Термоэмиссионная надстройка Советский патент 1980 года по МПК H01J45/00 

1

Изобретение относится к области техники термоэмиссионного преобразования тепловой энергии в -электрическую и может быть использовано для повышени я ..КПД тепловых электро- 5 станций (ТЭС) и других теплогенерирующих циклов, энергетических установок.

Температура сгорания топлива в тЪпках котлоагрегатов традиционных паротурбинных энергетических установок намного выше,чем это требуется для паротурбинного цикла.Термоэмиссионные надстройки (ТЭН) могут преобразовать это высокотемпературное тепло в 15 электричество и, таким образом, увеличивать эффективность использования топлива 1.

Известна термоэмиссионная надстройка к ТЭС. Передача к ней тепла из 20 топки котлоагрегата осуществляется посредством топливных труб. Термоэмиссионные преобразователи (ТЭП) размещены на конденсаторах тепловых труб. Не преобразованная в ТЭП часть теп- 25 ла отбирается с коллекторов в паротурбинный контур непосредственно паром 2}.

Существенным недостатком известной ТЭН является .сложная проблема 30

создания ресурсоспособных и экономичных тепловых труб, способных эффективно передавать высокотемпературное тепло от источника к ТЭН на достаточно большие расстояния.. В насто-, ящее время эта проблема еще не решена.

Наиболее близким к изобретению является ТЭН к тепловым электростанциям, содержащая топку котла с панелями экранных испарительных труб, термоэмиссионные преобразователи, закрепленные на охлаждающих каналах с обеспечением термического контакта и электроизоляции посредством вьтолняющих функций токовыводов анодных теплоотводов,снабженные катодйми, обращенными внутрь топки, а также креплением и коммутацией, расположенными снаружи охлаждающих каналов 3 .

Существенный недостатком известной ТЭН является необходимость кардинальной перестройки существующих топок котлоагрегатов ТЭС при создании подобных ТЭН; что связано с большими капитальными затратами. Отбор тепла из топки в существующих ТЭС осуществляется посредством экранных испарительных труб, размещенных в топке. Другим недостатком извертной ТЭН является отсутствие возможности дост па к электрококянутации ТЭП без остановки котлоагрегата, что снижает эконрмичность, надежность ТЭН и усло няёт эксплуатацию. Доступ к электр коммутации без остановки топки необходим в силу ряда причин. Например для контроля состояния и профилактики коммутации, устранения возникших неисправностей, выявления и отключения (шунтирования) прекративших работу ТЭП по яричине разге)рметизации и пр. Выявить вышедшие из строя ТЭП можно только, определяя наличие напр жения между-электродами, для чего необходимо чтобы ТЭП, а,следователь но, и топка, находилась в рабочем состоянии. Целью настоящего изобретения является улучшение обслуживания и повышение экономичности термоэмиссионной надстройки. Указанная цель достигается тем, что охлаждаюпше каналы выполнены в виде экранных испарительных труб, в зазорах между которыми расположены элементы крепления, выполненные в виде хвостовиков анодных теплоотводов и катодных шин. Термоэмиссион ные преобразователи могут быть закреплены посредством натяжения указанных хвостовиков проходящей через отверстие в каждом из них коммутационной шиной с винтовыгли опорами у ее концов через электроизоляцию на соседние экранные испарительные тру бы, к поверхности которых прилегают охлаждаемые поверхности анодных тепл отводов. На фиг. 1,2,3 показан общий вид термрэмиссионного преобразователя; на фиг. 4 - поперечный разрез панели экранных испарительных труб с размещенными, на них термоэмиссйонными преобразователями, креплением и коммутацией,на фиг. 5 - вид надстройки с внутренней поверхности панелей; на фиг. 6 - вид крепления и коммутации ТЭП на внешней стороне па нели. ТЭП 1 содержат плоские катоды 2 и аноды 3. Катоды выполнены в виде стаканов из жаростойкого сплава, например, из сплава на .основе хрома типа ВХ-5К. Тепловоспринимающая поверхность ТЭП 4 выполнена в виде плоских шестигранников. На внутреннюю плоскость стаканов может наноситься какое-либо эмиссионное покрытие, например, вольфргш.Теплоотвод 5 ТЭП, служащие одновременно анодными тоководами, выполнены из какого либо тёплоэлектропроводного материала например, из меди. Могут исполь зоваться также алюминий, графит и т.п. Теплоотводы содержат плоские хвостовики 6 с поперечными отверстиями 7 на концах и радиусные заплечники 8 с нанесенным слоем жаростойкой электроизоляции, например, органосилнкатным материалом ВФ-1. Радиусы заплечников соответствуют радиусам испарительных труб 9. При наличии труб иной конфигурации геометрия профиля заплечников выполняется соответственно. Торцы 10 теплоотводов служат анодами. На них может наноситься эмиссионное покрытие или посредством диффузионного сращивания размещаться пластина из эмиссионного активного материала, например из ниобия. Катоды ТЭП содержат по две гибких токоведущих шины 11, выполненных, например, из меди и соединенных скатодами 2 методом пайки. Электрическая развязка электродов осуществляется посредством коаксиального металлокерамического узла 12. Отпайка ТЭП осуществляется способом холодной герметизации,т.е. откусыванием метёшлических штенгелей 13. Создание паров цезия в межэлектродных зазорах ТЭП осуществляется твердотельными сорбционными источниками 14, например, цезированным графитом. ТЭПы смонтированы на внутренних поверхностях панелей испарительных труб в топке таким образом, что катоды образуют сплошные тепловоспринимающие стенки (фиг. 5), радиусные заплечики ТЭП плотно прилегают к трубам, а хвостовики и шины размещены в зазорах между трупами с выходом концов хвостовиков и клемм шин на внешние поверхности панелей (фиг. 4,6) . В отверстия 7 хвостовиков введены коммутационные шины 15 в виде несущих балочек, выполненные, например из меди, с винтовыми опорами 16 у концов. Винтовые опоры 17 через электроизоляцию упираются в две соседние трубы, .осуществляя посредством натяжения хвостовиков, опирающихся на бёшочку в центре, плотный контакт заплечников с трубами, а хвостовиков - с коммутационными шинами (бал очками). Клеммы катодных токоведущих шин каждого ТЭП подсоединены к двум -коммутационным шинам соседних ТЭП непосредственно под опорные винты (фиг. 4,6). Описываемая ТЭН функционирует следующим образом.В топке котла ТЭС сжигают топливо,например,каменный уголь,, а в испарительных трубах прокачивают водяной пар. Тепло продуктов сгорания топлива передается катодаиу ТЭП, их тепловоспринимающим стенкам (фиг. 5). Катоды излучением передают тепло анодам. Благодаря постоянному отбору тепла испарительными посредством TemiojQTводов 5 меящу электродами образуется

