СПОСОБ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ И ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ ГЕНЕРАТОР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК H01J45/00 

Заявляемое изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую посредством термоэлектронной эмиссии, в частности к получению электроэнергии испарением электронов в сильно разреженный газ или вакуум за счет тепла газов, образующихся при сжигании топлива, и может быть использовано на тепловых электростанциях для снабжения электроэнергией и теплом отдельных зданий промышленной и индивидуальной застройки, в металлургии, транспорте и других отраслях промышленности.

Известны способы преобразования тепловой энергии в электрическую с помощью термоэмиссионного генератора, состоящего из источника тепловой энергии, последовательно соединенных секций из последовательно соединенных термоэмиссионных трехэлектродных элементов и источника электрической энергии, положительный и отрицательный полюса которого подключены соответственно к аноду и сетке первого термоэмиссионного трехэлектродного элемента, при котором сетки термоэмиссионных элементов каждой секции электрически соединены, а анод первого термоэмиссионного трехэлектродного элемента каждой секции подключен к сеткам термоэмиссионных трехэлектродных элементов следующей секции [Авторское свидетельство SU N 1746427, МПК 5 H 01 J 45/00, 1992 г.]. Преобразование тепловой энергии в электрическую по известному способу осуществляют путем нагрева катодов термоэмиссионных элементов потоком теплоносителя, поступающим из источника тепла, при одновременном отборе тепла от анодов. Полезная работа во внешней цепи совершается за счет кинетической энергии электронов, покидающих катод и осаждающихся на аноде.

Известный способ характеризуется усовершенствованием приема получения направленного потока электронов тепловой эмиссии, однако имеет невысокий коэффициент преобразования тепловой энергии в электрическую, коэффициент полезного действия (КПД) термоэмиссионного генератора не превышает 10%. Это связано, прежде всего, с нерациональным использованием тепловой энергии потока теплоносителя. При следовании теплового потока от катода к аноду в трехэлектродных элементах в электроэнергию преобразуется только малая часть тепла. Основная доля тепла, прошедшего через термоэмиссионный элемент, отводится от анодов и далее не используется, а бесполезно рассеивается в окружающей среде, поэтому эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую известным способом невысока.

Для повышения КПД термоэмиссионных генераторов известны, например, следующие решения.

Известен термоэмиссионный реактор, содержащий цилиндрический корпус в виде электроизолирующей обечайки и первого и второго фланцев, в котором размещены последовательно соединенные коммутирующими проводниками электрогенерирующие элементы с системой охлаждения, электрогенерирующие элементы выполнены в виде протяженных эмиттеров и коллекторов, установленных эквидистантно с межэлектродными зазорами, коллекторы соединены с системой охлаждения, электрогенерирующие элементы выполнены плоскими, эмиттеры которых расположены рядами, разделенными плоскими пластинами, на которых жестко закреплены плоские коллекторы, выполненные в плоских пластинах, система охлаждения выполнена в виде полости, разделенной на входную и выходную части, размещенной в дополнительном фланце, установленном вне корпуса перед вторым фланцем, коммутирующих полостей, соединенным с теплообменником [Патент RU N 2030018, МПК 6 H 01 J 45/00, 1995 г.]. Способ преобразования тепловой энергии в электрическую осуществляют путем организации потока теплоносителя и потока охлаждающего агента в корпусе термоэмиссионного генератора через электрогенерирующие элементы, при этом полезная работа осуществляется за счет нагрева эмиттеров при одновременном охлаждении коллекторов, а электроны, излучаемые с поверхности эмиттеров в результате тепловой эмиссии, организуют в поток и направляют во внешнюю электрическую цепь.

Использование известного способа требует значительных дополнительных капитальных затрат, а КПД термоэмиссионного генератора также не велик из-за бесполезной потери значительной части тепла, рассеиваемого системой охлаждения.

