КОМБИНИРОВАННАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2004 года по МПК F03G7/00 F01K23/00 F01B29/08 H01J45/00 

Изобретение относится к области энергетики, позволяя эффективно преобразовывать тепловую энергию в электрическую и тем самым повысить КПД тепловых электростанций (ТЭС) и других энергетических установок.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению (прототипом) является комбинированная энергетическая установка (КЭУ), содержащая источник теплоты, высокотемпературную ступень в виде термоэмиссионного преобразователя (ТЭП) с вакуумной камерой, нагреваемым эмиттером, испускающим тепловые электроны в вакуумную камеру, коллекторами электронов, соединенными с выводными клеммами, и низкотемпературную ступень с насосом, парогенератором, перегревателем, турбиной и конденсатором (см. SU 744786, МПК H 01 J 45/00, 10.08.1970).

Существенным недостатком известной КЭУ является сложность, обусловленная необходимостью иметь в ТЭП разделенные узким зазором две рабочие поверхности, одна из которых является эмиттером электронов, который имеет относительно высокую температуру и к которому подводится тепло, а другая является приемником электронов, который имеет более низкую температуру и от которого тепло отводится. Соблюдение малого зазора между эмиттером и приемником электронов при весьма значительных перепадах температуры представляет собой сложную техническую задачу и причину ненадежной и нестабильной работы. Кроме того, наличие близкорасположенных поверхностей, имеющих разные и высокие температуры, обуславливает значительные потери тепла излучением и теплопроводностью, что уменьшает кпд установки.

Задачей настоящего изобретения является упрощение устройства, повышение надежности и кпд ТЭП, уменьшение затрат на изготовление и эксплуатацию ТЭП и КЭУ в целом.

Поставленная задача решается тем, что в комбинированной энергетической установке, содержащей источник теплоты, высокотемпературную ступень в виде термоэмиссионного преобразователя с вакуумной камерой, нагреваемым эмиттером, испускающим тепловые электроны в вакуумную камеру, коллекторами электронов, соединенными с выводными клеммами, и низкотемпературную ступень с насосом, парогенератором, перегревателем, турбиной и конденсатором, согласно изобретению вакуумная камера помещена в магнитное поле, воздействующее на движущиеся в вакууме электроны силой Лоренца, обеспечивающей возврат электронов на эмиттер и их дрейф от одного конца эмиттера к другому его концу, а коллектор, подводящий электроны к эмиттеру, и коллектор, отводящий их от эмиттера во внешнюю цепь, расположены на концах эмиттера. При этом напряженность магнитного поля в вакуумной камере имеет составляющую, эквидистантную поверхности, эмиттирующей электроны; эмиттирующая поверхность разделена на отдельные участки элементами, перпендикулярными направлению тока и имеющими большое омическое сопротивление; напряженность магнитного поля изменяется в пространстве и во времени; вакуумная камера по меньшей мере частично теплоизолирована и заполнена положительными ионами разреженного газообразного, легко ионизируемого вещества, например, цезия, и в ней создано электрическое поле, способствующее увеличению выхода электронов с эмиттирующей поверхности.

Таким образом, в предлагаемом ТЭП имеется одна рабочая поверхность (вместо двух), испытывающая тепловое воздействие, которая является одновременно и эмиттером электронов и приемником их и может быть выполнена плоской, цилиндрической и других форм.

Для обеспечения направленного движения электронов (т.е. получения электрического тока) в объеме, куда испускаются электроны, создается стороннее магнитное поле, параллельное рабочей поверхности. Важно, что магнитное поле в вакуумной камере должно быть достаточно велико и так искривлять траекторию электронов, чтобы они возвращались на рабочую поверхность ближе к коллектору, отводящему электроны во внешнюю цепь.

На чертеже представлена схема предлагаемой КЭУ. Она содержит: источник теплоты 1 (поток горячих газов), высокотемпературную ступень в виде термоэмиссионного преобразователя 2 с вакуумной камерой 3, нагреваемой стенкой 4 и находящимся с ней в тепловом контакте эмиттером 5, испускающим тепловые электроны в вакуумную камеру, коллекторы электронов (не показаны), соединенные с выводными клеммами 6 и 7, низкотемпературную ступень с насосом 8, парогенератором 9, перегревателем 10, турбиной 11 и конденсатором 12 с расходом хладагента 13. Вакуумная камера помещена в магнитное поле, силовые линии которого обозначены на чертеже позицией 14. Напряженность магнитного поля в вакуумной камере может изменяться в пространстве и во времени и имеет составляющую, эквидистантную поверхности, эмиттирующей электроны.

