Термоэмиссионный преобразователи энергии

Термоэмиссионный преобразователи энергии

Термоэмиссионные преобразователи энергии.

1. Основные сведения о термоэмиссионных преобразователях.

Различные типы ТЭП разрабатываются для питания систем и оборудования КЛА, в

особенности КЛА с ядерными АЭУ. При электрической мощности АЭУ порядка 0,1

- 1 кВт целесообразно применение РИТЭП и СТЭП. При мощностях более 1 кВт

предпочтительны ЯРТЭП, которые наиболее перспективны для космических АЭУ

длительного действия. Достоинства ТЭП - большой ресурс, относительно

высокий КПД и хорошие удельные энергетические, а также массогабаритные

показатели. В настоящее время выполняют ЯРТЭП по интегральной схеме

совместно с ТВЭЛ ядерного реактора, при этом ТЭП-ТВЭЛ образуют конструкцию

реактора-генератора. Возможно и раздельное исполнение реактора т ТЭП, в

котором ТЭП вынесены из активной зоны реактора.

Недостатки ТЭП состоят в нестабильности характеристик и изменении

межэлектродных размеров вследствие ползучести (свеллинга), а также в

технологических затруднениях при выполнении малых зазоров между

электродами, необходимости компенсации объемного заряда электронов в

межэлектродном зазоре.

Совмещенные с ТВЭЛ цилиндрические элементарные ТЭП последовательно

соединяются в гирлянду, образующую электрогенерирующий канал (ЭГК),

размещаемый в активной зоне ректора. Уменьшение объема активной хоны

ядерного реактора и массы радиационной защиты достигается при вынесении ЭГК

из реактора. При раздельном исполнении ТВЭЛ и ТЭП энергия к ТЭП от ТВЭЛ

может подводиться тепловыми трубами. Последние представляют собой

устройства для передачи тепла от нагревателя к потребителю (или

холодильнику) посредством использования для поглощения и выделения тепла

фазовых (газожидкостных) переходов рабочего тела. перемещение рабочего тела

осуществляется капиллярными силами (при наличии "фитиля" или пористого

элемента конструкции тепловой трубы), центробежными и электромагнитными

силами в зависимости от конкретного устройства тепловой трубы.

Для получения необходимых параметров АЭУ (мощности и напряжения) ЭГК

соединяют по последовательно-паралелльным схемам. Различают вакуумные и

газонаполненные ТЭП, причем газонаполненные ТЭП с парами цезия имеют лучшие

показатели. Их характеризуют удельная масса ЭГК G* = 3 10 кг/кВт,

поверхностная плотность мощности Р* = 100 200 кВт/м2 (на единицу площади,

эмитирующей электроны), плотность тока

эмиттера J = 5 8 A/cм2 , КПД преобразования тепла в электроэнергию = 0,15

0,25, рабочий ресурс - более 104 ч (до 5 лет). Вакуумные ТЭП в настоящее

время применяются сравнительно мало вследствие сложности технологии

изготовления межэлектродных зазоров порядка 10-2 мм, при которых возможны

удовлетворительные эксплуатационные показатели преобразователей.

2. Физические основы работы термоэмиссионных преобразователей.

Работа основана на явлении термоэлектронной эмиссии (эффекте Эдисона)

- испускании электронов нагретым металлическим катодом (эмиттером).

Физическими аналогами вакуумных и газонаполненных ТЭП могут служить

электронные лампы - вакуумные диоды и газотроны. В отдельных случаях

вследствие упрощения эксплуатации целесообразно использовать вакуумные ТЭП,

но лучшие характеристики имеют, как указывалось, ТЭП, наполненные парами

легкоионизирующегося металла - цезия (Сs). Различают межэлектродные газовые

промежутки ТЭП с частичной и полной ионизацией. Последние принадлежат к

плазменным ТЭП, которые можно относить к контактным преобразователям.

Процесс преобразования энергии в ТЭП рассмотрим вначале на примере

анализа плоской вакуумной модели элементарного генератора (рис. 1.)

Промежуток между металлическими электродами - катодом (эмиттером) 1 и

анодом (коллектором) 2, заключенными в вакуумный сосуд 3, откачан до

давления 0,133 мПа (примерно 10-6 мм рт. ст.). Электроды и их выводы 4

изолированы от стенок сосуда. К эмиттеру подводится тепловая энергия Q1, и

он нагревается до температуры Т1 2000К. Коллектор поддерживается при

температуре Т2 < Т1 вследствие отвода от него тепловой энергии Q2.

Распределение электронов по энергиям в металле электрода зависит от его

химической природы и определяется среднестатистическим уровнем Ферми. Это

тот (наименьший) уровень, на котором располагались бы все электроны при

температуре Т=0. Если Т>0, то вероятность наличия у электрона энергии

уровня Ферми всегда равна 0,5. Вплоть до точки плавления металла уровень

Ферми мало зависит от Т.

[pic]

Рис. 1. Расчетная электростатическая модель ТЭП

2. Батареи термоэммисионых элементов

Вертикальные гирляндные ЭГК образуют батарею ТЭП -

электрогенерирующий блок (ЭГБ) реактора. Например, в серийных генераторах

"Топас" (СССР) содержится по 79 ТЭП с суммарной электрической мощностью ЭГБ

до 10 кВт. Верхяя чсть ЭГК патрубком соединена с термостатом с жидким

цезием при Т 600 К, испаряющимся вследствие низкого давления внутри ТЭП.

Для поступления паров Сs отдельные ТЭВ в ЭГК сообщены каналами. Цезий имеет

наиболее низкий поценциал ионизации Ц =3,9 В, причем Ц < K . При

соударении с горячей поверхностью катода атомы Сs отдают катоду электрон.

Положительные ионы Сs+ нейтролизуют объемный заряд электронов в зазоре . в

диапазне давления паров Cs до 100 Па при температуре Т1 < 1800 К

достигается бесстолкновительный (квазивакуумный) режим ТЭП. Изменение (х) в

для этого режима близко к линейному закону. При 0,1 мм эффективность ТЭП

повышается, если совместно вводятся пары цезия и бария. Адсорбируясь

преимущественно на аноде с Т2 < Т1 , они снижают его работу выхода.