БАРОГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ КОНВЕРТОР (ВАРИАНТЫ) И НАСОС, ВХОДЯЩИЙ В ЕГО СОСТАВ Российский патент 1997 года по МПК H01M14/00 G01K17/00 

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

Известен барогальванический конвертор, включающий ячейку, выполненную 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, установленных в контакте с твердым электродом в полостях высокого и низкого давления, при этом по крайней мере один электрод выполнен с возможностью газопроницаемости из материала с электронной проводимостью, а ячейка выполнена с возможностью ее нагревания посредством источника тепла, охладитель и насос для подачи рабочего тела из полости низкого давления. [1]
Это устройство имеет в описании к патенту не совсем точное название - "термоэлектрический генератор", в России этот вид устройства получил название "барогальванический конвертор" в строгом соответствии с характером рабочего процесса, а именно, выработки (поглощении) электричества на изотермическом перепаде давления рабочего тела между электродами соответствующим образом сконструированной электрохимической ячейки. Возможны многочисленные варианты применения ячеек различных типов не только в тех или иных конверторах тепла в электричество, но и в силу обратимости рабочего процесса в многочисленных модификациях холодильных установок, тепловых насосов промышленного и бытового применения.

Ограничением же этого известного технического решения является неполнота функциональной схемы для обеспечения эффективной работы и высоких значений КПД, также прямой контакт жидкого рабочего тела с твердым электролитом при высокой температуре. Этот контакт приводит к недолговечности функционирования твердого электролита из-за структурных и химических изменений при проникновении жидкости в его поры. Кроме того, устройство имеет низкую стабильность вольт-амперных характеристик (ВАХ) как из-за порчи твердого электролита вследствие контакта с жидким рабочим телом, так и вследствие нарушений свойств твердого электролита и контакта газопроницаемый электрод - электролит в полости низкого давления. А нестабильность ВАХ делает малоэффективным преобразователь, собранный с электрическим соединением ячеек в группу, предпринимаемым для увеличения рабочего напряжения до технически требуемых параметров.

Наиболее близким техническим решением является барогальванический конвертор, содержащий ячейку, выполненную 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, причем ячейка выполнена с возможностью ее нагревания посредством источника тепла, конденсатор и насос, связанные последовательно, причем полость низкого давления связана со входом конденсатора, а выход насоса связан с полостью высокого давления. [2]
В этом техническом решении удалось улучшить стабильность ВАХ за счет исключения прямого контакта жидкости с твердым электролитом и функционирования ячейки в системе газ-газ, однако выбранная функциональная схема не обеспечивает эффективной ее работы и высоких значений КПД.

Кроме того, в этой схеме используется капиллярный насос, что не позволяет создать высокие перепады давлений.

Известен насос, входящий в состав барогальванического конвертора, содержащий барогальваническую ячейку, выполненную из корпуса, твердого электролита, выполненного из материала с ионной проводимостью и установленного в корпусе с возможностью его разделения на полости высокого и низкого давления и с возможностью протекания рабочего тела через твердый электролит, электроды, размещенные в полости высокого и низкого давления.[3]
В этом техническом решении насос (компрессор) выполнен в виде ячейки описанной ранее конструкции, что делает его в силу вышеуказанных причин малопригодным для перекачки рабочего тела жидкости. Кроме того, выполнение электродов пористыми и размещение их в контакте с твердым электролитом усложняет конструкцию.

Задача, решаемая для барогальванического конвертора, повысить эффективность его функционирования.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, повышение коэффициента полезного действия (КПД).

Задача, решаемая для насоса, повысить эффективность его функционирования для рабочих тел: жидкостей.

Технический результат упрощение конструкции.

При использовании насоса в барогальваническом конверторе также стремились повысить эффективность функционирования конвертора по сравнению с конверторами, использующими, например, капиллярные или электромагнитные насосы.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известный барогальванический конвертор, содержащей ячейку, выполненную 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, при этом ячейка выполнена с возможностью ее нагревания посредством источника тепла, конденсатор и насос, связанные последовательно, причем полость низкого давления связана со входом конденсатора, а выход насоса связан с полостью высокого давления, согласно изобретению введен испаритель-перегреватель, выполненный с возможностью его нагревания посредством источника тепла, а выход насоса связан с полостью высокого давления посредством испарителя-перегревателя.

