ГЕНЕРАТОР ПАРА РАБОЧЕГО ТЕЛА Российский патент 1997 года по МПК F22B1/06 

Изобретение относится к источникам пара рабочего тела (например цезия) энергетических установок с термоэмиссионным преобразованием тепловой энергии в электрическую.

Известен генератор пара цезия, который представляет собой цилиндрический контейнер, имеющий на внутренней поверхности капиллярную структуру с запасом рабочего тела, а в центре, расположенный коаксиально электронагреватель (журнал "Атомная энергия" т. 71, вып.5, с. 397).

Недостатками данного генератора с однократным использованием рабочего тела являются: необходимость иметь его полный запас на весь ресурс и наличие проблем, связанных с выбросом рабочего тела в окружающее пространство.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является генератор пара рабочего тела термоэмиссионной энергетической установки, выполненный в виде кольцевого контейнера для рабочего тела, заполненного капиллярной структурой и разделенного на зоны испарения, конденсации и транспортную, пористость зоны конденсации больше пористости зон испарения и транспортной, кольцевой контейнер содержит в зоне конденсации канал для прохода газовых примесей, одна сторона которого соединена с межэлектродными зазорами термоэмиссионных преобразователей, а другая с окружающим пространством, к зоне конденсации примыкает участок теплоотвода, а на контейнере в зоне испарения расположено устройство для подвода тепла (журнал "Атомная энергия" т. 71, 6, с. 574).

Недостатком этой конструкции является отсутствие надежного гидравлического контакта между капиллярными структурами, малый градиент по транспортной зоне, возможность конденсации рабочего тела в трубке, соединяющей канал, зоны конденсации с межэлектродным зазором термоэмиссионных преобразователей и отсутствие защитного экрана на контейнере.

Задача, на выполнение которой направлено заявленное изобретение, - повышение надежности при большом ресурсе энергетической установки и снижение энергопотребления.

Технический результат обеспечение надежности капиллярной структуры, увеличение термического сопротивления между зонами испарения и конденсации, позволяющее снизить энергопотребление, обеспечение конденсации рабочего тела в пределах зоны конденсации, экранирование контейнера при сохранении необходимого уровня теплоотвода.

Этот результат достигается тем, что генератор пара рабочего тела термоэмиссионной энергетической установки, выполненный в виде кольцевого контейнера, заполненного капиллярной структурой и разделенного на зоны испарения, транспортную и конденсации, первая из которых размещена в центральной части контейнера, а последняя с контактом с участком теплоотвода имеет канал для отвода неконденсирующихся газов, сообщенный с межэлектродными зазорами термоэмиссионных преобразователей, и с окружающим пространством, причем на контейнере размещено устройство для подвода тепла, капиллярная структура выполнена из двух частей разной пористости из спеченного металлического волокна, одна из которых, с меньшей пористостью, размещена между зонами испарения и конденсации, причем ее периферийная часть расположена внутри последней, выполненной с большей пористостью, а поверхность части структуры с меньшей пористостью со стороны испарения выполнена непрерывной цилиндрической. Кроме того, в транспортной зоне выполнены отверстия, ограниченные стенками контейнера, причем оси этих отверстий параллельны оси контейнера.

Генератор снабжен защитным экраном и прокладкой из спеченного металлического волокна, размещенной в зазоре между контейнером и экраном. Упомянутое сообщение канала осуществлено посредством ряда соединений, каждое из которых выполнено в виде двух патрубков, коаксиально размещенных один в другом с зазором, внешний из которых одним концом закреплен в контейнере, а другим в канале соединен с внутренним патрубком, противоположный конец последнего расположен вне контейнера, причем посредством внутренних патрубков части рядов соединений канал сообщен с окружающим пространством, а внутренних патрубков другой части соединений с межэлектродными зазорами термоэмиссионных преобразователей.

На чертеже приведена конструктивная схема генератора рабочего тела, термоэмиссионной энергетической установки в соответствии с признаками заявленного изобретения.

Генератор пара рабочего тела термоэмиссионной энергетической установки (см. чертеж) выполнен в виде кольцевого контейнера 1 для рабочего тела, заполненного капиллярными структурами 2, 3 и разделенными на зоны испарения 4, конденсации 5 и транспортную зону 6, причем пористость зоны 5 конденсации больше пористости зон 4 испарения и транспортной 6, кольцевой контейнер 1 содержит в зоне 5 конденсации канал 7 для прохода газовых примесей, одна сторона которого соединена с межэлектродными зазорами термоэмиссионных преобразователей, а другая с окружающим пространством, к зоне 5 конденсации примыкает участок теплоотвода 8, а на контейнере 1 в зоне 4 испарения расположено устройство 9 для подвода тепла.