Известен термоэмиссионный генератор, содержащий внешний корпус, внутри которого размещены источник тепла и батарея последовательно соединенных через коммутационную перемычку термоэмиссионных элементов, при этом внешний корпус полностью теплоизолирован от окружающей среды, а каждый из термоэмиссионных элементов выполнен в виде отделенных друг от друга дистанционаторами эмиттера и коллектора, которые отделены от корпуса слоем теплоизоляции, дистанционаторы выполнены из материала с высокой теплопроводностью, обеспечивающего возможность передачи тепла между эмиттером и коллектором, термоэмиссионные элементы плотно упакованы внутри теплового экрана, размещенного на внешнем корпусе, а батарея термоэмиссионных элементов выполнена в форме набора параллельных пластин, одна поверхность которого выполнена в виде эмиттера, а противоположная поверхность - в виде коллектора соседнего термоэмиссионного элемента, все пластины соединены общим теплопроводом-дистанционатором [Авторское свидетельство SU N 1822505, МПК 5 H 01 J 45/00, 1993 г.] . Полезная работа термоэмиссионного генератора осуществляется за счет разности температур эмиттера и коллектора. Способ состоит в преобразовании тепла точечного источника в электрическую энергию. От источника тепло через твердый теплопровод посредством контакта передается на термоэмиссионные элементы, контактирующие с теплопроводом и располагающиеся вдоль последнего. Разность температур между эмиттерами и коллекторами образуется за счет понижения температуры вдоль теплопровода по мере отвода тепла от него. При нагревании эмиттеров в пакете термоэмиссионных элементов до температуры эмиссии происходит выход электронов в межэлектродные промежутки и осаждение их на коллекторах. Полученный электрический ток от последовательно соединенных термоэмиссионных элементов пакета подается во внешнюю электрическую цепь. Применение способа позволяет использовать тепло, прошедшее через каждый термоэмиссионный элемент, в последующих термоэмиссионных элементах, что приводит к увеличению эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую и повышает КПД термоэмиссионного генератора до 40%.

Организация передачи тепла по твердому теплопроводу, обладающему термическим сопротивлением, сопровождается значительным неоправданным падением температуры (температурного напора) вдоль теплопровода. Падение температурного напора происходит также при передаче тепла от мест контактов вдоль пластин, образующих поверхности эмиттеров и коллекторов. Тепловой поток низкой температуры не может быть эффективно использован для преобразования в электроэнергию. Поэтому эффективность преобразования плоскостей элементов, "удаленных" от источника, в известном генераторе невысока. Применение дистанционаторов с высокой теплопроводностью, предназначенных для улучшения передачи тепла между эмиттерами и коллекторами, несколько улучшает подвод тепла к плоскостям элементов, "удаленных" от источника тепла, однако эффективность преобразования генератора не может быть высокой, т.к. дистанционаторы также обладают термическим сопротивлением, вызывающим снижение температуры передаваемого теплового потока.

Задача изобретения - повышение эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую за счет повышения коэффициента полезного действия термоэмиссионного генератора.

Поставленная задача решается тем, что в заявляемом способе преобразования тепловой энергии в электрическую теплопередача осуществляется через поток движущегося теплоносителя, который подают к термоэмиссионным элементам, последние размещены в герметичном корпусе термоэмиссионного генератора в виде многоэтажной батареи с возможностью образования спиралевидной траектории прохождения потока теплоносителя по этажам батареи, отделенных друг от друга горизонтальными каналами, катоды термоэмиссионных элементов выполняют функцию эмиттеров, а аноды термоэмиссионных элементов выполняют функцию коллекторов, при этом поток теплоносителя пропускают по первому каналу, нагревая эмиттеры термоэмиссионных элементов первого этажа, по меньшей мере, до температуры тепловой эмиссии электронов, на выходе из канала поток теплоносителя через канал обводной магистрали подают на вход следующего канала в том же направлении, что и поток теплоносителя предыдущего канала, при этом один и тот же поток теплоносителя одновременно используют в качестве охлаждающего агента для коллекторов термоэмиссионных элементов предыдущего этажа батареи и в качестве потока теплоносителя для нагрева эмиттеров термоэмиссионных элементов следующего этажа батареи, рабочий цикл повторяют до снижения температуры отработанного потока ниже температуры тепловой эмиссии электронов. Термоэмиссионные элементы связаны между собой в единую электрическую цепь.