Возможны варианты выполнения изобретения, в которых целесообразно, чтобы:
был введен теплообменник регенератор, полость низкого давления связана со входом конденсатора посредством первого входа теплообменника-регенератора, в выход конденсатора связан со входом насоса посредством второго входа теплообменника-регенератора;
или был введен теплообменник-регенератор, полость низкого давления связана со входом конденсатора посредством первого входа теплообменника регенератора, а выход насоса связан с испарителем-перегревателем посредством второго входа теплообменника-регенератора.

Для последнего варианта выполнения изобретения целесообразно, чтобы насос был выполнен барогальваническим в виде ячейки, выполненной из корпуса, твердого электролита из материала с ионной проводимостью, установленного в корпусе с возможностью его разделения на полости высокого и низкого давления и с возможностью протекания рабочего тела через твердый электролит, а электроды выполнены жидкими в качестве рабочего тела и заполняющими полости низкого и высокого давления.

Для решения поставленной задачи в известный барогальванический конвертор, содержащий ячейку, выполненную 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, конденсатор и насос, связанные последовательно, согласно изобретению введен испаритель, вход которого подсоединен к полости низкого давления, а выход ко входу насоса, а выход конденсатора подсоединен к полости высокого давления.

Для решения поставленной задачи в известном насосе, содержащем ячейку, выполненную из корпуса, твердого электролита, выполненного из материала с ионной проводимостью и установленного в корпусе с возможностью его разделения на полости высокого и низкого давления и с возможностью протекания рабочего тела через твердый электролит, электроды, размещенные в полости высокого давления и низкого давления, согласно изобретению электроды выполнены в качестве рабочего тела жидкими с электронной проводимостью и заполняющими полости низкого и высокого давления.

За счет выполнения барогальванического конвертора и насоса списанным выше образом удалось решить поставленную задачу. Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения станут понятными во время последующего рассмотрения приведенного ниже лучшего варианта его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг. 1 -изображена функциональная схема конвертора (генератора); на фиг. 2 то же, что фиг.1, второй вариант; на фиг.3 диаграмма термодинамического цикла, зависимость температуры T от энтропии S;на фиг.4 - функциональная схема насоса;на фиг.5 то же, что фиг.1 (нагреватель и/или охладитель).

Барогальванический конвертор (фиг.1) содержит ячейку 1, выполненную из корпуса 2, твердого электролита 3 и электродов 4 и 5. Твердый электролит 3 делит корпус 2 на полости высокого P₁ и низкого P₂ давления. Электроды 4 и 5 установлены в контакте с твердым электролитом 3, т.е. нанесены каким-либо методом на его поверхность. Ячейка 1 выполнена с возможностью ее нагревания посредством источника тепла Q₀. Устройство также имеет конденсатор 6 и насос 7, связанные последовательно, причем полость низкого давления P₂ связана со входом конденсатора 6, а выход насоса 7 связан с полостью высокого давления P₁.

Введены испаритель-перегреватель 8 и нагреватель для передачи тепла Q₁ испарителю перегревателю 8. Выход насоса 7 связан с полостью высокого давления через испаритель-перегреватель 8.

На фиг. 1 также дополнительно показаны выводы 9, 10 электродов 4 и 5, соответственно.

Дополнительно может быть введен теплообменник-генератор 11. Полость низкого давления P₂ связана со входом конденсатора 6 посредством первого входа теплообменника регенератора 11, а выход насоса 7 связан с испарителем-перегревателем посредством второго входа теплообменника-регенератора 11.

В случае выполнения барогальванического конвертора по выше приведенной схеме (фиг.1) насос целесообразно выполнять подобно ячейке 1, но с ее упрощением (фиг.4).

