Большая техническая энциклопедия
0 1 3 4 9
D V
А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ь Э Ю Я
ТА ТВ ТЕ ТИ ТК ТО ТР ТС ТУ ТЩ ТЫ ТЭ ТЮ ТЯ

Термоэмиссионный преобразователь

 
Термоэмиссионный преобразователь с электрическим нагревом продолжает показывать стабильные электрические характеристики и работает уже в течение 5 лет. Укороченный ЭГК уменьшенного диаметра достиг продолжительности работы в реакторе в течение 12 ООО ч, после чего генерирование электрической мощности прекратилось вследствие закорачивания эмиттера на коллектор. Электрические характеристики были хуже, чем ожидалось, видимо, вследствие загрязнения поверхностей эмиттера и коллектора, а также из-за проникновения газообразных осколков деления в область плазмы. В настоящее время изучаются мероприятия по устранению этих недостатков в последующих ЭГК.
Схема работы тепловой трубы.| Схема конструкции модуля преобразователя выносного типа. Термоэмиссионный преобразователь 2 вынесен из реактора. В активной зоне реактора находится испарительная зона 1 молибден-литиевой тепловой трубы, соединенной с эмиттером преобразователя.
Термоэмиссионный преобразователь превращает теплоту в энергию электрического тока.
Расчеты реальных термоэмиссионных преобразователей и их систем выполняются с использованием достаточно сложных компьютерных программ.
Схематическое устройство солнечной батареи.| Схема термоэмиссионного преобразователя. В термоэмиссионных преобразователях преобразование тепловой энергии в электрическую основывается на явлении термоэлектронной эмиссии.
Реактор с тепловыми трубами. На основе термоэмиссионных преобразователей строятся также энергетические установки на природном топливе и солнечные энергетические установки. В другом исполнении ( рис. 4.40 6) теплоприемник, расположенный в фокусе концентратора, выполнен в виде стакана содержащего несколько преобразователей.
Схема устройства термоэмиссионного преобразователя ясна из рис. 19.9. Катод, находящийся при более высокой температуре Тг, чем анод, испускает электроны в большем количестве по сравнению с анодом. В результате возникает поток электронов от катода к аноду, а соответственно в замкнутой внешней цепи - электрический ток.
Простота конструкции термоэмиссионных преобразователей, их компактность, большая удельная мощность делают перспективными создание энергетических установок ( особенно ядерных), где верхнее высокотемпературное звено - термоэмиссионный преобразователь, а нижнее - обычная паросиловая установка.
При создании термоэлектрических и термоэмиссионных преобразователей, вырабатывающих постоянные токи, весьма существенное значение имеет преобразование этих токов в переменные. В литературе описано достаточно большое количество различного рода преобразователей. Однако они не всегда удовлетворяют требованиям, предъявляемым современным преобразователям указанного типа. Этому вопросу посвящается работа А. П. Пятницкого, рассматривающего аналитические зависимости и возможность преобразования постоянного тока в неременный с удовлетворительной эффективностью.
Термоэлектрические генераторы, термоэмиссионные преобразователи, магнитогидродинамические генераторы и квантовые преобразователи представляют собой двух-температурные установки, причем поддержание рабочей температуры осуществляется в ряде случаев посредством сжигания топлива. Наличие двух температурных уровней обусловливает циклический характер работы энергетической установки с подобным преобразователем и сближает такую установку с тепловым двигателем. С точки зрения технологии указанное отличие может оказаться важным, однако принципиального значения в термодинамическом смысле оно не имеет.
В установках с термоэмиссионными преобразователями тепла в электроэнергию целесообразность применения неводяных паров также вызвана высоким температурным уровнем рабочих процессов. Термочмисгия потока электронов возникает при нагреве металлов до температуры 1200 - 2000 С. Термоэмиссионные электрогенераторы разделяются на термоионные - ТИГ, когда пространство между катодом и анодом заполнено газом или паром и ионизированные пары являются носителями электрических зарядов, и термоэлектронные - ТЭГ, у которых в межэлектродном пространстве - вакуум.
Общий вид ЯЭУ ЕНИСЕЙ.
В КЯЭУ ЕНИСЕЙ применяется термоэмиссионный преобразователь ( ТЭП) одноэлементной конструкции. Свободный доступ в катодную полость одноэлементного ЭГК, где размещается ядерное топливо, позволял на стадии отработки проводить полномасштабные тепловые испытания ЭГК, реактора, а также КЯЭУ, размещая в полости катода специальные электронагреватели соответствующей мощности.