Установка работает следующим образом. Поток горячих газов, полученных, например, путем сжигания топлива, проходит сначала через термоэмиссионный преобразователь, отдавая стенке 4 тепло q₁, которое передается эмиттеру 5, испускающему в различных направлениях тепловые электроны в вакуумную камеру 3, где они под действием силы Лоренца от стороннего магнитного поля 14 искривляют свою траекторию и возвращаются вновь на рабочую поверхность эмиттера в точку, имеющую более низкий потенциал. При этом электрон возвращается на эмиттер с меньшей кинетической энергией, чем та, с которой он покинул его рабочую поверхность, так как часть энергии электрона пошла на работу против созданной электронами разности потенциалов между коллекторами или клеммами 6 и 7. Таким образом, осуществляется дрейф электронов от одного конца эмиттера к другому его концу, на которых размещены коллекторы: подводящий электроны к эмиттеру от клеммы 6 и отводящий их от эмиттера во внешнюю цепь к клемме 7. Заметим, что магнитное поле не совершает работу над электронами, а только упорядочивает их движение от коллектора, соединенного с клеммой 6, к коллектору, соединенному с клеммой 7, направляя электрический ток потребителю 15.

Для уменьшения паразитного обратного тока, идущего по эмиттирующей поверхности, она разделена на отдельные участки элементами, перпендикулярными направлению тока и имеющими большое омическое сопротивление. А для уменьшения паразитного влияния объемного заряда электронов вакуумная камера заполнена положительными ионами разреженного газообразного легко ионизируемого вещества, например цезия. Дополнительно в вакуумной камере может быть создано электрическое поле, способствующее увеличению выхода электронов с эмиттирующей поверхности.

После отдачи тепла q₁ стенке 4 и далее эмиттеру 5 уже менее горячий поток газов проходит через перегреватель пара 10, испаритель жидкости 9, отдавая им тепло q₂ и q₃, соответственно, и охлажденным выбрасывается в атмосферу при необходимости через очистные сооружения 16. В низкотемпературном контуре жидкость насосом 8 подается в парогенератор 9, откуда пар поступает в перегреватель 10 и дополнительный перегреватель 17, в котором пар поглощает тепло q₄, отводимое от стенки 4. Величину отводимого тепла регулируют вентилями 18 и 19, изменяя расход пара, проходящего через перегреватель 17 и мимо него по байпасной линии с вентилем 19. Затем пар проходит через турбину 11, отдающую через вал 20 механическую энергию потребителю 21, и поступает в конденсатор 12, где охлаждается потоком 13 хладагента, получающего теплоту q₅, и превращается в жидкость.

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в качестве тепловой электростанции (ТЭС), мобильной или любой другой энергетической установки. Достигаемый технический результат выражается в упрощении устройства, повышении его надежности, кпд и уменьшении затрат на изготовление и эксплуатацию. Комбинированная энергетическая установка содержит источник теплоты, высокотемпературную ступень в виде термоэмиссионного преобразователя с вакуумной камерой, нагреваемым эмиттером, испускающим тепловые электроны в вакуумную камеру, коллекторами электронов, соединенными с выводными клеммами, и низкотемпературную ступень с насосом, парогенератором, перегревателем, турбиной и конденсатором. Вакуумная камера помещена в магнитное поле, воздействующее на движущиеся в вакууме электроны силой Лоренца, обеспечивающей возврат электронов на эмиттер и их дрейф от одного конца эмиттера к другому, а коллектор электронов, подводящий их к эмиттеру, и коллектор, отводящий электроны от эмиттера во внешнюю цепь, расположены на концах эмиттера. 6 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Комбинированная энергетическая установка, содержащая источник теплоты, высокотемпературную ступень в виде термоэмиссионного преобразователя с вакуумной камерой, нагреваемым эмиттером, испускающим тепловые электроны в вакуумную камеру, коллекторами электронов, соединенными с выводными клеммами, и низкотемпературную ступень с насосом, парогенератором, перегревателем, турбиной и конденсатором, отличающаяся тем, что вакуумная камера помещена в магнитное поле, воздействующее на движущиеся в вакууме электроны силой Лоренца, обеспечивающей возврат электронов на эмиттер и их дрейф от одного конца эмиттера к другому его концу, а коллектор, подводящий электроны к эмиттеру, и коллектор, отводящий их от эмиттера во внешнюю цепь, расположены на концах эмиттера.2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что напряженность магнитного поля в вакуумной камере имеет составляющую, эквидистантную поверхности, эмиттирующей электроны.3. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что эмиттирующая поверхность разделена на отдельные участки элементами, имеющими большое омическое сопротивление.4. Установка по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что напряженность магнитного поля изменяется в пространстве и во времени.5. Установка по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что вакуумная камера заполнена положительными ионами разреженного газообразного, легко ионизируемого вещества, например цезия.6. Установка по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что в вакуумной камере создано электрическое поле, способствующее увеличению выхода электронов с эмиттирующей поверхности.7. Установка по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что вакуумная камера по меньшей мере частично теплоизолирована.