ТЕРМОЭМИССИОННАЯ ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩАЯ СБОРКА С ПЛОСКОЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ КОНФИГУРАЦИЕЙ ЭЛЕКТРОДОВ Российский патент 2000 года по МПК H01J45/00 

Изобретение относится к термоэмиссионному методу преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано при создании многоэлементных электрогенерирующих сборок (ЭГС) термоэмиссионного реактора-преобразователя.

Известны конструкции ЭГС с электрогенерирующими элементами (ЭГЭ) с различной конфигурацией электродов [1].

Наиболее распространена так называемая коаксиальная схема ЭГС с цилиндрическими электродами (эмиттером и коллектором). Эмиттерная оболочка, цилиндрическая часть которой является эмиттером, заполнена делящимся веществом. Эмиттер устанавливается с зазором 0,3-0,5 мм относительно цилиндрического коллектора. ЭГЭ соединяются друг с другом последовательно с помощью коммутационных перемычек, образуя тем самым ЭГС из последовательно соединенных ЭГЭ.

Основной проблемой создания ЭГС с такими ЭГЭ является обеспечение геометрической стабильности эмиттера, т.е. предотвращение деформации эмиттерной оболочки вследствие распухания в процессе работы делящегося вещества топливного сердечника. Учитывая наличие допусков, несоосности, изгибов отдельных ЭГЭ и многоэлементной ЭГС в целом, не удается на практике реализовать межэлектродные зазоры (МЭЗ) менее 0,25 мм. Это ограничивает возможности повышения энергетической эффективности ЭГС (прежде всего плотности электрической мощности) при заданной температуре эмиттера или снижения температуры эмиттера и повышения соответственно ресурсоспособности за счет уменьшения МЭЗ.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является термоэмиссионная ЭГС с плоскоцилиндрической конфигурацией электродов (плоско- цилиндрическими ЭГЭ) [2].

Термоэмиссионная ЭГС содержит последовательно соединенные с помощью коммутационных перемычек ЭГЭ, состоящие из топливно-эмиттерных узлов, выполненных в виде коротких цилиндров, боковая и одна из торцевых поверхностей которых служат эмиттером термоэмиссионного преобразователя (ТЭП), коллекторов, выполненных в виде цилиндрической оболочки с плоским основанием, которое выполнено в виде тепловой трубы (ТТ), и общие для всех ЭГЭ коллекторную изоляцию и корпус (чехол). В качестве рабочего тела ТТ может быть использован натрий.

В такой ЭГС с ЭГЭ с плоско-цилиндрической конфигурацией электродов генерирование электроэнергии происходит как в кольцевом МЭЗ, образованном цилиндрическими частями эмиттера и коллектора, так и в плоском МЭЗ, образованном торцевой частью эмиттерной оболочки и плоским основанием коллектора. Благодаря тому, что плоский МЭЗ по технологическим возможностям может быть сделан значительно меньше коаксиального (в реакторных ЭГЭ до 30-50 мкм), при одинаковых температурах эмиттера плотность электрической мощности увеличивается с уменьшением МЭЗ. Поэтому такой ЭГЭ и соответственно ЭГС могут быть высокоэнергонапряженными.

Однако высокая энергонапряженность будет реализована лишь при высоких тепловых потоках с эмиттерной оболочки. Соответственно непреобразованная часть тепловых потоков должна быть сброшена через коллектор на корпус (чехол) ЭГС, с которого она снимается теплоносителем. Поэтому плоская часть коллектора выполнена в виде ТТ, которая практически без потерь температурного напора передает тепло цилиндрической части коллектора. С нее через слой коллекторной изоляции непреобразованная часть тепла передается корпусу, с которого тепло снимается теплоносителем. Для небольших тепловых потоков тепло, передаваемое ТТ цилиндрической части коллектора, за счет небольшого перепада температур вдоль цилиндрической части коллектора теплопроводностью передается всей поверхности цилиндрической части коллектора, с которой уже сбрасывается на корпус. Однако при больших тепловых потоках будет увеличиваться и перепад температур вдоль цилиндрической части коллектора, появится заметный "всплеск" температуры цилиндрической части коллектора в месте контакта с ТТ плоского основания. Это может привести к трем нежелательным последствиям:
1) при неизменной температуре теплоносителя (и соответственно корпуса ЭГС) увеличение температуры у края цилиндрической части коллектора повысит температуру всей плоской части коллектора, в результате чего из-за неоптимальности температуры коллектора ("горячего" коллектора) понизится плотность электрической мощности с одновременным повышением температуры эмиттера;
2) повышение температуры края цилиндрической части коллектора приведет к локальному повышению температуры коллекторной изоляции, что может вызвать тепловой и электрический пробой коллекторной изоляции;
3) локальное повышение температуры цилиндрической части коллектора может привести к появлению так называемых "обратных" разрядов электронного тока, по своему действию эквивалентное короткому замыканию электродов ЭГЭ и соответствующему снижению мощности ЭГС.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является возможность обеспечения работоспособности ЭГС при высоких плотностях электрической мощности на плоской части ЭГЭ при длительной работе, за счет обеспечения равной температуры обеих частей коллектора, например, близкой к оптимальной.

