початок розділу Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві	хитрощі майстру електроніка фізика технології винаходи	таємниці космосу таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу
Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання)

ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2136086

ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ ТЕПЛОВОЇ ЕНЕРГІЇ В ЕЛЕКТРИЧНУ

Ім'я винахідника: Гришин В.К .; Грибків А.С.
Ім'я патентовласника: Акціонерне товариство відкритого типу "Ракетно-космічна корпорація" Енергія "ім.С.П.Корольова"
Адреса для листування: 141070, Московська обл., Корольов, вул.Леніна 4а, РКК "Енергія" ім.С.П.Корольова, відділ промсобственності і інноватики
Дата початку дії патенту: 1998.03.23

Винахід відноситься до області електротехніки, а саме до високотемпературних джерел електроенергії з прямим перетворенням тепла в електрику. Згідно винаходу високотемпературний перетворювач теплової енергії в електричну містить герметичний корпус, що складається з двох частин, теплоподводящей, тепловідводної; нагрівається і охолоджується сполучені між собою відсіки, іонопроводящую мембрану з електродами на зовнішній та внутрішній поверхнях, токовивод з ізолятором, причому один з відсіків забезпечений системою підведення тепла, а інший - системою відведення тепла, і в нього введені гідравлічний і парової колектори, теплопереотражающіе екрани, а в корпусі виконана третя частина, теплоизолирующая. На внутрішній поверхні тепловідводної частини корпусу нанесена капілярна структура, повідомлена за допомогою трубопроводу з колекторами; охолоджуваний відсік утворений внутрішньою стінкою тепловідводної частини корпусу, капілярної структурою, теплоізолюючих частиною корпусу, зовнішньої стінкою парового колектора, внутрішньою поверхнею іонопроводящей мембрани з внутрішнім електродом і внутрішньою поверхнею кришки, а нагрівається відсік утворений гідравлічним колектором, внутрішньою стінкою теплоподводящей частини корпусу, зовнішньою поверхнею мембрани з зовнішнім електродом і зовнішньою поверхнею кришки; причому теплопереотражающіе перфоровані екрани встановлені на теплоізолюючих частини корпусу всередині охолоджується відсіку, токовивод проходить через охолоджуваний відсік і з'єднаний одним кінцем з струмознімачем і внутрішнім електродом іонопроводящей мембрани, а інший кінець ізольований по відношенню до корпусу. Технічним результатом винаходу є забезпечення високого ККД, збільшення ресурсу роботи і надійності, зменшення власного енергоспоживання, спрощення конструкції.

ОПИС ВИНАХОДИ

Винахід відноситься до високотемпературних джерел електроенергії з прямим перетворенням тепла в електрику і може бути використано в сонячній енергетиці чи при створенні автономних джерел електроенергії з довільним джерелом високотемпературного тепла.

Відомі машинні і безмашинному або прямі перетворювачі теплової енергії в електричну.

Відомий перетворювач теплової енергії [1] безпосередньо в електричну з використанням концентраційного електрохімічного елемента, який є герметичною конструкцією, що складається з двох відсіків, розділених іонопроводящей мембраною, до обох поверхнях якої примикають газодифузійні електроди. До одного відсіку підводиться тепло від зовнішнього джерела, від іншого - відводиться. У нагрівається відсіку знаходиться робоче тіло в рідкій фазі, в охолоджуваному - робоче тіло в паровій фазі в обсязі відсіку і в рідкій фазі на стінах і дні відсіку. За рахунок різниці температур робочого тіла в відсіках і, отже, тисків (концентрацій) насиченої пари виникає різниця електрохімічних потенціалів, що приводить до виникнення електрорушійної сили.

Відсіки високого (гарячий) і низького (холодний) тисків з'єднані трубопроводом з пристроєм для зворотної подачі рідкої фази робочого тіла за допомогою насоса. Даний елемент є перетворювачем різниці хімічного потенціалу робочого тіла, що знаходиться в двох відсіках при різних температурах.

Крім того, відомий концентраційний газовий елемент для використання енергії [2]. Це пристрій містить два концентраційних газових елемента, включених в замкнутий газовий контур, що складається з трубопроводу низького тиску, кожен з яких пов'язує перший і другий концентраційні газові елементи. Елементи включені в замкнуту електроланцюг, з якої може протікати струм.

