БАРОГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ КОНВЕРТОР (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК F25B9/00 

Изобретение относится к энергетике и приборостроению и может быть использовано для преобразования тепла в электричество и обратно, проведения калориметрических измерений и контроля тепловых потоков, например теплоносителей.

Известен барогальванический конвертор, содержащий две ячейки, каждая из которых выполнена в виде корпуса, твердого электролита, выполненного из материала с ионной проводимостью и установленного в корпусе с возможностью его разделения на полости высокого и низкого давления, электродов, выполненных газопроницаемыми из материала с электронной проводимостью и установленных в полостях высокого и низкого давления в поверхностном контакте с твердым электролитом, первая ячейка выполнена с возможностью ее нагревания посредством источника тепла, а вторая ячейка с возможностью ее охлаждения посредством источника холода или окружающей среды, при этом полость низкого давления первой ячейки связана с полостью низкого давления второй ячейки, полость высокого давления второй ячейки связана с полостью высокого давления первой ячейки, и электроды обеих ячеек, установленные в полостях с одинаковыми давлениями электрически связаны между собой (SU, авт.св. N 457852, кл. F 25 B 9/00, 1975).

В основе работы барогальванического конвертора лежит идея использования электрохимической ячейки, в которой источником электродвижущей силы (ЭДС) служит перепад давлений рабочего тела на ее электродах. Разность термодинамических потенциалов Гиббса для рабочего тела, находящегося при различных давлениях в контакте с электродами ячейки, является количественной мерой ЭДС ячейки.

Рабочий процесс токообразования складывается из нескольких стадий. Рабочее тело из полости высокого давления проникает через электрод в зону его контакта с твердым электролитом. Здесь происходит ионизации атомов или молекул рабочего тела путем обмена электронами на поверхности электрода, установленного в полости высокого давления, и поступления ионов рабочего тела в среду твердого электролита с проводимостью по этим ионам. Одновременно с этим происходит обратный процесс в зоне контакта твердого электролита с электродом, установленным в полости низкого давления: ионы рабочего тела выходят из твердого электролита в виде нейтральных атомов или молекул, обмениваясь электронами с электродом.

Макроскопически рабочий процесс выглядит, как течение рабочего тела через ячейку под действием перепада давлений так, что ионная составляющая потока проходит через внешнюю электрическую цепь, соединяющую электроды.

Ясно, что поток теплоносителя можно обратить вспять, если приложить к электродам напряжение, противоположное ЭДС и превосходящее ее по абсолютной величине. В этом случае получаем процесс сжатия рабочего тела. Естественно, что для обеспечения изотермичности рабочего процесса расширения (сжатия) необходимо подводить (отводить) к ячейке тепло, в количестве, компенсирующем электрическую энергию. Здесь барогальванический конвертор выступает в качестве тепловых насосов, холодильников, кондиционеров, что и было реализовано в техническом решении по SU, авт.св. N 457852.

Газовый цикл такого барогальванического конвертора формируется двумя экстремальными изотермами и двумя изобарами, а коэффициент полезного действия (КПД) может достигать в идеале величины 1 T₂/T₁, где
T₁ максимальная температура газового цикла при подводе к первой ячейке тепла Q₁ от источника тепла,
T₂ минимальная температура газового цикла для сжатия рабочего тела от низкого давления P₂ до высокого давления P₁ во второй ячейке с отводом тепла Q₂, что обеспечивает изотермичность процесса сжатия рабочего тела.

Вместе с тем, поскольку идеальных твердых электролитов не существует, то схема, в которой электроды, установленные в полости с одинаковыми давлениями, электрически связаны между собой, имеет ограниченный временной ресурс, вследствие деградации ячеек за счет внутреннего саморазряда по электронной компоненте проводимости.

Техническая задача изобретения повышение эффективности устройства и его временного ресурса.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, это увеличение времени работы за счет обеспечения периодической или непрерывной компенсации электронной составляющей тока, обеспечение регулируемости параметров термодинамического цикла, повышение КПД за счет увеличения рабочего интервала давлений между полостями высокого и низкого давления.

