреваемую зону испарения, охлаждаемую зону конденсации и находящуюся между ними адиабатическую зону. В зоне испарения размещены пароотводящий патрубок и дроссельное устройство в виде шайбы с отверстиями. Зона конденсации соединена с вакуумной системой. Пар цезия совместно с откачиваемыми газами, в том числе газообразными осколками деления (при использовании ГРТ при испытаниях ЭГС), через дроссельное устройство попадает в зону конденсации, где пар цезия конденсируется, и по фитилю, который является системой возврата сконденсировавшегося цезия, возвращается в зону испарения, а газ откачивается в вакуумную систему.

Однако с помощью этого ГРТ затруднена откачка больших количеств газов, в частности в режиме термовакуумного обезгаживания (вследствие наличия дросселя, рассчитанного на рабочий режим испытаний с относительно малым расходом газа). Кроме того, встречный поток пара и жидкости (по фитилю) могут приводить к нарушению режима работы тепловой трубы с осушением зоны испарения. Определенные трудности могут возникнуть при создании требуемой капиллярной структуры фитиля.

Целью изобретения является разделение встречных потоков пара и сконденсировавшегося цезия с повышением надежности ГРТ возможности откачки в режимах обезгаживания относительно больших потоков выделяющихся газов.

Цель достигается генератором рабочего тела для термоэмиссионных преобразователей, который обеспечивает как подачу пара цезия в МЭЗ ТЭП и ЭГК, так и непрерывное удаление выделяющихся газов, в том числе больших расходов газа в вакуумных режимах.

Сущность изобретения заключается в замене фитильной системы возврата жидкого цезия, размещенной внутри трубы, на вынесенную из корпуса трубку, соединяющую зону конденсации с зоной испарения.

Естественна целесообразность соединения нижней части зоны конденсации с нижней частью зоны испарения.

В частных случаях возможен обогрев вынесенной трубки, снабжение ее датчиками измерения температуры, например термопарами. Кроме того, высота трубки должна выбираться таким образом, чтобы в ней разместился перепад столба жидкого рабочего тела, компенсирующего перепад давлений пара рабочего тела в зоне испарения Р_max и в зоне конденсации Р_и, т.е.

L ≥ h + (P_max P_и)/g, (1)
где L длина трубки;
h высота столба жидкого рабочего тела в зоне испарения при рабочей температуре;
P_max максимальное давление пара рабочего тела в зоне испарения, Па;
P_и минимальное давление пара рабочего тела в зоне конденсации, Па;
g плотность жидкого рабочего тела при рабочей температуре, кг/м³.

На чертеже приведена конструкционная схема предложенного ГРТ.

Генератор рабочего тела для термоэмиссионных преобразователей содержит корпус 1, обогреваемая часть 2 которого является зоной испарения (жидкого цезия), а охлаждаемая часть 3 которого служит зоной конденсации. Между ними расположена адиабатическая зона 4. Внутри корпуса в зоне испарения размещено дроссельное устройство 5, например, в виде шайбы с отверстиями и устройство 6 для забора пара, например, в виде трубки с отверстиями. Для контроля давления пара здесь же могут быть размещены датчики контроля температуры 7, например, в виде очехлованных термопар. В зоне конденсации могут быть размещены устройства 8 интенсификации конденсации пара, например, в виде также шайб с отверстиями с увеличенным диаметром. Верхняя часть зоны конденсации снабжена патрубком 9 для подсоединения к вакуумной системе. Самая нижняя часть 10 зоны конденсации 3 и нижняя часть 11 зоны испарения 2 соединены трубкой 12, которая может быть снабжена нагревателем 13. Зона испарения 2 нагревается с помощью электронагревателя 14, а зона конденсации имеет систему охлаждения 15, например, с водяным теплоносителем. ГРТ имеет также специальную систему заполнения 16 жидким рабочим телом, заполненную, например, в виде герметичной ампулы, вскрываемой по команде специальным ножом.

На чертеже не показаны возможные частные случаи выполнения ГРТ, в том числе снабжение трубки термопарами для измерения температуры жидкого рабочего тела, фильтром для очистки от окислов и другие.

Предложенный ГРТ работает следующим образом.