Недоліками вищевказаних перетворювачів є помітні теплові втрати у вигляді теплового потоку по елементах конструкції від нагрівається відсіку до охолоджуваного і у вигляді потоку теплового випромінювання від поверхні іонопроводящей мембрани до стінок охолоджуваного відсіку. Цей факт відзначений в [1] і там же показано, що ці втрати можуть зменшити ККД перетворювача на 10. ..15%.

Найбільш близьким до винаходу по технічній сутності є перетворювач теплової енергії в електричну [3].

Перетворювач містить герметичний корпус, розділений іонопроніцаемой мембраною на дві сполучені між собою відсіку, заповнених двоатомний газом, дисоціює при нагріванні в одноатомний газ. До обом сторонам мембрани примикають газопроникні електроди, забезпечені токовиводамі. Один з відсіків забезпечений системою підведення тепла, а інший - системою відведення тепла. Як матеріал мембрани обраний електроліт з іонною провідністю до диссоциированного атомарному газу, а в якості двоатомних газу обраний газ з малою енергією дисоціації, наприклад, галогени: йод, фтор, хлор, бром.

Недоліком прототипу є можливий закид продіссоціірованного газу в нагрівається осік, при цьому відбувається втрата його (газу) енергії для перетворення в електроліти. Теплові втрати призводять до зниження ККД перетворювача.

Завданням винаходу є забезпечення високого ККД, збільшення ресурсу роботи і надійності, зменшення власного енергоспоживання, спрощення конструкції.

Завдання можливою завдяки тому, що в високотемпературний перетворювач теплової енергії в електричну, що містить герметичний корпус, що складається з двох частин: теплоподводящей, тепловідводної, що нагрівається і охолоджується сполучені між собою відсіки, іонопроводящую мембрану з електродами на зовнішній та внутрішній поверхнях, токовивод з ізолятором, причому один з відсіків забезпечений системою підведення тепла, а інший - системою відведення тепла, і в нього введені гідравлічний і парової колектори, теплопереотражающіе екрани, а в корпусі виконана третя частина - теплоизолирующая, на внутрішній поверхні тепловідводної частини корпусу нанесена капілярна структура, повідомлена за допомогою трубопроводу з колекторами ; охолоджуваний відсік утворений внутрішньою стінкою тепловідводної частини корпусу, капілярної структурою, теплоізолюючих частиною корпусу, зовнішньої стінкою парового колектора, внутрішньою поверхнею іонопроводящей мембрани з внутрішнім електродом і внутрішньою поверхнею кришки, а нагрівається відсік утворений гідравлічним колектором, внутрішньою стінкою теплоподводящей частини корпусу, зовнішньою поверхнею іонопроводящей мембрани із зовнішнім електродом і зовнішньою поверхнею кришки; причому теплопереотражающіе перфоровані екрани встановлені на теплоізолюючих частини корпусу всередині охолоджується відсіку, токовивод проходить через охолоджуваний відсік і з'єднаний одним кінцем з струмознімачем і внутрішнім електродом іонопроводящей мембрани, а інший кінець ізольований по відношенню до корпусу.

Як матеріал іонопроніцаемой мембрани обраний твердий електроліт з іонною провідністю по лужному металу, а як робоче тіло обраний лужної метал, наприклад натрій, що знаходиться у відсіку з теплопідводу в рідкій фазі, а у відсіку з теплоотводом у вигляді парової фази в об'ємі відсіку і рідкої фази на його стінках. Рідкі фази в відсіках гідравлічно з'єднані капілярною структурою, а для перекачування рідкої фази відсіками використовуються сили поверхневого натягу.

Для зменшення кондуктивних теплових втрат між відсіками розташована вставка з великим тепловим опором, а для зменшення потоку теплового випромінювання використовуються перевідбивається екрани.