Схема потоков тепловой и электрической энергий в тепловой электростанции с высокотемпературной надстройкой. Проводятся работы по применению термоэмиссионных преобразователей в качестве высокотемпературной надстройки в тепловых электростанциях. Повышение эффективности работы тепловых электростанций может быть получено за счет повышения температурного диапазона.
Материалы, применяющиеся в реакторных термоэмиссионных преобразователях, должны обладать малым сечением захвата тепловых нейтронов, максимально сохраняя свои механические свойства при продолжительном действии нейтронного потока. Тугоплавкие металлы располагаются по сечению захвата нейтронов и степени пригодности их в качестве материалов электродов в следующем порядке.
Статьи, помещенные в разделе Термоэмиссионные преобразователи ( редактор АА. Кулан дин) отражают характерные черты современного этапа американских работ в этой области: использование диодов только в дуговом режиме работы, создание унифицированных шестиэлементных ЭГК гирляндного типа, ориентация преимущественно на встроенный в реактор вариант преобразователя ( хотя определенное внимание уделяется вынесенной из активной зоны конструктивной схеме на тепловых трубах), переход на быстрые реакторы без водородсодержащего замедлителя, использование холодильников-излучателей только на тепловых трубах. Большое внимание уделяется ресурсным испытаниям диодов и скоммутированных электрогенерирующих каналов, в чем достигнуты определенные успехи. В настоящее время разработка термоэмиссионных энергетических установок космического назначения ориентируется на определенные диапазоны мощностей: 5 - 10 кВт для искусственных спутников, 40 - 50 кВт для обитаемых космических станций и 100 - 2ОО кВт для многоцелевых тяжелых необитаемых космических аппаратов, снабженных электрореактивными двигателями. Однако сведения о летных вариантах конструкции термоэмиссионных энергоустановок отсутствуют.
Существуют два наиболее общих вида термоэмиссионных преобразователей ( ТЭП): вакуумные и плазменные диоды. Источником тепловой энергии обычно служат изотопы с большим удельным энерговыделением ( Cm242, Po210 и т.п.), необходимым для достижения высоких температур.
Технология изготовления отдельных деталей и узлов термоэмиссионных преобразователей предполагает получение прочных соединений разнородных материалов, в том числе окиси алюминия с ниобием. Известно [1-2], что прочность сцепления плазменного покрытия с подложкой, а также прочность самого покрытия возрастают в условиях предварительного подогрева подложки. При этом растет плотность покрытия, изменяется его фазовый состав и структура, интенсифицируется процесс химического взаимодействия между керамикой и металлом.
Разрабатываются в основном два варианта сочетания термоэмиссионного преобразователя с реактором: встроенный и выносной. Во встроенном варианте термоэмиссионный преобразователь расположен в активной зоне реактора, в выносном варианте вне реактора.
Солнечные фотоэлектрические установки с концентраторами. Разработки по созданию солнечных термоэлектрических генераторов и термоэмиссионных преобразователей находятся в стадии опытных образцов и менее подготовлены к практическому использованию.
Поэтому КПД термоэлектрических генераторов, МГД-генераторов, термоэмиссионных преобразователей оказывается сравнительно низким. Эти генераторы и преобразователи могут иметь лишь вспомогательное значение в соединении с машинными способами получения электрической энергии тепловыми двигателями и установками.
Уровни температур катода и анода, характерные для термоэмиссионных преобразователей энергии, лежат несколько выше диапазона температур, наиболее целесообразного для использования термоэлектрогенераторов. Поэтому серьезного внимания заслуживают различные сочетания термоэмиссионного и термоэлектрического преобразователей энергии, в которых последние служат утилизаторами теплоты, отводимой от анодов.
В это же время были начаты исследования по термоэмиссионным преобразователям.
В качестве примера на рис. 20 изображен объект расчета - термоэмиссионный преобразователь энергии ( ТЭП) и его электрический аналог.
С другой стороны, очень высокая температура анода вредно сказывается на работе термоэмиссионных преобразователей. Начинается заметная эмиссия с анода и появляется обратный ток электронов. Из компромиссных соображений на практике устанавливают температуру анода в пределах 600 - 800 С. Это, однако, относится только к поверхности анода, обращенной в межэлектродное пространство, температура же на излучающих ребрах зависит от того, по какому пути поступает к ним тепло. Если этот путь имеет большое термическое сопротивление, температура сильно падает, а это значит, что возрастают необходимые для сброса того же потока размеры ребер и увеличивается вес всей энергосистемы.

