Источник пара цезия для термоэмиссионного преобразователя

 

Изобретение относится к термоэмиссионному преобразованию энергии и может быть использовано при лабораторных исследованиях преобразователей и реакторных испытаниях электрогенерирующих сборок. Источник пара цезия для термиэмиссионного преобразователя содержит корпус с обогреваемой зоной испарения с жидкой фазой цезия. В цезий добавлен хлорид или фторид цезия, концентрация которых выбрана от 10^-4 до 10^-3 атм.%. Техническим результатом изобретения является повышение ресурса работы термоэмиссионного преобразователя. 1 ил.

Изобретение относится к термоэмиссионному методу преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано при создании источников и генераторов пара цезия для термоэмиссионных преобразователей, в том числе для солнечных и ядерных термоэмиссионных энергоустановок и при проведении реакторных испытаний термоэмиссионных сборок.

Известны источники пара цезия для термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) и термоэмиссионных электрогенерирующих сборок (ЭГС) в виде однокомпонентных равновестных систем (цезиевых термостатов), на основе химических соединений (цезированных графитов), в виде циркуляционных систем с возвратом жидкого цезия по фитилю или автономному тракту, в виде газорегулируемой тепловой трубы и другие [1].

Однако в процессе лабораторных исследований ТЭП и петлевых реакторных испытаний ЭГС возможно неконтролируемое изменение характеристик любого источника пара цезия. Цезий обладает высокий активностью и гетерными свойствами. Образующиеся при работе, в особенности при реакторных испытаниях ЭГС, различные газообразные примеси будут попадать в источник, концентрироваться на поверхности или в объеме жидкого цезия и изменять вид функции P_cs (T_cs), где P_cs-давление насыщенного пара цезия при температуре поверхности T_cs. Это может быть связано как с растворением примесей в цезии, так и с их химическим взаимодействием, а также появлением пленки примесей или продуктов их взаимодействия с цезием на поверхности жидкого цезия в зоне испарения источника.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является генератор пара цезия для термоэмиссионного преобразователя, предложенный в [2]. Он содержит корпус с зоной испарения, снабженной нагревателем и содержащей фазу рабочего тела, и зоной конденсации пара цезия, канал возврата сконденсировавшегося рабочего тела из зоны конденсации в зону испарения, на начальном участке которого установлен фильтр окислов цезия, и узел отвода пара цезия к ТЭП.

В рассмотренном источнике пара цезия благодаря наличию фильтра в жидкой фазе будет пониженное количество окислов и других соединений цезия. Однако эта конструкция не избавляет источник от окислов и гидроокислов цезия, существовавших в цезии до начала работы, не исключает поверхностное образование окислов и гидроокислов цезия. Наличие последних приводит к интенсификации процессов массопереноса материала эмиттера на коллектор. Особенно нежелателен этот процесс для долгоресурсных и высокоэффективных ТЭП, в частности там, где для снижения потерь тепла излучением коллектор покрыт тонким слоем вещества с низкой степенью черноты. В таком ТЭП при наличии в межэлектродном зазоре (МЭЗ) гидроокиси цезия CsOH будет происходить массоперенос материала эмиттера на коллектор с постепенным повышением степени черноты коллектора и ухудшением КПД преобразования энергии.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является обеспечение условий, при которых существенно снижается наличие гидроокиси цезия в МЭЗ ТЭП и тем самым обеспечивается снижение массопереноса материала эмиттера на коллектор, что в свою очередь позволяет обеспечить условия для долгоресурсной работы эффективных ТЭП.

Указанный технический результат достигается в источнике пара цезия для ТЭП, содержащим корпус с обогреваемой зоной испарения с жидкой фазой цезия, в который добавлен хлорид или фторид цезия, концентрация которых выбрана от 10^-4 до 10^-3 атомных процента.

На чертеже приведена схема источника пара цезия для ТЭП.