Для решения задачи с достижением указанного технического результата по первому варианту выполнения изобретения в известном барогальваническом конверторе, содержащем две ячейки, каждая из которых выполнена в виде корпуса, твердого электролита, выполненного из материала с ионной проводимостью и установленного в корпусе с возможностью его разделения на полости высокого и низкого давления, электродов, выполненных газопроницаемыми из материала с электронной проводимостью и установленных в полостях высокого и низкого давления в поверхностном контакте с твердым электролитом, первая ячейка выполнена с возможностью ее нагревания посредством источника тепла, а вторая ячейка с возможностью ее охлаждения посредством источника холода, при этом полость низкого давления первой ячейки связана с полостью низкого давления второй ячейки, полость высокого давления второй ячейки связана с полостью высокого давления первой ячейки, а электроды, установленные в полостях низкого давления первой и второй ячейки, электрически связаны между собой, согласно изобретению электроды, установленные в полостях высокого давления первой и второй ячейки, выполнены разомкнутыми между собой.

По второму варианту выполнения изобретения в известном барогальваническом конверторе, содержащем две ячейки, каждая из которых выполнена в виде корпуса, твердого электролита, выполненного из материала с ионной проводимостью и установленного в корпусе с возможностью его разделения на полости высокого и низкого давления, электродов, выполненных газопроницаемыми из материала с электронной проводимостью и установленных в полостях высокого и низкого давления в поверхностном контакте с твердым электролитом, первая ячейка выполнена с возможностью ее нагревания посредством источника тепла, а вторая ячейка с возможностью ее охлаждения посредством источника холода, при этом полость низкого давления первой ячейки связана с полостью низкого давления второй ячейки, полость высокого давления второй ячейки связана с полостью высокого давления первой ячейки, а электроды, установленные в полостях высокого давления первой и второй ячейки, электрически связаны между собой, согласно изобретению электроды, установленные в полостях низкого давления первой и второй ячейки, выполнены электрически разомкнутыми между собой.

В дополнение к первому и второму вариантам возможно введение в устройство теплообменника-регенератора, а полости низкого давления обеих ячеек и полости высокого давления обеих ячеек связывают посредством теплообменника-регенератора. За счет изменения схемы соединения электродов удается снимать (подводить) электроэнергию с двух ячеек, а связанные между собой электроды использовать в качестве управляющего электрода.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения станут понятными при рассмотрении лучших вариантов его осуществления со ссылками на прилагаемые рисунки.

На фиг. 1 изображена функциональная схема барогальванического конвертора по первому варианту; на фиг. 2 то же, что на фиг. 1, по второму варианту; на фиг. 3 диаграмма термодинамического цикла, зависимость температуры T от энтропии S.

Барогальванический конвертор (фиг. 1 и 2) содержит две ячейки 1 и 2, каждая из которых выполнена в виде корпуса 3 и 4, твердого электролита 5 и 6. Твердый электролит 5 и 6 установлен с возможностью разделения корпуса 3 и 4 на полости высокого P₁ и низкого P₂ давлений. Электроды 7 10 установлены в полостях высокого P₁ и низкого P₂ давления в поверхностном контакте с твердым электролитом 5 и 6, соответственно. Первая ячейка 1 выполнена с возможностью ее нагревания от источника тепла Q₁, а вторая ячейка 2 с возможностью ее охлаждения от источника холода Q₂. Полости низкого давления P₂ ячеек 1 и 2 связаны, например, трубопроводом 11, а полости высокого давления P₁ трубопроводом 12.

По первому варианту выполнения изобретения (фиг. 1) электрически связаны между собой электроды 8 и 10, установленные в полостях низкого давления P₂, а электроды 7 и 9 электрически разомкнуты.

По второму варианту выполнения изобретения (фиг. 2) электрически связаны между собой электроды 7 и 9, установленные в полостях высокого давления P₁, а электроды 8 и 9 электрически разомкнуты.

Связанные между собой электроды 8 и 10 (фиг. 1) или 7 и 9 (фиг. 2) можно использовать в качестве управляющего электрода, а разомкнутые электроды 7 и 9 (фиг. 1) или 8 и 10 (фиг. 2) для снятия или подачи электроэнергии.

На фиг. 1 и 2 также показан теплообменник-генератор 13, электрическая связь 14 электродов, выводы 15 и 16 электродов для снятия (подачи) электроэнергии, управляющий ввод 17.

Барогальванический конвертор работает следующим образом.