Тепловая энергия может быть преобразована в электрическую с помощью магнитогидродинамических генераторов, термоэлектрических и термоэмиссионных преобразователей; световая энергия - с помощью фотоэлементов; химическая энергия может быть превращена в электри-ческую в топливных элементах.
Однако полученные при этом данные справедливы также и для оценки применимости материалов в термоэлектрических и термоэмиссионных преобразователях ядерной энергии и МГД генераторах.
Так, например, для повышения эффективности работы ракетных двигателей, магнитогидродинамических генераторов и термоэмиссионных преобразователей целесообразно повышать температуру рабочего тела до 3000 - 5000 К, что превышает не только температуру плавления, но и температуру кипения почти всех известных веществ. Создание материалов, способных работать при столь высоких температурах, возможно, например, на основе пористого спеченного вольфрама, пропитанного серебром.
При создании энергодвигательных установок могут быть применены разработанные технологии ЯРД для теплового аккумулятора и технологии термоэмиссионных преобразователей для получения электроэнергии.
В книге приводятся общие сведения о получении и применении этого металла, рассматриваются требования к материалам термоэмиссионных преобразователей ( ТЭП), основным из которых является молибден. Сделан краткий обзор по основным разработкам различного типа ядерных ТЭП, в которых используются молибден и его сплавы.
Соответствующие устройства, в которых осуществляется превращение химической энергии в электрическую, называются термоэлектрическими генераторами, термоэмиссионными преобразователями, магнитогидродина-мическими ( МГД) генераторами, электрохимическими генераторами или топливными элементами, солнечными батареями.
Табл. 52. Список литературы 209 наименований. В книге изложено современное состояние применения молибдена и его сплавов ( важных конструкционных материалов) при создании термоэмиссионных преобразователей ( ТЭП), радиоизотопных термоэмиссионных генераторов и других аппаратов новой техники.
Из шести типов прямых преобразователей энергии, в которых энергия тел преобразуется в энергию электрического тока ( электрохимические генераторы, фотоэлектрические преобразователи, термоэмиссионные преобразователи, магнитогидродинамические генераторы, термоэлектрические преобразователи, квантовые преобразователи) только первые два являются в полной мере прямыми преобразователями.
Один из концов каждой тепловой трубы проходит сквозь отражатель нейтронов, расширяется до большого диаметра, и на торце его располагается дискообразный катод термоэмиссионного преобразователя. Все катодные тепловые трубы изготовлены из тантала SGS-Та ( тантал с малым содержанием кислорода и незначительной добавкой иттрия), наполнены свинцом либо литием и предназначены для работы при температуре 1600 С. Утечки тепла с боковых поверхностей тепловых труб предотвращаются специальной тепловой изоляцией.
Параллельно с испытанием первых термоэлектрических ядерных энергетических установок Ромашка и БУК в России были развернуты работы по созданию космических ядерных установок на основе термоэмиссионных преобразователей энергии, встроенных в активную зону реактора.
Допустимое удельное энерговыделение изотопного топлива определяется конкретной геометрией генератора, а точнее - соотношением объема капсулы и поверхности, на которой располагаются полупроводниковые или термоэмиссионные преобразователи. Такой поток могут обеспечить нуклиды только с большим удельным энерговыделением.
Следует отметить, что подход и результаты, приведенные в данной главе, носят общий характер и годятся не только для исследования реакторов - термоэмиссионных преобразователей энергии.
Простота конструкции термоэмиссионных преобразователей, их компактность, большая удельная мощность делают перспективными создание энергетических установок ( особенно ядерных), где верхнее высокотемпературное звено - термоэмиссионный преобразователь, а нижнее - обычная паросиловая установка.
В начале 60 - х годов в бывшем Советском Союзе на предприятиях Министерства среднего машиностроения были развернуты работы по прямому преобразованию тепловой энергии ядерного реактора в электричество для космических применений с использованием термоэлектрических и термоэмиссионных преобразователей. Интерес к этим работам был обусловлен тем, что подобные методы преобразования тепловой энергии в электричество принципиально упрощают схему энергетических установок, исключают промежуточные этапы превращения энергии и позволяют создать более компактные и легкие энергетические установки в диапазоне электрических мощностей от единиц до нескольких сотен киловатт.