Источник пара цезия для ТЭП содержит корпус 1, часть 2 которого, называемая зоной испарения, содержит жидкий цезий 3 с добавкой хлорида или фторида цезия и обогревается с помощью нагревателя 4; часть 5 корпуса 1, называемая зоной конденсации, охлаждается системой охлаждении 6, например, за счет циркуляции воды или воздуха. Между зонами испарения 3 и конденсации 5 располагается так называемая адиабатическая зона 7. Узел 8 отвода пара потребителю (ТЭП) располагается или в зоне испарения 3, или в адиабатической зоне 7. Фитиль 8 является каналом возврата сконденсировавшегося рабочего тела из зоны конденсации 5 в зону испарения 2. Канал возврата может быть выполнен не только в виде фитиля 8, но и специального тракта, например наружной трубки, соединяющий место сбора сконденсировавшегося в зоне конденсации 5 рабочего тела с нижней частью зоны испарения 2, в которой находится жидкое рабочее тело (цезий с добавками) 3.

Источник пара цезия работает следующим образом.

После сборки источник заполняют рабочим телом в виде цезия с добавками хлорида или фторида цезия, концентрация которых выбрана от 10^-4 до 10^-3 атомных процента. Заполнение может быть выполнено путем вакуумной перегонки с конденсацией в зоне испарения. Возможно, даже предпочтительно, заполнение после термовакуумной подготовки ТЭП или ЭГС. После подсоединения через узел 8 к потребителю (ТЭП или ЭГС) и узла 10 к вакуумной системе (или газовому резервуару-накопителю) с помощью нагревателя 4 повышают температуру зоны испарения 2 с жидким рабочим телом 3. С поверхности 11 жидкого рабочего тала 3 происходит испарение пара цезия и хлорида или фторида цезия. При работе потребителя, в особенности при реакторных испытаниях ЭГС, выделяются газы, в том числе кислород и водород, которые диффузионным путем попадают через узел 8 внутрь источника пара цезия. В ТЭП с обычным источником пара цезия это приводит к образованию в межэлектродном зазоре гидроокиси цезия CsOH, которая приводит к массопереносу материала эмиттера на коллектор с постепенным повышением степени черноты коллектора и ухудшением КПД преобразования энергии. Однако при наличии в паре цезия хлорида или фторида цезия они связывают попадающие в МЭЗ кислород и водород, в результате чего гидроокись не образуется или ее концентрация в МЭЗ незначительна. Кроме того наличие хлорида или фторида цезия в МЭЗ приводит к встречному потоку массопереноса материала эмиттера уже с коллектора на эмиттер, в результате чего толщина материал эмиттера на поверхности коллектора снижается. Если принять допустимым массоперенос материала эмиттера на коллектор долгоресурсных ТЭП (температура эмиттера 1700 - 2100 K) до 20 Ангстрем в год, то давление пара гидроокиси цезия должна быть не выше 10^-7-10^-8 мм рт.ст. Такое давление обеспечивается в случае, если в МЭЗ концентрация хлорида и фторида цезия соответственно от 10^-3 до 10^-4 атомных процента. В результате коллектор ТЭП или ЭГС при ресурсной работе покрыт незначительным слоем материала эмиттера, который не ухудшает свойств коллектора, в том числе его степени черноты. В итоге обеспечивается сохранение в ресурсе высоких энергетических характеристик ТЭП или ЭГС.

Таким образом, предлагаемый источник пара цезия для ТЭП позволяет осуществлять непрерывную очистку рабочего тела от кислорода и водорода без образования гидроокиси цезия и тем самым обеспечить стабильность характеристик, в том числе при ресурсных испытаний ТЭП и ЭГС.

Литература 1. Каландаришвили А.Г. Источники рабочего тела для термоэмиссионных преобразователей, М., Энергоиздат, 1986, с. 14, 31, 85 - 87.

2. Синявский В.В., Макеев А.А. Генератор пара цезия для термоэмиссионного преобразователя. Патент РФ N 1786536 A1, H 01 J 45/00, по заявке 4920462/21 от 21.03.91, Бюлл. изобретений N 1 от 07.01.93.

Формула изобретения

Источник пара цезия для термоэмиссионного преобразователя, содержащий корпус с обогреваемой зоной испарения с жидкой фазой цезия, отличающийся тем, что в цезий добавлен хлорид или фторид цезия, концентрация которых выбрана от 10^-4 до 10^-3 атм.%.>

РИСУНКИ

Рисунок 1