Рабочий процесс токообразования, отвечающий отношению давлений P₁/P₂ проводится изотермически, например, при температурах T₁ > T₂. Температуры T₁ и T₂ есть экстремальные температуры термодинамического цикла (фиг. 3). Термодинамический цикл является газовым и формируется двумя экстремальными изотермами и двумя изобарами. В известной степени он сходен с циклом Стрилинга (две изотермы и две изохоры) и потенциально не менее эффективен.

Пусть первая ячейка 1 является токогенерирующей, для чего полости корпуса 3 выполнены рабочим телом при экстремальных давлениях цикла P₁ и P₂ и поддерживаются при максимальной температуре цикла T₁ путем подвода тепловой энергии и к ячейке 1 от источника тепла Q₁.

Аналогичная вторая ячейка 2 используется при минимальной температуре цикла T₂ для сжатия рабочего тела от давления P₂ до давления P₁. При этом от ячейки 2 отводится тепло Q₂, что обеспечивает изотермичность процесса сжатия рабочего тела.

Запуск барогальванического конвертора (фиг. 1 и 2) производят путем подачи потенциала на выводы 15 и 17, за счет чего приводят ячейки 1 и 2 в рабочий режим по перепаду давлений. Энергию, соответствующую стационарному режиму работы, снижают с выводов 15 и 16.

Вторая ячейка 2 работает за счет части электричества, выработанного первой ячейкой 1, для чего предусмотрена электрическая связь 14 электродов 8 и 10 (фиг. 1) или электродов 7 и 9 (фиг. 2).

При прямом цикле процесс в первой ячейке 1 характеризуется прямой 1 2 (фиг. 3), в второй ячейке 2 отвечает, процесс 3 4. Подогрев рабочего тела, подаваемого из второй ячейки 2 в первую ячейку 1 от температуры T₂ до температуры T₁ характеризуется прямой 4 1 и его реализуют за счет внешнего источника тепла Q₁, охлаждение прямая 2 3 рабочего тела низкого давления, подаваемого от первой ячейки 1 во вторую ячейку 2, реализуют путем охлаждения второй ячейки 2 или путем теплосброса в окружающую среду. Прямой цикл 1 2 3 4 1 конверсии тепла в электричество, в случае использования газового рабочего тела, если проводимость твердого электролита 5 и 6 достаточно высока, а плотность тока умеренна, приближается к теоретическому пределу эффективности тепловой машины, характеризуемому КПД цикла Карно. Обратный цикл отвечает процессам в тепловых насосах, холодильниках, конденсаторах.

Так, например, температурам T₁ 1000 K и T₂ 500 K будет соответствовать КПД порядка 0,5 с поправкой на тепловые и электрические потери, зависящие от совершенства выполненной конструкции, однако, видно, что такие барогальванические конверторы по своей эффективности превосходят все известные тепловые машины прямого преобразования тепла в электричество.

Введение между встречными потоками рабочего тела теплообменника-регенератора 13 позволяет реализовать дополнительное использование тепла и повысить эффективность работы.

Чтобы увеличить ресурс работы ячеек 1 и 2 электроды 7 и 9 или 8 и 10, расположенные в полостях одного давления электрически соединяют связью 14, что позволяет увеличивать рабочий интервал P₂ и P₁ и изменять разницу давлений при возможной перемене требуемого режима работы. Кроме того, изменяя потенциал на управляющем вводе 17 можно периодически или непрерывно компенсировать электронную составляющую тока и регулировать параметры термодинамического цикла, что является важным для обеспечения стабильности вольт-амперных характеристик одного элемента, состоящего из двух ячеек 1 и 2, и объединения таких элементов в группу для получения требуемых энергетических характеристик. Компенсация же паразитной электронной составляющей, возникающей вследствие внутреннего саморазряда ячеек 1 и 2, позволяет повысить ресурс работы.

В то же время, еще одной особенностью барогальванического конвертора является сравнительная простота достижения степени расширения (сжатия) рабочего тела до величин10⁵ -10⁶, что делает не очень существенным влияние регенерации тепла встречных потоков рабочего тела на величину КПД. Это позволяет в некоторых случаях упростить функциональную схему, исключив из нее теплообменник-регенератор 13, что особенно важно для конденсируемых рабочих тел, расширить интервал экстремальных температур T₁ и T₂ цикла. В качестве примерно можно использовать варианты барогальванического конвертора с газовым рабочим телом на основе гальванических ячеек: H₂/ТПЭ/H₂; O₂/O₂ - /O₂; (CO₂ + 1/2 O₂) /CO₃ / (CO₂ + 1/2 O₂; I₂/AgI/1₂ и др. где ТПЭ твердополимерный электролит.