Такой насос выполнен в виде ячейки (фиг.4), которая имеет корпус 12, твердый электролит 13, электроды 14 и 15. Электроды 14 и 15 в этом случае выполнены жидкими и ими служит сконденсированное рабочее тело (Na, K, Cs и др. ), которое заполняет полости низкого P₂ и высокого P₁ давления корпуса 11. В этом случае выводы 16 и 17 электродов 14 и 15 могут быть установлены в любом месте полостей низкого P₂ и высокого P₁ давлений в контакте с рабочим телом, что значительно упрощает конструкцию насоса.

Теплообменник-регенератор 11 может быть установлен по схеме (фиг.2), по которой полость низкого давления P₂ связана со входом конденсатора 6 посредством первого входа теплообменника-регенератора 11, а выход конденсатора 6 связан со входом насоса 7 посредством второго входа теплообменника-регенератора 11, в этом случае целесообразно, чтобы насос был выполнен капиллярным.

В случае же выполнения барогальванического конвертора по схеме (фиг.1) насос в общем случае может быть выполнен электромагнитным, механическим, капиллярным и др.

Работает барогальванический конвертор следующим образом.

Как и в известных ячейках, в основе работы барогальванического конвертора лежит идея использования электрохимической ячейки, в которой источником электродвижущей силы (ЭДС) служит перепад давлений P₁ и P₂ рабочего тела на ее электродах 4 и 5. Разность термодинамических потенциалов Гиббса для рабочего тела находящегося при различных давлениях P₁ и P₂ в контакте с электродами 4 и 5 ячейки 1, является количественной мерой ЭДС ячейки.

Рабочий процесс токообразования складывается из нескольких стадий. Рабочее тело из полости высокого давления P₁ проникает через электрод 4 в зону его контакта с твердым электролитом 3. Здесь происходит ионизация атомов или молекул рабочего тела путем обмена электронами на поверхности электрода 4 и поступления ионов рабочего тела в среду твердого электролита 3 с проводимостью по этим каналам. Одновременно с этим происходит обратный процесс в зоне контакта твердого электролита 3 с электродом 5: ионы рабочего тела выходят из твердого электролита 3 в виде нейтральных атомов или молекул, обмениваясь электронами с электродом 5.

Макроскопический рабочий процесс выглядит, как течение рабочего тела через ячейку 1 под действием перепада давлений P₁ и P₂ так, что ионная составляющая потока проходит через твердый электролит 3, а электронная составляющая через внешнюю электрическую цепь, подсоединенную к выводам 9 и 10 электродов 4 и 5, соответственно.

Ясно, что поток теплоносителя можно обратить вспять, если приложить к выводам 9 и 10 напряжение, противоположное ЭДС и превосходящее ее по абсолютной величине. В этом случае мы получим процесс сжатия рабочего тела. Естественно, что для обеспечения изотермичности рабочего процесса расширения (сжатия) необходимо подводить (отводить) к ячейке 1 тепло, в количестве, компенсирующем электрическую энергию. Здесь барогальванический конвертор выступает в качестве основы тепловых насосов, холодильников, кондиционеров.

Пусть ячейка 1 является токогенерирующей. Запуск устройства состоит в прогреве ячейки 1 от источника тепла Q₀ до максимальной температуры цикла T₀, испарителя перегревателя 8 от нагревателя Q₁ до температуры T₁ или T_o, а конденсатора 6 до температуры теплосброса T₂. При этом рабочее тело переходит в паро-жидкостное состояние. С помощью насоса 7 рабочее тело выкачивается из полости низкого давления P₂ корпуса 1, из конденсатора 6, и подается через испаритель перегреватель 8 при повышенном давлении в полость высокого давления (нагрузка на выводы 9 и 10 подключена).

Начинается выход барогальванического конвертора на стационарный рабочий режим. Насос 7 поджимает рабочее тело до максимально рабочего давления P₁: линия c-a при сжатии рабочего тела жидкости гальваническим, барогальваническим, капиллярным насосом или линия c-b при сжатии механическим, электромагнитным насосом (фиг. 3).

В испарителе перенагревателе 8 рабочее тело жидкость прогревается до температуры испарения T₁: линия a-d или b-d (фиг. 3); приводятся к рабочим параметрам P₁ и T₀ и подается в полость высокого давления P₁ корпуса 2: линия d-e-f (фиг. 3).