До начала работы в ГРТ нет жидкого рабочего тела. В режиме вакуумирования, в том числе термовакуумного, ТЭП или ЭГС выделяющиеся газы попадают через устройство 6 в зону испарения 2 и через трубку 12 в зону конденсации 3 и затем через патрубок 9 в вакуумную систему. Вся эта система с малым гидравлическим сопротивлением позволяет быстро выполнить вакуумирование. После этого вскрывается ампула с жидким рабочим телом (цезием), жидкость сливается через систему 16 в зону конденсации и затем по трубке 12 сливается в зону испарения 2. ГРТ готов к подаче рабочего тела в ТЭП или ЭГС. Для этого включается нагреватель 14, температура зоны испарения поднимается до рабочего значения, при котором давление насыщенного пара будет равно требуемому давлению рабочего тела. Через устройство 6 забора пара он попадает потребителю. Одновременно через это же устройство 6 в зону испарения 2 попадают выделяющиеся газы. Парогазовая смесь через дроссельное устройство 5 попадает в зону конденсации 3, где пар конденсируется, а газ отделяется от пара и удаляется в вакуумную систему. Сконденсировавшийся пар в виде жидкости попадает в нижнюю часть зоны конденсации 10 и по трубке 12 стекает в нижнюю часть 11 зоны испарения 2. Для улучшения вязкостных свойств жидкого рабочего тела трубка 12 с помощью электронагревателя 13 обогревается.

Соединение трубкой нижней части 10 зоны конденсации 3 с нижней частью 11 зоны испарения обеспечивает полный слив сконденсировавшегося жидкого рабочего тела в зону испарения 2, при этом обеспечивается работоспособность устройства при минимально возможном количестве рабочего тела.

Выбор длины трубки в соответствии с (1) обеспечивает полное удаление жидкого рабочего тела из зоны конденсации при максимальном давлении рабочего тела, так как перепад давления в зонах испарения и конденсации будет компенсирован разностью столбов жидкого рабочего тела в трубке и в зоне испарения.

В процессе работы происходит взаимодействие паров рабочего тела с откачиваемыми газами, в том числе активными. В результате образуются окислы и другие соединения рабочего тела, которые могут влиять на работоспособность ГРТ. С целью исключения забивания трубки такими соединениями внутренний диаметр трубки должен быть достаточно большим, применительно к щелочным металлам не менее 6 мм. Для очистки циркулирующего рабочего тела целесообразно установить в трубке фильтр, например, в виде металлической сетки или войлока.

Эффективность и реализуемость предложенного устройства были подтверждены экспериментально путем создания и лабораторных исследований экспериментального образца цезиевого ГРТ диаметром 32 мм и высотой около 200 мм. Дроссельным устройством была шайба с двумя отверстиями диаметром 0,5 мм. Вынесенная трубка имела внутренний диаметр 8 мм. Загрузка цезия около 25 г. Контроль давления пара цезия производился методом точки росы. Исследовались как нормальные режимы работы ГРТ, так и аварийные. Экспериментально подтверждена высокая эффективность работы такого ГРТ во всех режимах, в том числе аварийных, например, при отключении водяной системы охлаждения зоны конденсации, отключении нагрева вынесенной трубки и ее перегреве выше температуры зоны испарения. Во всем случаях давление пара цезия определялось температурой цезиевого пара в месте отбора пара.

Назначение: непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую, преимущественно термоэмиссионное. Сущность изобретения: генератор содержит корпус с зонами испарения и конденсации и расположенными в зоне испарения устройствами дросселирования и отбора пара и систему возврата сконденсировавшегося рабочего тела в виде размещенной вне корпуса трубки, что обеспечивает условия для термовакуумной подготовки. Трубка с рекомендуемыми диаметром и длиной может быть снабжена нагревателем, датчиками измерения температуры, фильтром окислов и других соединений рабочего тела. 5 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Генератор рабочего тела для термоэмиссионных преобразователей, содержащий корпус с обогреваемой зоной испарения и охлаждаемой зоной конденсации, внутри которого в зоне испарения размещено дроссельное устройство, и систему возврата жидкого рабочего тела из зоны конденсации в зону испарения, отличающийся тем, что система возврата жидкого рабочего тела выполнена в виде размещенной вне корпуса трубки. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что трубка соединяет нижнюю часть зоны конденсации с нижней частью зоны испарения. 3. Генератор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что внутренний диаметр трубки выбран не менее 6 мм. 4. Генератор по пп.1 3, отличающийся тем, что длина трубки выбрана из условия
L ≥ h+(P_m a x-P_и)g,
где L длина трубки, м;
h высота столба жидкого рабочего тела в зоне испарения при рабочей температуре, м;
P_m a x максимальное давление пара рабочего тела в зоне испарения, Па;
Р_и минимальное давление пара рабочего тела в зоне конденсации, Па;
g плотность жидкого рабочего тела при рабочей температуре, кг/м³. 5. Генератор по пп.1 4, отличающийся тем, что трубка снабжена системой обогрева. 6. Генератор по пп.1 5, отличающийся тем, что в трубке установлен фильтр окислов и других соединений рабочего тела.