Для дополнительного повышения эффективности использования энергии отработанного теплового потока на выходе могут быть установлены любые известные устройства для утилизации полезного тепла, например теплообменники.

Для реализации заявляемого способа предлагается термоэмиссионный генератор, представляющий собой герметичный корпус с устройством входа потока теплоносителя от внешнего источника и устройством вывода отработанного потока теплоносителя, внутри корпуса установлены термоэмиссионные элементы, соединенные между собой в единую электрическую цепь, термоэмиссионные элементы размещены в виде многоэтажной батареи, зазоры между этажами которой образуют каналы прохождения потока теплоносителя, обеспечивая возможность передачи тепла эмиттерам термоэмиссионных элементов и охлаждения коллекторов термоэмиссионных элементов, при этом выход предыдущего канала соединен с входом последующего канала посредством канала обводной магистрали, что определяет спиралевидную форму траектории движения потока теплоносителя через батарею термоэмиссионных элементов. Эмиттеры термоэмиссионных элементов, расположенные в конце траектории движения потока теплоносителя, снабжены более развитой поверхностью, чем эмиттеры термоэмиссионных элементов, размещенные в начале его траектории.

Термоэмиссионный элемент вышеназванного генератора выполнен в виде плоского герметичного кожуха, внутри которого размещены эмиттер, коллектор, тепловой экран и механизм переноса электронов через межэлектродное пространство.

Сравнение предлагаемого способа с известным позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию "Новизна", т.к. предложен новый прием организации движения тепловых потоков в термоэмиссионном генераторе. В заявляемом способе поток теплоносителя может быть использован одновременно в качестве охлаждающего агента за счет оригинального расположения термоэмиссионных элементов и наличия обводных каналов, позволяющих осуществить его однонаправленное движение для обтекания термоэмиссионных элементов, размещенных в виде многоэтажной батареи. В отличие от известного способа в заявляемом способе в потоке движущегося теплоносителя тепло к термоэмиссионным элементам подводят путем переноса, а не посредством теплопередачи по твердому теплопроводу. Поэтому передача тепла в потоке не сопровождается потерей температурного напора. Поток тепла, следующий через термоэмиссионные элементы, пересекает плоские твердые детали поперек, а не передается вдоль пластин с эмиттерными и коллекторными поверхностями, как это имеет место в известном способе. Поэтому передача тепла через элементы не сопровождается значительной потерей температурного напора. Преобразование тепла в электрическую энергию осуществляется более эффективно при высоких температурах, что имеет место в заявляемом термоэмиссионном генераторе.

Заявляемый способ преобразования тепловой энергии в электрическую и термоэмиссионный генератор для его осуществления связаны между собой единым изобретательским замыслом, что удовлетворяет требованию "Единство изобретения".

Применение заявляемого способа и термоэмиссионного генератора для его осуществления позволяет значительно повысить эффективность преобразования энергии теплового потока в электрическую энергию за счет его рационального использования и повысить КПД термоэмиссионного генератора до 60%. В известных нам источниках информации не обнаружено данных об известности заявляемого приема организации движения теплового потока через термоэмиссионные элементы термоэмиссионного генератора, позволяющего существенно повысить эффективность преобразования тепловой энергии без дополнительных затрат на теплоизоляцию корпуса генератора и вспомогательных устройств на разделение тепловых потоков. Все вышеизложенное позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "Изобретательский уровень".

Все конструктивные элементы заявляемого термоэмиссионного генератора могут быть изготовлены на известном оборудовании с использованием известных промышленных технологий. Заявляемый способ может быть применен на любой тепловой электростанции и в других теплогенерирующих процессах энергетических силовых установок.