постоянная разность температур, В результате возникает ток эмиссии, который по хвостовикам-тоководам через контакты хвостовик-коммутационная шина поступает, на две катодные токоведущие шины двух соседних ТЭП и далее с поступлением электричества на нагрузку. Тепло, отбираемое испарительными трубами с тепловодов, передается пару, поступающему в паротурбинный цикл.

Использование описываемой ТЭН обеспечивает , по сравнению с известной, следующие преимущества: повышение экономичности, поскольку создание предложенной ТЭН не требует кардинальной перестройки конструкций существующих котлоагрегатов и поток ТЭС, требующей больших капитальных затрат, так как крепление и коммутация ТЭП в предложенной ТЭН осуществляется непосредственно на панелях экранных испарительных труб в топке котла, и их монтаж не требует реконструкции топок и связанных с этим значительных капитальных затрат; повышение надежности, экономичности и упрощение эксплуатации за счет размещения крепления ТЭП и электрической коммутации электродов на внешних стенках панелей экранных испарительных труб, потому что размещение коммутации и крепления на внешних стенках обеспечивает э.озможность доступа к ним без остановки топки для профилактики системы и выявления вышедших из строя ТЭП, например, по причине разгерметизации с последующей их заменой во время плановой периодической остановки топок,- повышение надежности, экономичности и упрощения эксплуатации за счет предложенного способа смешанной коммутации с применением двух катодных шин в каждом из ТЭП и подсоединенных к двум коммутационным шинам соседних ТЭП, При таком способе коммутации выход из строя отдельных ТЭП не приводит к автоматическому прекращению раВоты групп ТЭП вследствие разрыва 11епей,

Повышение экономичности в данном случае можно проиллюстрировать наследующем примере.

При установленной электрической мощности сооружаемой ТЭН 10000 мВт количество размещаемых в топке ТЭП мощностью 0,2 кВт должно сост.авлять приблизительно 4000000 шт,, скоьв утрованных в последовательно пареш-. лельные цепи. При этом в каждой последовательно соединенной цепи могут находится сотни ТЭП, Количество последовательно соединенных цепей в таком ТЭН может составлять десятки тысяч.

При средней продолжительности работы топки между профилактическими остановками 1,5-2,5 месяца и вероятности надежности ТЭП, равной 0,95 для принятого ресурса 3-5 лет, число прекративших работу ТЭП за срок 1,5-2,5 месяца составит несколько тысяч штук. Однако при выходе из строя в течение этого срока хотя бы одного ТЭП только в одной из тысяч последовательных цепей приведет к потере генерируемой электрической мощности в сотни тысяч кило0ватт ,

На практике эти потери будут значительно большими,

В предлагаемой ТЭН, благодаря отсутствию чисто последовательных

5 цепей, эти потери исключены.

Формула изобретения

1,Термоэмиссионная надстройка к тепловым электростанциям, содержа0щая топку котла с панелями экранных испарительных труб, термоэмиссионные преобразователи, закрепленные на охлаждающих каналах с обеспечением термического контакта и электроизо5ляции посредством выполняющих функции токовыводов анодных теплоотводов, снабженные катодами, обращенными внутрь топки, а также креплением и коммутацией, располо0женными снаружи охлаикдающих каналов, отличающаяся .тем, что, с целью улучшения обслуживания

и повышения экономичности, охлаждающие кансшы выполнены в

5 виде экранных испарительных труб, в зазорах между которыми расположены элементы крепления,выполненные в виде хвостовиков анодных теплоотводов и катодных шин,

2,Надстройка по п, 1, отли0ч ающа я с я тем, что термоэмиссионные преобразователи закреплены посредством натяжения указанных хвостовиков проходящей через отверстие в какдом из них ком5мутационной шиной с винтовыми, опорами у ее концов через электроизоляцию на соседние экранные испарительные трубы, к поверхности анодных теплоотводов,

0

Источники информации,

принятые во внимание при экспертизе l,Britt Е,.З, Fitzpatrlck G,О,Thermionic Topping for Centrat Station Power PKants llh 3nterso(5 Energy

5 Convers, Eng, Conf, Proc, State Line, new. 1976, vot 2 4ew, Jork ( 4 p 1040-1045,

2,F,N,Huffman Topping CycEe Application of Thermionic Conversion, 1975, Themionic Conversion

О SpeciaCisty, Meeting Enethowen, Sept, 1975,

3,Авторское свидетельство СССР -по заявке 2597315/25,кл. Н 01 J 45/00 30,03,78 (прототип).