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.