Заявляемый термоэмиссионный генератор и способ преобразования тепловой энергии в электрическую иллюстрируются следующими чертежами.

На фиг. 1 представлен общий вид термоэмиссионного генератора в разрезе. На фиг. 2 - термоэмиссионный генератор, вид сверху. На фиг. 3 - схема движения потока теплоносителя через термоэмиссионные элементы термоэмиссионного генератора. На фиг. 4 - распределение температуры потока теплоносителя при прохождении через каналы термоэмиссионного генератора.

Термоэмиссионный генератор состоит из размещенных в корпусе 1 плоских термоэмиссионных элементов 2, топки для сжигания газа 3, установленной в верхней части корпуса 1, с форсункой 4 для организации потока теплоносителя. Термоэмиссионные элементы размещены горизонтально внутри корпуса 1 в виде многоэтажной батареи с зазорами между этажами, выполняющими функцию каналов прохождения потока теплоносителя (на фиг. 1 показано 4 этажа батареи термоэмиссионных элементов). Корпус снабжен устройством вывода отработанного потока теплоносителя 6, например, через теплообменник 5, размещенный в нижней части корпуса 1, и обводными теплоизолирующими каналами 7, связанными с входами и выходами межэтажных зазоров батареи термоэмиссионных элементов. Термоэмиссионные элементы 2 объединены в единую электрическую цепь и подключены к нагрузке коммутирующими проводами 8. Каждый из термоэмиссионных элементов содержит эмиттер 9 и коллектор 10, размещенные с межэлектродным зазором внутри герметичного кожуха, тепловой экран и механизм переноса электронов через межэлектродный промежуток (последние на фиг.1 не показаны).

Заявляемый способ преобразования тепловой энергии в электрическую осуществляют следующим образом.

Горячий продукт, нагретый от сжигания газа в топке 3, поступающего через форсунку 4, следует по верхнему каналу корпуса 1, нагревая эмиттеры термоэмиссионных элементов 2 верхнего этажа. При прохождении по первому каналу поток теплоносителя охлаждается за счет передачи тепла эмиттерам. На выходе из первого канала поток теплоносителя поступает через верхний обводной канал 7, движется в обратном направлении и поступает на вход второго канала. Обратный ход потока теплоносителя по обводным каналам 7 не сопровождается потерей тепла, т. к. последние выполнены теплоизолированными. Поток теплоносителя, проходя по второму каналу, отдает тепло эмиттерам 9 второго этажа термоэмиссионных элементов 2, одновременно охлаждая коллекторы 10 верхнего этажа термоэмиссионных элементов, отбирая от последних тепло, излучаемое эмиттерами 9 термоэмиссионных элементов 2 верхнего этажа. На выходе из второго межэтажного зазора батареи термоэмиссионных элементов поток теплоносителя через следующий обводной канал 7 подают на вход третьего межэтажного зазора и т. д. Рабочий цикл повторяется. В нижний канал батареи термоэмиссионных элементов поток теплоносителя поступает достаточно охлажденным и использовать его для дальнейшей переработки в электрическую энергию не эффективно. Нижний канал может быть использован, например, для подогрева воды посредством теплообменника 5, поступающей на обогрев зданий. Термоэмиссионные элементы 2 образуют между собой единую электрическую цепь и подключены к клеммам нагрузки генератора коммутирующими проводами 8.

Для организации оптимальной работы термоэмиссионного генератора количество термоэмиссионных элементов, размещенных на каждом этаже батареи, рассчитывают таким образом, что на выходе из каждого канала, образованного межэтажным зазором, температура потока понижается до уровня, необходимого для обеспечения максимальной эмиссии этажа батареи термоэмиссионных элементов. Для оптимизации работы термоэмиссионного генератора можно также варьировать эмиссию электронов с эмиттеров путем изменения площади их рабочей поверхности.