При этом ядерные энергодвигательные установки могут быть созданы на основе сочетания разработанных технологий ядерных термоэмиссионных установок типа ТОПАЗ со встроенными в активную зону электрогенериру-ющими каналами, либо с вынесенными из активной зоны термоэмиссионными преобразователями, либо с комбинированными схемами преобразования и технологии наиболее эффективных электрореактивных двигателей типа стационарных плазменных двигателей на ксеноне с удельным импульсом и 1800 с или ионных двигателей. Этот вариант ЭДУ является наиболее подготовленным к реализации и обеспечивает вывод на высокоэнергетические орбиты ( ГСО, межпланетные орбиты) наибольшей массы полезных нагрузок. Недостатком схемы является длительное ( до 0 5 года) время вывода полезной нагрузки на ГСО даже при условии форсирования ( 2 5 раза) энергоустановки по электрической мощности.
Выявление того факта, что параметром, определяющим теплопроводность покрытия, является размер пятна фактического контакта, открыло авторам работы [15] способы увеличения пятен контакта путем введения модифицирующих присадок, что в свою очередь позволило в четыре раза увеличить теплопроводность покрытий термоэмиссионных преобразователей при сохранении электроизолирующих свойств.
Более короткое время вывода ( от десятка часов до месяца) полезных нагрузок на ГСО может быть обеспечено при создании энергодвигательных установок на основе технологии ракетных двигателей на водороде и турбома-шинных замкнутых систем преобразования энергии, либо создания бимодальных реакторов, обеспечивающих получение в реакторе как электроэнергии с помощью термоэмиссионных преобразователей, так и тяги за счет продувки активной зоны водородом.
Высокие темпы развития работ по термоэмиссионному преобразованию тепловой энергии в электрическую были связаны с космическими задачами. Термоэмиссионный преобразователь в сочетании с ядерной энергетической установкой в качестве источника тепловой энергии обладает рядом существенных достоинств по сравнению с другими источниками электрической энергии в условиях космоса: отсутствие вращающихся элементов, простота конструкции, выгодная с термодинамической точки зрения область температур ( температура нагревателя до 2000К); возможность работы при высокой температуре холодильника, так как в космосе сброс тепла затруднен и происходит в основном излучением, модульность термоэмиссионных преобразователей.
Распределение электрическо. Произведение Je на заряд электрона е представляет собой плотность электрического тока. Термоэмиссионный преобразователь ( рис. 8.56) состоит из катода, находящегося при более высокой температуре, чем анод; катод испускает электроны в большем количестве по сравнению с анодом. В результате возникает поток электронов к аноду, а.
Разрабатываются в основном два варианта сочетания термоэмиссионного преобразователя с реактором: встроенный и выносной. Во встроенном варианте термоэмиссионный преобразователь расположен в активной зоне реактора, в выносном варианте вне реактора.
Таким образом, достигнутая в ядерном термоэмиссионном преобразователе Топаз полезная электрическая мощность ( 5 - 7 кВт) не является предельной и в дальнейшем может быть существенно увеличена путем применения перспективных катодных материалов и других мер по улучшению термоэмиссионных характеристик.
Ученые американской фирмы Дженерал Электрик Компани испытывают термоэмиссионное преобразовательное устройство, которое может значительно повысить общую производительность атомных электростанций. Это устройство, названное плазменным диодом, является высокотемпературным термоэмиссионным преобразователем, в котором используются пары цезия и катод, содержащий уран. Эти диоды могут быть вмонтированы в блоки ядерного топлива, где расщепление урана в катоде приводит к высоким температурам ( порядка 2480 С), необходимым для эффективного прямого преобразования энергии.
Если начальная энергия частиц, а следовательно, и их начальная скорость являются определяющими, то изложенный подход к рассмотрению пучка частиц неверен. Такая ситуация может иметь место при анализе движения электронов в термоэмиссионном преобразователе. В этом случае можно использовать кинетическое ур-ние Больцма-на совместно с ур-иием электростатики.
Солнечные энергодвигательные установки предусматривают накопление тепловой энергии в тепловом аккумуляторе за счет солнечных концентраторов, либо электронагревателя, питаемого от фотоэлектрических батарей, и получение тяги в многоимпульсном режиме за счет продувки водорода через тепловой аккумулятор. Получение электрической энергии для питания аппаратуры КА в варианте с солнечными концентраторами обеспечивается за счет термоэмиссионных преобразователей, располагаемых на поверхности теплового аккумулятора, либо замкнутой турбомашинной системы.
Многие из них могут быть использованы и в других областях техники. Например, для преобразования солнечной энергии, в том числе для солнечных бимодальных установок, пригодны разработанные термоэмиссионные преобразователи.
 
Loading
на заглавную 10 самыхСловариО сайтеОбратная связь к началу страницы

© 2008 - 2014
словарь online
словарь
одноклассники
XHTML | CSS
Лицензиар ngpedia.ru
1.8.11