Транспортная зона 6 имеет отверстия 10, ограниченные стенками контейнера 1, причем оси этих отверстий 10 параллельны оси контейнера. Участок теплоотвода контейнера 1 снабжен защитным экраном 11, а в зазоре между ним и контейнером 1 размещена прокладка из спеченного металлического волокна 12, имеющая непосредственный тепловой контакт с контейнером 1 и экраном 11. Кроме того, каждое соединение канала в зоне конденсации с межэлектродными зазорами термоэмиссионных преобразователей и с окружающим пространством выполнено в виде двух патрубков 13, 14, коаксиально размещенных один в другом с зазором, внешний 13 из которых одним концом закреплен в контейнере 1, а другим в канале соединен с внутренним патрубком 14, противоположный конец последнего расположен вне контейнера 1, причем посредством внутренних патрубков 14 части рядов соединений канал сообщен с окружающим пространством, а внутренних патрубков другой части соединений с межэлектродными зазорами термоэмиссионных преобразователей.

Предложенное устройство работает следующим образом.

Пар рабочего тела из зоны 4 испарения через патрубок 15 подается в межэлектродные зазоры термоэмиссионных преобразователей, откуда смесь рабочего тела и газообразных примесей по коаксиальной трубке 13 поступает в канал 7, где на поверхности капиллярной структуры рабочее тело конденсируется, проходит по транспортной зоне 6 в зону испарения 4, а газообразные примеси через коаксиальную трубку 14 удаляется в окружающее пространство. Устройство обеспечивает надежную регенерацию рабочего тела и удаление газовых примесей. Непрерывная цилиндрическая поверхность зоны 4 испарения обеспечивает отсутствие сквозных каналов капиллярной структуры, соединяющих зону 4 испарения с зоной 5 конденсации, что исключает перетекание по ним парообразного рабочего тела в зону 5 конденсации. Взаимное расположение капиллярных структур с различной пористостью участков теплоподвода и теплоотвода, канала в зоне конденсации позволяет получить такое распределение температур на контейнере, при котором химические соединения рабочего тела с газами диффундируют из зоны испарения в противоположную от этой зоны область с более низкой температурой, являющейся ловушкой твердых химических соединений рабочего тела. Указанные преимущества особенно важны для энергоустановок с ресурсом пять и более лет.

Проведенные на нашем предприятии прочностные и теплогидравлические испытания макетов генераторов пара рабочего тела предлагаемой конструкции подтвердили ее работоспособность в диапазоне давлений рабочего тела до 7 торр при расходе до 1000 г/сут. Заданная температура зоны испарения, определяющая необходимое давление пара рабочего тела в межэлектродных зазорах термоэмиссионных преобразователей, обеспечивается устройством 9, установленным на контейнере 1 вблизи зоны испарения 4, и теплоотводом с поверхности экрана 11.

Использование: в энергетических установках с термоэмиссионным преобразованием тепловой энергии в электрическую. Сущность: генератор выполнен в виде кольцевого контейнера 1, заполненного материалом с капиллярной структурой - спеченным металлическим волокном. Контейнер 1 разделен на зоны 4, 5 и 6, соответственно испарительную, конденсационную и транспортную. Пористость зоны 5 больше пористости зон 4 и 5. В зоне 5 имеется канал 7 для прохода газовых примесей, одна сторона которого соединена с межэлектродными зазорами термоэмиссионных преобразователей, а другая - с окружающим пространством. К зоне 5 примыкает участок теплоотвода 8, а на контейнере 1 расположены защитный экран 11 и устройство 9 для подвода тепла. Зона 6 имеет отверстия 10. Зазор между экраном 11 и контейнером 1 на участке теплоотвода 8 заполнен спеченным металлическим волокном. Каждое соединение канала в зоне 5 с межэлектродными зазорами термоэмиссионных преобразователей и с окружающим пространством осуществляется через патрубки 13 и 14. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Генератор пара рабочего тела термоэмиссионной энергетической установки, выполненный в виде кольцевого контейнера, заполненного капиллярной структурой и разделенного на зоны испарения, транспортную и конденсации, первая из которых размещена в центральной части контейнера, а последняя с контактом с участком теплоотвода имеет канал для отвода неконденсирующихся газов, сообщенный с межэлектродными зазорами термоэмиссионных образователей и с окружающим пространством, причем на контейнере размещено устройство для подвода тепла, отличающийся тем, что капиллярная структура выполнена из двух частей равной пористости из спеченного металлического волокна, одна из которых с меньшей пористостью размещена между зонами испарения и конденсации, причем ее периферийная часть расположена внутри последней, выполненной с большей пористостью, а поверхность части структуры с меньшей пористостью со стороны испарения выполнена непрерывной цилиндрической. 2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что в транспортной зоне выполнены отверстия, ограниченные стенками контейнера, причем оси этих отверстий параллельны оси контейнера. 3. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен защитным экраном и прокладкой из спеченного металлического волокна, размещенной в зазоре между контейнером и экраном. 4. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что упомянутое сообщение канала осуществлено посредством ряда соединений, каждое из которых выполнено в виде двух патрубков, коаксиально размещенных один в другом с зазором, внешний из которых одним концом закреплен в контейнере, а другим в канале соединен с внутренним патрубком, противоположный конец последнего расположен вне контейнера, причем посредством внутренних патрубков части рядов соединений канал сообщен с окружающим пространством, а внутренних патрубков другой части соединений с межэлектродными зазорами термоэмиссионных преобразователей.