Устройство для подачи пара цезия в термоэммисионный преобразователь
Владельцы патента RU 2464668:
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" (RU)
Изобретение касается термоэмиссионного преобразования тепловой энергии в электрическую и относится к устройствам подачи пара цезия в межэлектродный зазор термоэмиссионного преобразователя (ТЭП). Технический результат - повышенная емкость по цезию достигается за счет того, что предложено устройство для подачи пара цезия в термоэмиссионный преобразователь ТЭП, содержащий источник пара цезия, выполненный из пиролитического ориентированного цезированного графита, и размещенного в корпусе с установленным на нем нагревателем, при этом источник пара цезия выполнен в виде полого цилиндра, размещенного между герметизирующими верхнюю и нижнюю плоскости цилиндра двумя пластинами, верхняя из которых сплошная, при этом полость цилиндра соединена с резервуаром с источником жидкого конденсата цезия, внутренний объем которого герметично перекрыт источником пара от рабочего объема. На резервуаре с жидким конденсатом цезия установлен нагреватель и патрубок с вентилем, а источник конденсата цезия выполнен в виде капиллярной структуры с жидким конденсатом цезия. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.
Изобретение касается термоэмиссионного преобразования тепловой энергии в электрическую и относится к устройствам подачи пара цезия в межэлектродный зазор термоэмиссионного преобразователя (ТЭП), где требуется регулируемая подача пара цезия, широкий спектр рабочих температур, а также повышенная емкость по цезию.
В термоэмиссионных преобразователях атомы цезия выполняют одновременно несколько функций:
- адсорбируясь на поверхности электродов ТЭП регулируют работу выхода электронов;
- ионизируясь на горячей поверхности эмиттера или в межэлектродном промежутке в случае реализации дугового режима компенсируют пространственный электронный заряд, ограничивающий и прохождение электронного тока через межэлектродный зазор.
Известны устройства для подачи пара цезия, содержащие металлический резервуар с жидким конденсатом цезия (см, Каландаришвили А.Г. Источники рабочего тела для термоэмиссионных преобразователей энергии. - 2-е издание, доп. - М.: Энергоатомиздат, 1993 г. - стр.14, 30-31).
Нагревая температуру резервуара с жидким конденсатом цезия, осуществляют подачу пара цезия с оптимальным давлением около нескольких сот паскаль, что соответствует температуре резервуара около 550-650 К.
Однако такие устройства для подачи пара цезия обладают рядом недостатков:
- низкая оптимальная рабочая температура около 550-650 К, что в отдельных случаях затрудняет температурную привязку устройства к установке;
- наличие жидкой фазы при эксплуатации термоэмиссионной установки в условиях невесомости может вызвать технические трудности;
- резкая зависимость выходных электрических параметров от температуры резервуара.
Известны устройства (см. Каландаришвили А.Г. Источники рабочего тела для термоэмиссионных преобразователей энергии. - 2-е издание, доп., - М.: Энергоатомиздат, 1993 г. - стр.203, Alleau Т., Devin В., Lesneur R. Применение соединений графит-цезий в термоэмиссионных преобразователях. Pros. Internat. Conf. on Thermion. Electr. Power Gener., Lond., Sept. 1965, p.11-19. Кравченко Ю.А., Столяров Г.А. Источники паров цезия с прессованным и пиролитическим графитом для ТЭП, Гвердцители И.Г., Каландаришвили А.Г., Цхакая В.К. Источники паров цезия на основе цезированного графита для ТЭП. Pros. 3rd Internat. Conf. on Thermion. Electr. Power Gener., Juelich, 1972, Vol.3, p.1139-1146), в которых пар цезия в межэлектродный зазор термоэмиссионного преобразователя подается из резервуара, в котором помещено одно из соединений графита с цезием.
В этих устройствах подача пара цезия осуществляется из твердой фазы, а оптимальная рабочая температура колеблется от 650 до 1000 К в зависимости от содержания количества цезия в графите. С увеличением оптимальной рабочей температуры (которое связано с уменьшением количества цезия в графите) более пологой становится зависимость выходных электрических параметров от температуры резервуара с блоком из цезированного графита.