На кресленні наведена схема високотемпературного перетворювача теплової енергії в електричну, де: теплоподводящая частина корпусу; теплоизолирующая частина корпусу; тепловідвідними частина корпусу; нагрівається відсік; охолоджуваний відсік; іонопроводящая мембрана; кришка; гідравлічний колектор; зовнішній електрод; внутрішній електрод; токовивод; струмозйомники; ізолятор; електропровідне робоче тіло в рідкій фазі; капілярна структура; металева трубка; теплопереотражающіе екрани. Перетворювач містить герметичний корпус, що складається з трьох частин: теплоподводящей 1, теплоизолирующий 2, тепловідвідний 3. Внутрішній простір корпусу розділене на два відсіки - нагрівається 4 і охолоджується 5.

Перетворювач містить герметичний корпус, що складається з трьох частин: теплоподводящей 1, теплоизолирующий 2, тепловідвідний 3. Внутрішній простір корпусу розділене на два відсіки - нагрівається 4 і охолоджується 5.

Простір нагрівається відсіку 4 утворено теплоподводящей частиною корпусу 1, зовнішньою поверхнею іонопроводящей мембраною 6 із зовнішнім електродом 9, зовнішньою поверхнею кришки 7 і гідравлічним колектором 8. Простір охолоджуваного відсіку 5 утворено теплоізолюючих 2 і тепловідводної 3 частинами корпусу, капілярної структурою 15, паровим колектором 16 і внутрішніми поверхнями кришки 7 і іонопроводящей мембрани 6 з внутрішнім електродом 10. на обох сторонах іонопроводящей мембрани 6 розміщені проникні для робочого тіла електроди, зовнішній 9 і внутрішній 10, причому електрод на внутрішній поверхні мембрани 6 електрично з'єднаний з токовиводом 11 струмознімачами 12, а токовивод 11 електроізольований від корпусу ізолятором 13.

Електрод 9 на зовнішній поверхні іонопроводящей мембрани 6 електрично з'єднаний з корпусом електропровідним робочим тілом в рідкій фазі 14, повністю заповнює простір нагрівається відсіку 4. На внутрішній поверхні тепловідводної частини корпусу 3 розташовані капілярна структура 15, виконана, наприклад, у вигляді метало-повстяного шару, і парової колектор 16.

Очікуваний відсік 5 заповнений робочим тілом в паровій фазі в обсязі відсіку і в рідкій фазі в капілярної структурі 15. Рідка фаза робочого тіла в капілярної структурі 15 з'єднана гідравлічно з рідкою фазою 14 внагрівається відсіку 4 за допомогою металевої трубки 17 малого діаметра, вставленої в колектори 8 і 16.

На теплоізолюючих частини 2 розташовані теплопереотражающіе екрани 18, виконані у вигляді дисків з металевої фольги.

Електричне навантаження (не відображено) підключається до теплоподводящей частини корпусу 1 і токовиводу 11.

Перетворювач працює наступним чином. Тепло, що підводять до відсіку 4, нагріває заповнює його рідку фазу робочого тіла 14. Нагріте в відсіку 4 робоче тіло має великий хімічним потенціалом, ніж в охолоджуваному відсіку 5.

Різниці хімпотенціалов в відсіках 4 і 5 відповідає різниця концентрації атомів робочого тіла на поверхнях мембрани 6. Різниця концентрацій атомів робочого тіла викликає дифузійний потік робочого тіла через іонопроводящую мембрану 6, спрямований від зовнішнього електрода 9 до внутрішнього електрода 10. Оскільки провідність речовини через матеріал мембрани здійснюється іонами, то атоми робочого тіла з боку великого хімпотенціала віддають електрон в електрод 9 і потрапляють в іонопроводящую мембрану 6 у вигляді іона. Електрон, відданий атомом у зовнішній електрод 9, проходить через електропровідних рідку фазу робочого тіла 14, теплоподводящую частина корпусу 1, зовнішній ланцюг (не відображено) до токовиводу 11, струмознімачами 12 і внутрішньому електроду 10. Іон робочого тіла, який підійшов у процесі дифузії через іонопроводящую мембрану 6 до внутрішнього електрода 10, отримуючи електрон з електрода, нейтралізується і переходить в атомарний стан.