В ячейке 1 рабочее тело пар за счет ионной проводимости твердого электролита 3 и токосъема с выводов 9 и 10 перетекает в полость низкого давления P₂: линия f-g (фиг. 3). Из полости низкого давления P₂ корпуса 2 рабочее тело поступает в конденсатор 6, где проходит стадию охлаждения до минимальной температуры T₂ цикла линия g-h с последующей конденсацией линия h-c (фиг. 3). Сконденсированное рабочее тело - жидкость подается на вход насоса 7 и поджимается до максимального давления P₁: линия c-a или c-b в зависимости от конструкции насоса. Цикл замкнут. Стандартный режим работы поддерживается передачей тепла Q₁ в испаритель перенагреватель 8, тепла Q_o в ячейку 1, сброса тепла Q₂ из конденсатора 6, а также соответствующим съемом электричества через выводы 9 и 10.

Процесс токообразования, в соответствии с T S диаграммой (фиг. 3), идет на сухом паре рабочего тела. Это важно для трех вариантов барогальванического конвертора, когда в качестве рабочего тела используются щелочные металлы, а в качестве твердых электролитов 3 алюминаты или высокопроводящие соли в матрице или в твердом состоянии. Использование сухого пара в ячейке 1 позволяет избежать осложнений, связанных с растворимостью жидких щелочных металлов в их солях и повышенным коррозионным действием на матрицу. В качестве примеров барогальванических конверторов на основе ячеек 1 с паровым рабочим телом можно привести: Me/Me⁺/Me, где Me Li, Na, K, Cs; I₂/AgI/I₂.

Еще одна особенность барогальванического конвертора сравнительная простота достижения степени расширения (сжатия) рабочего тела до величины приблизительно 10⁵ 10⁶ делает не очень существенным влияние регенерации тепла встречных потоков рабочего тела на величину КПД, что позволяет упростить функциональную схему, исключив из нее теплообменник - регенератор 11, и, что особенно важно для случая конденсируемых рабочих тел, расширить интервал экстремальных температур T₀ и T₂ цикла. Для получения таких степеней сжатия целесообразно применять конструкцию насоса (фиг. 4), которая обеспечивает большие перепады давления для жидкостей и низкий расход по сравнению с любыми известными насосами. При этом по сравнению с техническим решением по авт. св. СССР N 457852 устройство насоса значительно упрощается за счет исключения пористых электродов и использования в качестве них непосредственно рабочего тела.

При использовании же других конструкций насосов целесообразно применять теплообменник регенератор 11, подсоединенный по схемам, изображенным на фиг. 1 или 2, что позволяет реализовать дополнительное использование тепла и повысить КПД и эффективность работы.

Процесс сжатия жидкости, как следует из диаграммы термодинамического цикла T S на фиг. 3 мало оказывается на наполнении цикла, независимо от того какими типами насосов сжимается жидкость, однако использование насоса (фиг. 4), выполненного указанным образом, позволяет расширить расстояние между границами P₁ и P₂ (фиг. 3).

Легко видеть, что рабочий цикл барогальванического конвертора также может быть реализован в обратном направлении. В этом случае электричество внешнего источника подается к выводам 9 и 10 (фиг. 1, 2, 5), тепло снимается с ячейки 1 при температуре T₀ (фиг. 5). Испаритель-перегреватель 8 (фиг. 1, 2) выполняет функцию конденсатора 18 (фиг. 5), отдавая тепло внешнему потребителю при температуре T₁, а конденсатор 6 (фиг. 1, 2) выполняет функцию испарителя 19 (фиг. 5), забирая тепло из окружающей среды при температуре T₂.

Величина КПД η барогальванического конвертора может быть рассчитана по формуле

В частном случае, T₀ T₁ и формула для η переходит в выражение КПД Карно, т.е. к теоретическому пределу эффективности тепловой машины.

Например, для натриевого рабочего тела T₀ 1073 К, T₁ 1053 К, T₂ 623 К, КПД близок к величине h = 0,413
Отметим, что термоэмиссионные и термоэлектрическое преобразователи, у которых рабочий процесс выработки электричества низкотермичен, дают величины КПД не выше 0,15 и 0,1 соответственно, причем термоэмиссионный преобразователь эффективно работает при температуре выше 1700 К.