Прототипом является устройство для подачи пара цезия в термоэмиссионный преобразователь ТЭП, содержащий источник пара цезия, выполненный из пиролитического ориентированного цезированного графита. Источник пара цезия помещен в резервуар с установленным на нем нагревателем, резервуар соединен с рабочим объемом ТЭП
(См. Гвердцители И.Г., Каландаришвили А.Г., Цхакая В.К. Источники паров цезия на основе цезированного графита для ТЭП. Pros. 3rd Internat. Conf. on Thermion. Electr. Power Gener., Juelich, 1972, Vol.3, p.1139-1146).
В качестве источников пара цезия в ТЭП в основном используются соединения C10Cs и C24Cs, обладающие наибольшей емкостью, которым соответствуют следующие равновесные реакции:
12C10Cs⇔5C24Cs+7Cs,
3C24Cs⇔2C36Cs+Cs
Основным недостатком таких устройств является небольшая емкость по цезию. Большая емкость по цезию необходима для устройств при длительной эксплуатации ТЭП. В этом режиме работы ТЭП очистка рабочего объема преобразователя и межэлектродного зазора (МЭЗ) от остаточных газов осуществляется за счет прокачки пара цезия через МЭЗ, что приводит к безвозвратной потери массы цезия.
В таблице «Количество цезия в слоистых соединениях графита на 1 г пирографита» приводятся расчетные и экспериментальные данные по количеству цезия на 1 г пиролитического графита для различных двухфазных систем цезий-графит.
| Таблица | ||
| Реакция | Расчет | Эксперимент |
| 5C8Cs⇔4C10Cs+Cs; | 0,277 | 0,150 |
| 12C10Cs⇔5C24Cs+7Cs; | 0,647 | 0,525 |
| 3C24Cs⇔2C36Cs+Cs; | 0,154 | 0,112 |
| 4C36Cs⇔3C48Cs+Cs. | 0.077 | 0,923 |
Техническим результатом, на которое направлено изобретение, является увеличение емкости устройства по цезию, что приводит к увеличению длительности эксплуатации ТЭП, и обеспечение широкого спектра рабочих температур.
Для этого предложено устройство для подачи пара цезия в термоэмиссионный преобразователь ТЭП, содержащий источник пара цезия, выполненный из пиролитического ориентированного цезированного графита и размещенного в корпусе с установленным на нем нагревателем, при этом источник пара цезия выполнен в виде полого цилиндра, размещенного между герметизирующими верхнюю и нижнюю плоскости цилиндра двумя пластинами, верхняя из которых сплошная, при этом полость цилиндра соединена с резервуаром с источником жидкого конденсата цезия, внутренний объем которого герметично перекрыт источником пара от рабочего объема ТЭП.
При этом на резервуаре с жидким конденсатом цезия установлен нагреватель и патрубок с вентилем.
При этом источник цезия выполнен в виде капиллярной структуры с жидким конденсатом цезия.
На фиг.1 и 2 приведена принципиальная схема конструкции устройства, которая содержит:
1. рабочий основной объем, связанный с межэлектродным зазором ТЭП;
2. патрубок, соединяющий источник пара цезия с межэлектродным зазором ТЭП;
3. сильфон;
4. подвижная сплошная пластина;
5. полый цилиндр из цезированного ориентированного графита;
6. корпус из нержавеющей стали;
7. неподвижная пластина;
8. нагреватель для нагрева цезированного графита;
9. резервуар;
10. вентиль высокотемпературный;
11. капиллярная структура, заполненная жидким конденсатом цезия;
12. нагреватель для нагрева жидкого конденсата цезия;
13. термоэмиссионный преобразователь энергии;
14. выходной дроссель;
15. блок поглотителя цезия, выполненный из ориентированного пирографита;
16. патрубок, соединяющий рабочий объем ТЭП с вакуумной системой.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
После обезгаживания всего устройства через вентиль 10 производится заправка цезием полого цилиндра из цезированного ориентированного графита 5 и капиллярной структуры 11, после чего вентиль 10 герметично перекрывается. Полость цилиндра соединена с резервуаром 9, верхняя плоскость герметично перекрыта сплошной металлической пластиной 4, которая прикреплена к сильфону 3, соединенного с корпусом устройства 6, выполненного, например, из нержавеющей стали. Такое крепление дает возможность компенсации расширения пиролитичекого графита при нагревании и насыщении его цезием. Нижняя плоскость цилиндра 5 герметично перекрыта пластиной 7 с отверстием, соединяющим внутреннюю полость цилиндра 5 с резервуаром с цезием 9. При нагревании цезиевого конденсата 11 нагревателем 12 происходит подпитка пиролитического графита 5 в процессе работы. Количество массы цезия заправленного в капиллярную структуру 11 каждый раз определяется ресурсом работы источника пара цезия и установки в целом. Такое устройство позволяет обеспечить требуемый расход массы цезия при условии, что изостера сорбции (зависимость величины давления пара цезия от температуры резервуара 9) для жидкого конденсата цезия всегда должна превышать изостеру сорбции для выбранного источника пара на основе цезированного графита, что автоматически реализуется в данном устройстве.
