Термоэмиссионный преобразователи энергии

Термоэмиссионные преобразователи энергии.1. Основные сведения о термоэмиссионных преобразователях. Различные типы ТЭП разрабатываются для питания систем и оборудованияКЛА, в особенности КЛА с ядерными АЭУ. При электрической мощности АЭУ порядка0,1 - 1 кВт целесообразно применение РИТЭП и СТЭП. При мощностях более 1 кВтпредпочтительны ЯРТЭП, которые наиболее перспективны для космических АЭУ длительногодействия.Достоинства ТЭП - большой ресурс, относительно высокий КПД и хорошиеудельные энергетические, а также массогабаритные показатели.

В настоящее времявыполняют ЯРТЭП по интегральной схеме совместно с ТВЭЛ ядерного реактора, приэтом ТЭП-ТВЭЛ образуют конструкцию реактора-генератора. Возможно и раздельноеисполнение реактора т ТЭП, в котором ТЭП вынесены из активной зоны реактора.Недостатки ТЭП состоят внестабильности характеристик и изменении межэлектродных размеров вследствиеползучести свеллинга , а также в технологических затруднениях при выполнениималых зазоров между электродами, необходимости компенсации объемного зарядаэлектронов в межэлектродном зазоре.

Совмещенные с ТВЭЛцилиндрические элементарные ТЭП последовательно соединяются в гирлянду,образующую электрогенерирующий канал ЭГК , размещаемый в активной зонеректора. Уменьшение объема активной хоны ядерного реактора и массы радиационнойзащиты достигается при вынесении ЭГК из реактора. При раздельном исполненииТВЭЛ и ТЭП энергия к ТЭП от ТВЭЛ может подводиться тепловыми трубами.Последниепредставляют собой устройства для передачи тепла от нагревателя к потребителю или холодильнику посредством использования для поглощения и выделения теплафазовых газожидкостных переходов рабочего тела. перемещение рабочего телаосуществляется капиллярными силами при наличии фитиля илипористого элемента конструкции тепловой трубы , центробежными иэлектромагнитными 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 парамицезия 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 h 0,15 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, при которых возможны удовлетворительные эксплуатационные показателипреобразователей.2. Физические основы работы термоэмиссионных преобразователей. Работа основана наявлении термоэлектронной эмиссии эффекте Эдисона - испускании электроновнагретым металлическим катодом эмиттером . Физическими аналогами вакуумных игазонаполненных ТЭП могут служить электронные лампы - вакуумные диоды игазотроны.

В отдельных случаях вследствие упрощения эксплуатации целесообразноиспользовать вакуумные ТЭП, но лучшие характеристики имеют, как указывалось,ТЭП, наполненные парами легкоионизирующегося металла - цезия Сs . Различаютмежэлектродные газовые промежутки ТЭП с частичной и полной ионизацией.

Последние принадлежат к плазменным ТЭП, которые можно относить к контактнымпреобразователям.Процесс преобразованияэнергии в ТЭП рассмотрим вначале на примере анализа плоской вакуумной моделиэлементарного генератора рис. 1. Промежуток D между металлическими электродами -катодом эмиттером 1 и анодом коллектором 2, заключенными в вакуумный сосуд3, откачан до давления 0,133 мПа примерно 10-6 мм рт. ст Электроды и их выводы4 изолированы от стенок сосуда. К эмиттеру подводится тепловая энергия Q1, и он нагревается до температуры Т1 2000К. Коллектор поддерживается притемпературе Т2 lt Т1 вследствие отвода от него тепловой энергии Q2. Распределение электронов по энергиям в металле электродазависит от его химической природы и определяется среднестатистическим уровнемФерми. Это тот наименьший уровень, на котором располагались бы все электроныпри температуре Т 0. Если Т gt 0, то вероятность наличия у электрона энергииуровня Ферми всегда равна 0,5. Вплоть до точки плавления металла уровень Фермимало зависит от Т. Рис. 1. Рас чет ная элек тро ста ти че ская мо дель ТЭП 2. Батареи термоэммисионых элементов Вертикальные гирляндныеЭГК образуют батарею ТЭП - электрогенерирующий блок ЭГБ реактора.

Например, всерийных генераторах Топас СССР содержится по 79 ТЭП с суммарнойэлектрической мощностью ЭГБ до 10 кВт. Верхяя чсть ЭГК патрубком соединена стермостатом с жидким цезием при Т 600 К, испаряющимся вследствиенизкого давления внутри ТЭП. Для поступления паров Сs отдельные ТЭВ в ЭГКсообщены каналами.

Цезий имеет наиболее низкий поценциал ионизации jЦ 3,9 В, причем jЦ lt jK . При соударении с горячей поверхностью катода атомыСs отдают катоду электрон.

Положительные ионы Сs нейтролизуют объемный заряд электронов в зазоре D. вдиапазне давления паров Cs до 100 Па при температуре Т1 lt 1800 Изменение j х в D для этого режима близко к линейномузакону. При D 0,1 мм эффективность ТЭПповышается, если совместно вводятся пары цезия и бария.

Адсорбируясь преимущественнона аноде с Т2 lt Т1 , они снижают его работу выхода.