Указанный технический результат достигается в термоэмиссионной ЭГС с плоско-цилиндрической конфигурацией электродов, содержащей последовательно соединенные с помощью коммутационных перемычек ЭГЭ, каждый из которых состоит из топливно-эмиттерного узла в виде короткого цилиндра, боковая и одна из торцевых частей которого служат эмиттером термоэмиссионного преобразователя, коллектора из двух частей, одна из которых выполнена в виде цилиндрической оболочки, а вторая в виде плоского основания, снабженного тепловой трубой с капиллярной структурой и рабочим телом, и общие для всех ЭГЭ коллекторную изоляцию и корпус, в которой в каждом из ЭГЭ в часть коллектора в виде цилиндрической оболочки введена тепловая труба, капиллярная структура которой гидравлически соединена с капиллярной структурой тепловой трубы части коллектора в виде плоского основания, и имеет то же рабочее тело, что и тепловая труба плоского основания коллектора. Тепловая труба части коллектора в виде цилиндрической оболочки может быть выполнена с продольно-поперечной передачей тепла, например, в виде двух коаксиальных капиллярных структур с поперечными капиллярными перемычками, снабженными отверстиями для прохода пара рабочего тела.

На чертеже изображена конструкционная схема ЭГС.

ЭГС состоит из отдельных ЭГЭ, каждый из которых содержит топливно-эмиттерный узел 1, в котором боковая 2 и одна из торцевых частей 3 служат эмиттером ТЭП, коллектор в виде цилиндрической оболочки 4 и плоского основания 5, коммутационную перемычку 6, с помощью которой производится последовательное соединение соседних ЭГЭ, и дистанционаторы 7 и 8, обеспечивающие поддержание соответствующей величины коаксиального 9 и плоского 10 МЭЗ. ЭГЭ через слой коллекторной изоляции 11 размещены внутри корпуса (чехла) 12. Плоское основание 5 коллектора выполнено в виде ТТ, которая содержит фитиль 13 с узлом подсоединения 14 к зоне конденсации и паровой объем 15. Цилиндрическая оболочка 4 коллектора выполнена в виде коаксиальной ТТ с продольно-поперечной передачей тепла и содержит внутреннюю 16 и наружную 17 обечайки, у которых размещены капиллярные структуры 18 и 19. Капиллярные структуры 18 и 19 гидравлически соединены между собой с помощью несплошных фитильных перемычек, выполненных, например, в виде пористых колец 20 с отверстиями 21 для прохода пара. Возможно и другое конструкционное выполнение фитильных перемычек, например в виде сплошных пористых спиц (на чертеже не показано). Между капиллярными структурами 18 и 19 имеется паровой объем 22. Капиллярные структуры 18 и 19 гидравлически соединены с фитилем 13 плоского основания 5 коллектора через узел 14, выполненный также из фитиля или капиллярной структуры. Паровой объем 22. гидравлически соединен с паровым объемом 15 ТТ плоского основания 5 коллектора, например, через отверстия в узле 14.

Термоэмиссионная ЭГС с плоско-цилиндрической конфигурацией электродов работает следующим образом.

Тепло, выделяющееся при делении ядер урана внутри топливно- эмиттерного узла 1 подается на боковую 2 и торцевую 3 часть эмиттера и далее в МЭЗ 9 и 10, заполненных паром цезия. Часть тепла в МЭЗ 9 и 10 преобразуется в электроэнергию. Непреобразованная часть тепла термодинамического цикла попадает на обечайку 16 цилиндрической оболочки 4 и внутреннюю поверхность плоского основания 5 коллектора. С внутренней поверхности плоского основания 5 коллектора тепло попадает в фитиль 13 зоны испарения ТТ, где рабочее тело ТТ, например, натрий, испаряется. Тепло потоком пара в паровом объеме 15 переносится в зону конденсации ТТ цилиндрической оболочки коллектора. На поверхности капиллярной структуры 19, являющейся зоной конденсации коаксиальной ТТ, пар конденсируется. Выделяющееся при конденсации тепло попадает на обечайку 17 цилиндрической оболочки 4 коллектора. Непреобразованное в МЭЗ 9 тепло попадает на внутреннюю обечайку 16, а с нее - на капиллярную структуру 18, являющейся зоной испарения ТТ цилиндрической оболочки 4 коллектора. С наружной поверхности капиллярной структуры 18 испаряется рабочее тело ТТ, в качестве которого используется то же, что и в ТТ плоской части, например, натрий. Тепло с паром переносится на внутреннюю поверхность капиллярной структуры 19, где оно конденсируется, отдавая тепло.