Пример.
С целью обеспечения стабильной длительной работы термоэмиссионного преобразователя энергии 13 необходимо постоянно в течении всего периода работы производить очистку межэлектродного зазора 17 и рабочего объема ТЭП от остаточных газов. Наиболее перспективным с точки зрения очистки от остаточных газов - это их выброс через специальный дроссель 14 с дальнейшей откачкой через патрубок 16 с помощью вакуумной системы. Однако при этом вместе с остаточными газами происходит выброс и определенной массы цезия. Поэтому к источникам пара цезия, обеспечивающим работу ТЭП, предъявляются дополнительные требования - они должны обладать определенной емкостью по массе цезия, конкретная величина которой зависит от срока службы изделия и от принятой системы очистки, которые определяют массовый суточный расход рабочего тела (цезия).
Обычно для эффективной очистки достаточным является массовый расход цезия около 0,5 г/сутки.
Экспериментальная установка для исследования предлагаемого устройства для подачи пара цезия в режиме расхода массы цезия 0,5 г/сутки представлена на фиг.2.
В качестве источника пара цезия был выбран цезированный графит состава C8Cs (вес чистого графита равнялся 5 граммам), температура которого поддерживалась нагревателем 8 постоянной и равной около 800 К. Во внутренний объем резервуара 9 перегонялось 20 грамм жидкого конденсата цезия. При температуре 800 К соединению C8Cs соответствует двухфазная равновесная реакция
5C8Cs⇔4C10Cs+Cs;
согласно которой при 5 граммах графита в случае использования прототипа, источника пара цезия без подпитки из внутреннего объема из жидкого конденсата цезия максимальная емкость (см выше таблицу) соответствует 1,5 г цезия. При этом будет поддерживаться на постоянном уровне давление насыщенного пара цезия от цезированного графита.
В нашем случае было использовано предлагаемое устройство, которое подключалось к экспериментальной установке (см. Фиг.2), в котором источник пара цезия 5 был выполнен на основе цезированного графита состава C8Cs. Аналогичным образом могут быть выполнены источники пара рубидия и калия.
В процессе работы ТЭП в режиме с расходом цезия источник пара 5 непрерывно подпитывался атомами цезия из жидкого конденсата. Поток направленного пара цезия от цезированного графита 5 попадал в рабочий объем 1 и по патрубку 2 проникал в рабочий объем ТЭП 13 и, попадая в межэлектродный зазор 17 ТЭП, захватывал остаточные газы, которые через выходной дроссель 14 попадали в блок поглотителя рабочего тела (цезия) на основе пирографита 15, который селективно адсорбировал атомы цезия и пропускал через патрубок 16 остаточные газы к вакуумной откачке.
При этом массовый расход цезия определялся выходным дросселем 14 и равнялся примерно 0,5 г/сутки.
Проведенные испытания показали, что устройство для подачи пара цезия обеспечивает стабильную работу пара цезия ТЭП в режиме работы с расходом массы цезия около 0,5 г/сутки в течение около 1000 часов.
1. Устройство для подачи пара цезия в термоэмиссионный преобразователь (ТЭП), содержащий источник пара цезия, выполненный из пиролитического ориентированного цезированного графита и размещенный в корпусе с установленным на нем нагревателем, отличающееся тем, что источник пара цезия выполнен в виде полого цилиндра, размещенного между герметизирующими верхнюю и нижнюю плоскости цилиндра двумя пластинами, верхняя из которых сплошная, при этом полость цилиндра соединена с резервуаром с источником жидкого конденсата цезия, внутренний объем которого герметично перекрыт источником пара от рабочего объема.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на резервуаре с жидким конденсатом цезия установлены нагреватель и патрубок с вентилем.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник конденсата цезия выполнен в виде капиллярной структуры с жидким конденсатом цезия.