Расчеты также показывают, что в частности для заявленного барогальванического конвертора с барогальваническим насосом при выработке электричества в ячейке 1 приюлизительно 37000 Дж/моль отвечают затраты электричества в барогальваническом насосе 5 Дж/моль, при этом потери барогальванического насоса характеризует КПД η_н= 0,5.

В качестве источника тепла Q₀ или тепла Q₁ может быть использован любой источник внешнего тепла, горячий газ или жидкость, либо тепло ядерного реактора или изотопического распада радиоактивных элементов.

Наиболее успешно заявленный барогальванический конвертор может быть использован для преобразования тепловой энергии в электрическую, а также в качестве основы тепловых насосов, холодильников, кондиционеров.

Использование: преобразователи тепловой энергии в электрическую и наоборот. Сущность изобретения: барогальванический конвертор содержит ячейку с твердым ионопроводящим электролитом, полости высокого и низкого давлений, газопроницаемые электроды, расположенные в указанных полостях и примыкающие к электролиту, конденсатор и насос, связанные последовательно, причем выход насоса соединен с полостью высокого давления ячейки, а вход конденсатора с полостью низкого давления. Между выходом насоса и ячейкой размещен испаритель-перегреватель. Дополнительно в конвертор может быть введен теплообменник-регенератор, одна полость которого размещена между конденсатором и полостью низкого давления, а вторая - между конденсатором и насосом, или между насосом и испарителем- перегревателем. В другом варианте конвертора испаритель введен между полостью низкого давления и входом насоса, а конденсатор размещен между выходом насоса и полостью высокого давления ячейки. Насос для конвертора выполнен в виде ячейки с твердым ионопроводящим электролитом, содержащей полости высокого и низкого давления с электродами, выполненными из жидкого рабочего тела с электронной проводимостью и заполняющие полости ячейки. 2 с. 4 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Барогальванический конвертор, содержащий ячейку, выполненную 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, при этом ячейка выполнена с возможностью ее нагревания посредством источника тепла, конденсатор и насос, связанные последовательно, причем полость низкого давления связана с входом конденсатора, а выход насоса с полостью высокого давления, отличающийся тем, что в него введен испаритель-перегреватель, выполненный с возможностью его нагревания посредством источника тепла, а выход насоса связан с полостью высокого давления посредством испарителя-перегревателя. 2. Конвертор по п. 1, отличающийся тем, что в него введен теплообменник-регенератор, полость низкого давления связана с входом конденсатора посредством первого входа теплообменника-регенератора, а выход насоса связан с испарителем-перегревателем посредством второго входа теплообменника-регенератора. 3. Конвертор по п.2, отличающийся тем, что насос выполнен барогальваническим в виде ячейки, выполненной из корпуса, твердого электролита из материала с ионной проводимостью, установленного в корпусе с возможностью его разделения на полости высокого и низкого давления и с возможностью протекания рабочего тела через твердый электролит, а электроды выполнены жидкими в качестве рабочего тела и заполняющими полости низкого и высокого давления корпуса. 4. Конвертор по п. 1, отличающийся тем, что в него введен теплообменник-регенератор, полость низкого давления связана с входом конденсатора посредством первого входа теплообменника-регенератора, а выход конденсатора с входом насоса посредством второго входа теплообменника-регенератора. 5. Барогальванический конвертор, содержащий ячейку, выполненную 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, конденсатор и насос, связанные последовательно, отличающийся тем, что в него введен испаритель, вход которого подсоединен к полости низкого давления, а выход к входу насоса, а выход конденсатора подсоединен к полости высокого давления. 6. Насос, содержащий ячейку, выполненную из корпуса, твердого электролита, выполненного из материала с ионной проводимостью и установленного в корпусе с возможностью его разделения на полости высокого и низкого давления и с возможностью протекания рабочего тела через твердый электролит, электроды, размещенные в полости высокого и низкого давления, отличающийся тем, что электроды выполнены в качестве рабочего тела жидкими с электронной проводимостью и заполняющими полости низкого и высокого давления.