|
Термоэмиссионный преобразователь 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.
Рис. 1. Расчетная электроста-
тическая 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.
3
| |