Выделившееся в результате конденсации рабочего тела, поступившего как из парового объема 15 плоского основания коллектора, так и парового объема 22 цилиндрической оболочки коллектора, тепло из капиллярной структуры 19 попадает на обечайку 17 (наружную часть коллектора 4). С нее тепло через коллекторную изоляцию 11 и корпус (чехол) 12 снимается теплоносителем (на чертеже не показан). Возможен съем тепла с чехла 12 через специальную систему теплосброса, например, при петлевых реакторных испытаниях таких ЭГС (на чертеже не показанную).

После конденсации жидкое рабочее тело в результате действия капиллярных сил переносится по фитильным перемычкам 20 в капиллярную структуру 18, и по капиллярной структуре 19 и капиллярному узлу соединения 14 в фитильную структуру 13 ТТ плоского основания 5 коллектора. После чего процесс переноса тепла повторяется.

Коммутация ЭГЭ с помощью коммутационных перемычек 6 в последовательную цепь позволяет повысить напряжение, генерируемое ЭГС. Генерируемая ЭГС мощность снимается с помощью токовыводов, соединяющих крайние ЭГЭ с внешней нагрузкой (на чертеже не показано).

Известно, что в правильно спроектированных ТТ градиент температур может быть ничтожно малым (менее 1^oC). Следовательно, в предложенной конструкции ЭГС может быть обеспечено практически полное выравнивание температур вдоль всего коллектора, т.е. как плоского основания, так и цилиндрической оболочки. За счет этого исключается повышение температуры плоской части коллектора относительно цилиндрической оболочки. В результате возможна работа ЭГС при оптимальной температуре всего коллектора в ЭГЭ, а следовательно, исключение влияния "горячего" коллектора с понижением плотности электрической мощности и с повышением температуры эмиттера.

Отсутствие локального повышения температуры коллекторной изоляции понижает вероятность теплового и электрического пробоя коллекторной изоляции и появления "обратных" разрядов электронного тока с соответствующим снижением электрической мощности ЭГС.

Все это обеспечивает повышение энергетической эффективности с одновременным увеличение ресурса работы ЭГС.

Источники информации
1. Синявский В. В. и др. Проектирование и испытания термоэмиссионных твэлов / М.: Атомиздат. 1981. С. 15-20.

2. Патент RU 2095881 C1, МКИ6 H 01 J 45/00. Термоэмиссионная электрогенерирующая сборка.

Нaзнaчeниe: непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую и может быть использовано при создании термоэмиссионного реактора-преобразователя. Сущность изобретения: Термоэмиссионная электрогенерирующая сборка содержит последовательно соединенные электрогенерирующие элементы, каждый из которых состоит из топливно-эмиттерного узла в виде короткого цилиндра. Его боковая и одна из торцевых частей служат эмиттером термоэмиссионного преобразователя. Коллектор выполнен из двух частей, одна из которых выполнена в виде цилиндрической оболочки, а вторая - в виде плоского основания. Каждая часть снабжена тепловыми трубами с одним и тем же рабочим телом. Капиллярные структуры тепловых труб обеих частей коллектора гидравлически соединены друг с другом. Технический результат заключается в обеспечении равной температуры обеих частей коллектора. Этим обеспечивается работоспособность устройства при высоких плотностях электрической мощности. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Термоэмиссионная электрогенерирующая сборка с плоскоцилиндрической конфигурацией электродов, содержащая последовательно соединенные с помощью коммутационных перемычек электрогенерирующие элементы, каждый из которых состоит из топливно-эмиттерного узла в виде короткого цилиндра, боковая и одна из торцевых частей которого служат эмиттером термоэмиссионного преобразователя, коллектора из двух частей, одна из которых выполнена в виде цилиндрической оболочки, а вторая - в виде плоского основания, снабженного тепловой трубой с капиллярной структурой и рабочим телом, и общие для всех электрогенерирующих элементов коллекторную изоляцию и корпус, отличающийся тем, что в каждом из электрогенерирующих элементов в часть коллектора в виде цилиндрической оболочки введена тепловая труба, капиллярная структура которой гидравлически соединена с капиллярной структурой тепловой трубы части коллектора в виде плоского основания и имеет то же рабочее тело, что и тепловая труба плоского основания коллектора. 2. Термоэмиссионная электрогенерирующая сборка с плоскоцилиндрической конфигурацией электродов по п.1, отличающаяся тем, что тепловая труба части коллектора в виде цилиндрической оболочки выполнена с продольно-поперечной передачей тепла. 3. Термоэмиссионная электрогенерирующая сборка с плоскоцилиндрической конфигурацией электродов по п.1 или 2, отличающаяся тем, что тепловая труба части коллектора в виде цилиндрической оболочки выполнена в виде двух коаксиальных капиллярных структур с поперечными фитильными перемычками с отверстиями для прохода пара рабочего тела.