Корисна робота відбувається на етапі руху робочого тіла через матеріал іонопроводящей мембрани 6. Так як потік речовини через мембрану можливий тільки у вигляді іонів, то з умови збереження заряду, електронна компонента атомів робочого тіла проходить через зовнішню електричний ланцюг і робить роботу на навантаженні.

Оскільки електроди 9 і 10 проникні для атомів робочого тіла, то атоми можуть досягати поверхні іонопроводящей мембрани 6 з боку зовнішнього електрода 9 і йти з поверхні мембрани з боку внутрішнього електрода 10 в обсяг охолоджуваного відсіку 5.

В процесі дифузії в паровому обсязі охолоджуваного відсіку 5 атоми робочого тіла рухаються до тепловідводної частини корпусу 3 і, конденсуючись на поверхні капілярної структури 15, віддають тепло тепловідводної частини корпусу 3.

Непреобразованная в електричну енергію частина теплової потужності, що виділилася при конденсації, відводиться від стінок тепловідводної відсіку 3 за допомогою, наприклад, теплового випромінювання. Для зменшення кондуктивних теплових втрат відсіки 4 і 5 поділяються теплоізоляційним ділянкою 2. Для зменшення втрат у вигляді теплового випромінювання відсіки 4 і 5 відокремлені теплопереотражающімі екранами 18, який забезпечує можливість проходу парової фази робочого тіла від внутрішнього електрода 10 в охолоджуваний відсік 5.

Таким чином, прямий потік речовини, виробляючи корисну роботу в електричної навантаженні, проходить від електропровідного робочого тіла в рідкій фазі 14 внагрівається відсіку 4 через іонопроводящую мембрану 6 до капілярної структурі 15 на стінках охолоджуваного відсіку 5.

Зворотний потік речовини з низьким хімпотенціалом з охолоджуваного відсіку 5 в нагрівається 4 здійснюється в рідкій фазі через металеву трубку 17 і колектори 8 і 16. Рух рідкої фази робочого тіла з капілярної структури 15 через паровий колектор 16, металеву трубку 17 і гідравлічний колектор 8 в нагрівається відсік 4 здійснюється силами поверхневого натягу рідкої фази.

Підвищення хімпотенціала робочого тіла до вихідного рівня відбувається в процесі нагрівання його в нагрівається відсіку 4.

У наведеній конструкції в порівнянні з прототипом забезпечується підвищений ККД зважаючи на зменшення кондуктивних і випромінювальних теплових втрат.

Збільшення ресурсу і надійності забезпечується і відсутністю пристрої для зворотної подачі рідкої фази як окремого агрегату з власним обмеженим ресурсом і надійністю.

У даній конструкції робота пристрою для зворотної подачі рідкої фази, що складається з капілярної структури 15, колекторів 8 і 16 і металевої трубки 17 забезпечується силами поверхневого натягу. Відсутність в ньому рухомих частин збільшує ресурс і надійність.

Зменшення власного енергоспоживання пов'язано з принципом роботи пристрою зворотного подачі рідкої фази, що не вимагає зовнішнього джерела енергії і заснованому на явищі поверхневого натягу і нерозривності рідини.

Спрощення конструкції пов'язано з конструктивним виконанням пристрою зворотного подачі рідкої фази, яка не має рухомих частин і виконано так, що його елементи багатофункціональні і забезпечують не тільки транспортування рідкої фази, але і правильне функціонування всього перетворювача. А саме: капілярна структура 15 забезпечує конденсацію парів робочого тіла на тепловідводної частини корпусу 3, суцільність обсягу рідкої фази і подачу її до парового колектора 16, який забезпечує спільно з трубкою 17 гідравлічне з'єднання рідкої фази в відсіках 4 і 5, і спільно з гідравлічним колектором 8 рідина корпусу.

