Реферат: Термоэмиссионный преобразователи энергии
Термоэмиссионные преобразователи энергии.
1. Основные сведения отермоэмиссионных преобразователях.
Различные типы ТЭПразрабатываются для питания систем и оборудования КЛА, в особенности КЛА сядерными АЭУ. При электрической мощности АЭУ порядка 0,1 — 1 кВт целесообразноприменение 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 удельныеэнергетические, а также массогабаритные показатели. В настоящее время выполняютЯРТЭП по интегральной схеме совместно с ТВЭЛ ядерного реактора, при этомТЭП-ТВЭЛ образуют конструкцию реактора-генератора. Возможно и раздельноеисполнение реактора т ТЭП, в котором ТЭП вынесены из активной зоны реактора.
Недостатки ТЭП состоят в нестабильности характеристик иизменении межэлектродных размеров вследствие ползучести (свеллинга), а также втехнологических затруднениях при выполнении малых зазоров между электродами,необходимости компенсации объемного заряда электронов в межэлектродном зазоре.
Совмещенные с ТВЭЛ цилиндрические элементарные ТЭПпоследовательно соединяются в гирлянду, образующую электрогенерирующий канал(ЭГК), размещаемый в активной зоне ректора. Уменьшение объема активной хоныядерного реактора и массы радиационной защиты достигается при вынесении ЭГК изреактора. При раздельном исполнении ТВЭЛ и ТЭП энергия к ТЭП от ТВЭЛ можетподводиться тепловыми трубами. Последние представляют собой устройства дляпередачи тепла от нагревателя к потребителю (или холодильнику) посредствомиспользования для поглощения и выделения тепла фазовых (газожидкостных)переходов рабочего тела. перемещение рабочего тела осуществляется капиллярнымисилами (при наличии «фитиля» или пористого элемента конструкциитепловой трубы), центробежными и электромагнитными силами в зависимости отконкретного устройства тепловой трубы.
Для получениянеобходимых параметров АЭУ (мощности и напряжения) ЭГК соединяют попоследовательно-паралелльным схемам. Различают вакуумные и газонаполненные ТЭП,причем газонаполненные ТЭП с парами цезия имеют лучшие показатели. Иххарактеризуют удельная масса ЭГК G* = 3 SYMBOL 184 f «Symbol»10 кг/кВт,поверхностная плотность мощности Р* = 100 SYMBOL 184 f «Symbol»200 кВт/м2 (наединицу площади, эмитирующей электроны), плотность тока
эмиттера J = 5 SYMBOL 184 f «Symbol»8 A/cм2 , КПД преобразования тепла в электроэнергию SYMBOL 104 f «Symbol»= 0,15 SYMBOL 184 f «Symbol»0,25, рабочий ресурс — более 104 ч (до 5 лет). Вакуумные ТЭП в настоящее времяприменяются сравнительно мало вследствие сложности технологии изготовлениямежэлектродных зазоров порядка 10-2 мм, прикоторых возможны удовлетворительные эксплуатационные показателипреобразователей.
2. Физические основы работытермоэмиссионных преобразователей.
Работа основана на явлении термоэлектронной эмиссии(эффекте Эдисона) — испускании электронов нагретым металлическим катодом(эмиттером). Физическими аналогами вакуумных и газонаполненных ТЭП могутслужить электронные лампы — вакуумные диоды и газотроны. В отдельных случаяхвследствие упрощения эксплуатации целесообразно использовать вакуумные ТЭП, нолучшие характеристики имеют, как указывалось, ТЭП, наполненные парамилегкоионизирующегося металла — цезия (Сs). Различают межэлектродные газовыепромежутки ТЭП с частичной и полной ионизацией. Последние принадлежат кплазменным ТЭП, которые можно относить к контактным преобразователям.
Процесс преобразования энергии в ТЭП рассмотрим вначале напримере анализа плоской вакуумной модели элементарного генератора (рис. 1.)Промежуток SYMBOL68 f «Symbol»между металлическимиэлектродами — катодом (эмиттером) 1 и анодом (коллектором) 2, заключенными ввакуумный сосуд 3, откачан до давления 0,133 мПа (примерно 10-6 мм рт. ст.). Электроды и их выводы 4изолированы от стенок сосуда. К эмиттеру подводится тепловая энергия Q1, и оннагревается до температуры Т1SYMBOL 187 f «Symbol»2000К. Коллекторподдерживается при температуре Т2< Т1вследствие отвода от него тепловой энергии Q2.Распределение электронов по энергиям в металле электрода зависит от егохимической природы и определяется среднестатистическим уровнем Ферми. Это тот(наименьший) уровень, на котором располагались бы все электроны при температуреТ=0. Если Т>0, то вероятность наличия у электрона энергии уровня Фермивсегда равна 0,5. Вплоть до точки плавления металла уровень Ферми мало зависитот Т.
<img src="/cache/referats/281/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025">
Рис. 1. Расчетная электростатическая модель ТЭП
2. Батареи термоэммисионыхэлементов
Вертикальные гирляндные ЭГК образуют батарею ТЭП — электрогенерирующий блок (ЭГБ) реактора. Например, в серийных генераторах«Топас» (СССР) содержится по 79 ТЭП с суммарной электрическоймощностью ЭГБ до 10 кВт. Верхяя чсть ЭГК патрубком соединена с термостатом сжидким цезием при Т SYMBOL187 f «Symbol»600 К, испаряющимсявследствие низкого давления внутри ТЭП. Для поступления паров Сs отдельные ТЭВв ЭГК сообщены каналами. Цезий имеет наиболее низкий поценциал ионизации SYMBOL 106 f «Symbol»Ц =3,9 В, причем SYMBOL106 f «Symbol»Ц < SYMBOL 106 f «Symbol»K . При соударении с горячей поверхностью катодаатомы Сs отдают катоду электрон. Положительные ионы Сs+ нейтролизуют объемный заряд электронов взазоре SYMBOL68 f «Symbol». в диапазне давленияпаров Cs до 100 Па при температуре Т1<1800 К достигается бесстолкновительный (квазивакуумный) режим ТЭП. Изменение SYMBOL 106 f «Symbol»(х) в SYMBOL 68 f «Symbol»для этого режимаблизко к линейному закону. При SYMBOL 68 f «Symbol»SYMBOL 187 f «Symbol»0,1 мм эффективностьТЭП повышается, если совместно вводятся пары цезия и бария. Адсорбируясьпреимущественно на аноде с Т2<Т1 , они снижают егоработу выхода.