В случае использования конденсируемого рабочего тела целесообразно выполнять барогальванический конвертор по схеме, изображенной на фигуре 2, так как сконденсированное рабочее тело может обладать высокой электронной проводимость и выводы 15 и 16 внешнего токосъема лучше выполнять на электродах 8 и 10, установленных в полостях низкого давления.

Электроды 7 10 могут быть выполнены из пористого электропроводящего материала, например, Ni, Mo, Pt и др. получаемых путем плазменного наполнения либо высаждением из газовой карбональной фазы, или в виде проводящей сетчатой структуры.

В качестве источника внешнего тепла горячий газ или жидкость либо тепло ядерного реактора или изотопического распада радиактивных элементов.

В качестве источника холода может быть использован любой источник холодного газа или жидкости, либо непосредственно окружающая среда.

Наиболее успешно данный барогальванический конвертор может использоваться в преобразователях тепловой энергии в электрическую, а также в качестве основы тепловых насосов, холодильников, кондиционеров.

Использование: преобразование тепла в электричество, а также обратно преобразование, например, в холодильных машинах. Сущность изобретения: устройство содержит две ячейки, каждая из которых имеет корпус, твердый электролит, который разделяют корпус на полости низкого и высокого давления, электроды, установленные в контакте с твердым электролитом. Первая ячейка выполнена нагреваемой, а вторая - охлаждаемой. Полости одинаковых давлений первой ячейки связаны с полостями одинаковых давлений второй, а электроды, установленные в полостях низкого давления, электрически связаны между собой. Электроды в полостях высокого давления электрически разомкнуты. Во втором варианте связь электродов изменена на противоположную. 2 с. и 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Барогальванический конвертор, содержащий две ячейки, каждая из которых выполнена в виде корпуса, твердого электролита, выполненного из материала с ионной проводимостью и установленного в корпусе с возможностью его разделения на полости высокого и низкого давления, электродов, выполненных с возможностью газопроницаемости из материала с электронной проводимостью и установленных в полостях высокого и низкого давления в контакте с твердым электролитом, первая ячейка выполнена с возможностью ее нагревания посредством источника тепла, а вторая ячейка с возможностью ее охлаждения посредством источника холода, при этом полость низкого давления первой ячейки связана с полостью низкого давления второй ячейки, полость высокого давления второй ячейки связана с полостью высокого давления первой ячейки, а электроды, установленные в полостях низкого давления первой и второй ячейки электрически связаны между собой, отличающийся тем, что электроды, установленные в полостях высокого давления первой и второй ячейки, выполнены электрически разомкнутыми между собой. 2. Конвертор по п.1, отличающийся тем, что введен теплообменник-регенератор, а полости низкого давления для обеих ячеек и полости высокого давления для обеих ячеек связаны посредством теплообменника-регенератора. 3. Барогальванический конвертор, содержащий две ячейки, каждая из которых выполнена в виде корпуса, твердого электролита, выполненного из материала с ионной проводимостью и установленного в корпусе с возможностью его разделения на полости высокого и низкого давления, электродов, выполненных с возможностью газопроницаемости из материала с электронной проводимостью и установленных в полостях высокого и низкого давления в контакте с твердым электролитом, первая ячейка выполнена с возможностью ее нагревания посредством источника тепла, а вторая ячейка с возможностью ее охлаждения посредством источника холода, при этом полость низкого давления первой ячейки связана с полостью низкого давления второй ячейки, полость высокого давления второй ячейки связана с полостью высокого давления первой ячейки, а электроды, установленные в полостях высокого давления первой и второй ячейки, электрически связаны между собой, отличающийся тем, что электроды, установленные в полостях низкого давления первой и второй ячейки, выполнены электрически разомкнутыми между собой. 4. Конвертор по п.3, отличающийся тем, что введен теплообменник-регенератор, а полости низкого давления для обеих ячеек и полости высокого давления для обеих ячеек связаны посредством теплообменника-регенератора.