Електричні характеристики перетворювача визначаються температурою робочого тіла в нагрівається відсіку 4 і логарифмом відносини тисків парів робочого тіла між відсіками 4 і 5 за формулою

Тиск пару робочого тіла з боку нагрівається відсіку 4 визначається тиском насичених парів при температурі робочого тіла в нагрівається відсіку. Тиск пари з боку охолоджуваного відсіку визначається тиском насичених парів робочого тіла при мінімальній температурі на поверхні капілярної структури 15 охолоджувальної частини корпусу 3 і перепадом тиску, що виникає при перебігу пара від поверхні електрода 10 до поверхні капілярної структури 15. У описуваної конструкції на відміну від прототипу є теплопереотражающіе екрани 18, які збільшують перепад тиску між поверхнею мембрани з боку охолоджуваного відсіку 5 і поверхнею капілярної структури 15 і, отже, зменшує генерується ЕРС. Однак додатковий перепад тиску, що вноситься теплопереотражающімі екранами 18, становить менше 3% від тиску насичених парів робочого тіла при температурі охолоджувальної частини корпусу 3 і тому зменшення ЕРС і ККД складе менше 3%, в той час як теплопереотражающіе екрани дозволяють зменшити втрати у вигляді теплового випромінювання на ~ 10 ... 12%. Тому незважаючи на деяке мале (~ 3%) зменшення ЕРС дана конструкція дозволяє збільшити повний ККД пристрою на 7 ... 10% у порівнянні з прототипом.

Важливим моментом даного винаходу є те, що всі елементи технологічного процесу і вживані матеріали, необхідні для виготовлення пристрою, в даний час добре відпрацьовані і застосовуються в промисловості.

ЛІТЕРАТУРА

1. Materials Science Forum. Vol. 76 (1991), pp. 261 - 264. Copyright Trans Tech Publications, Switzerland. DEVELOPMENT OF AMTEC, A CONVERTER OF THERMAL TO ELECTRICAL ENERGY. V.Heinzel, F.Huber, W.Peppler and H.Hill. Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH, Inst. fur Reactorentwicklung. D 7500 Karlsruhe, FRG
2. Патент США N 4677038, H 01 M 14/00, 1982
3. Патент РФ N 2074460, H 01 M 14/00

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

Високотемпературний перетворювач теплової енергії в електричну, що містить герметичний корпус, що складається з двох частин: теплоподводящей, тепловідводної, що нагрівається і охолоджується сполучені між собою відсіки, іонопроводящую мембрану з електродами на зовнішній та внутрішній поверхнях, токовивод з ізолятором, причому один з відсіків забезпечений системою підведення тепла , а інший - системою відведення тепла, що відрізняється тим, що в нього введені гідравлічний і парової колектори, теплопереотражающіе екрани, а в корпусі виконана третя частина, теплоизолирующая, на внутрішній поверхні тепловідводної частини корпусу нанесена капілярна структура, повідомлена за допомогою трубопроводу з колекторами, що охолоджується відсік утворений внутрішньою стінкою тепловідводної частини корпусу, капілярної структурою, теплоізолюючих частиною корпусу, зовнішньої стінкою парового колектора, внутрішньою поверхнею іонопроводящей мембрани з внутрішнім електродом і внутрішньою поверхнею кришки, а нагрівається відсік утворений гідравлічним колектором, внутрішньою стінкою теплоподводящей частини корпусу, зовнішньою поверхнею іонопроводящей мембрани з зовнішнім електродом і зовнішньою поверхнею кришки, причому теплопереотражающіе перфоровані екрани встановлені на теплоізолюючих частини корпусу всередині охолоджується відсіку, токовивод проходить через охолоджуваний відсік і з'єднаний одним кінцем з струмознімачем і внутрішнім електродом іонопроводящей мембрани, а інший кінець ізольований по відношенню до корпусу.

Версія для друку
Дата публікації 31.10.2006гг

НОВІ СТАТТІ ТА ПУБЛІКАЦІЇ
	Технологія виготовлення універсальних муфт для бесварочного, безрезьбовиє, бесфлянцевого з'єднання відрізків труб в трубопроводах високого тиску (мається відео)
	Технологія очищення нафти і нафтопродуктів
	Про можливість переміщення замкнутої механічної системи за рахунок внутрішніх сил
	Світіння рідини в тонких діелектричних каналох
	Взаємозв'язок між квантової і класичної механікою
	Міліметрові хвилі в медицині. Новий погляд. ММВ терапія
	магнітний двигун
	Джерело тепла на базі нососних агрегатів