Заявляемый способ преобразования тепловой энергии в электрическую и термоэмиссионный генератор для его осуществления позволяют увеличить эффективность использования энергии теплового потока за счет организации конфигурации движения потока через термоэмиссионные элементы. КПД заявляемого термоэмиссионного генератора достигает 60%, что позволяет получить значительный экономический эффект при небольших дополнительных затратах на усовершенствование существующих термоэмиссионных генераторов.

Использование: на тепловых электростанциях, для снабжения электроэнергией и теплом отдельных зданий промышленной и индивидуальной застройки, в металлургии, транспорте и других отраслях промышленности. Технический результат заключается в повышении эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую за счет повышения КПД термоэмиссионного генератора. При преобразовании тепловой энергии в электрическую согласно изобретению теплопередачу осуществляют через поток движущегося теплоносителя, который подают к термоэмиссионным элементах. Они размещены в герметичном корпусе термоэмиссионного генератора в виде многоэтажной батареи с возможностью образования спиралевидной траектории прохождения потока теплоносителя по этажам батареи, отделенным друг от друга каналами. Поток теплоносителя пропускают по первому каналу, нагревая эмиттеры термоэмиссионных элементов первого этажа по меньшей мере до температуры тепловой эмиссии электронов. На выходе из канала поток теплоносителя через канал обводной магистрали подают на вход следующего канала в том же направлении, что и поток теплоносителя предыдущего канала. Рабочий цикл повторяют до снижения температуры отработанного потока ниже температуры тепловой эмиссии электронов. Термоэмиссионные элементы связаны между собой в единую электрическую цепь. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Способ прямого преобразования тепловой энергии в электрическую путем передачи тепла теплоносителя термоэмиссионным элементам, последние размещены в герметичном корпусе термоэмиссионного генератора в виде батареи и электрически связаны между собой в единую электрическую цепь, катоды термоэмиссионных элементов, выполняющие функцию эмиттеров, нагревают, по меньшей мере, до температуры тепловой эмиссии электронов, а аноды термоэмиссионных элементов, выполняющие функцию коллекторов, охлаждают, получаемый электрический ток подают на нагрузку, отличающийся тем, что теплопередачу осуществляют через поток движущегося теплоносителя, термоэмиссионные элементы размещены в виде многоэтажной батареи с возможностью образования спиралевидной траектории прохождения потока теплоносителя по этажам батареи, этажи батареи разделены друг от друга каналами, при этом поток теплоносителя пропускают по первому каналу, нагревая эмиттеры термоэмиссионных элементов первого этажа, на выходе из канала поток теплоносителя через канал обводной магистрали подают на вход следующего канала в том же направлении, что и поток теплоносителя предыдущего канала, охлаждая коллекторы термоэмиссионных элементов предыдущего этажа батареи и нагревая эмиттеры термоэмиссионных элементов следующего этажа батареи, рабочий цикл повторяют до снижения температуры отработанного теплового потока ниже температуры тепловой эмиссии электронов. 2. Термоэмиссионный генератор, состоящий из герметичного корпуса с устройством входа потока теплоносителя от внешнего источника и устройством вывода отработанного потока теплоносителя, внутри корпуса установлены термоэмиссионные элементы, последние размещены в виде батареи и электрически соединены между собой в единую электрическую цепь, отличающийся тем, что термоэмиссионные элементы размещены в виде многоэтажной батареи, зазоры между этажами которой образуют каналы прохождения потока теплоносителя, обеспечивая возможность передачи тепла эмиттерам термоэмиссионных элементов последующего этажа и охлаждения коллекторов термоэмиссионных элементов предыдущего этажа, при этом выход предыдущего канала соединен с входом последующего канала посредством канала обводной магистрали, обеспечивающей спиралевидную траекторию движения потока теплоносителя через батарею термоэмиссионных элементов. 3. Термоэмиссионный генератор по п.2, отличающийся тем, что эмиттеры термоэмиссионных элементов, расположенные в последующем этаже батареи, снабжены более развитой поверхностью по сравнению с эмиттерами термоэмиссионных элементов, размещенных в предыдущем этаже батареи.