Запрошуємо розробників корисного устаткування до співпраці

Термоемісійні генератори

Явище термоелектронної емісії було відкрите Т. Едісоном 1883 р. Працюючи над створенням електричної лампи, Едісон розміщував у колбі дві нитки. Коли перегорала одна з них, він повертав лампу і вмикав іншу. Під час дослідів ламп виявилося, що певна кількість електрики переходить до холодної нитки, тобто електрони "випарюються" з гарячої нитки - катода - і рухаються до холодної нитки - анода - і далі в зовнішнє електричне коло. При цьому частина теплової енергії, що йде на нагрівання катода, переноситься електронами та віддається аноду, а частина енергії електронів виділяється в зовнішньому електричному колі під час протікання електричного струму.

В металі навіть при кімнатній температурі має місце значна кількість вільних електронів, що перебуваються у хаотичному тепловому русі. Швидкості вільних електронів у будь-який фіксований момент часу різні і змінюються внаслідок взаємодії

електронів між собою та з іонами кришталевої решітки металу. Всередині металу сили притягання електрона збалансовані позитивно зарядженими ядрами; безпосередньо для поверхні на електрони діють підсумкові сили притягання, для подолання яких і для виходу за межі металу електрон повинен мати достатню кінетичну енергію. При нагріванні металу швидкості електронів і їх кінетична енергія зростають, у результаті чого електрони отримують достатній запас кінетичної енергії, щоб подолати роботу виходу з металу.

При кімнатній температурі лише незначна кількість електронів металу має запас енергії, достатній для виходу з металу, тому в цих умовах емісія електронів практично є непомітною. Збільшити кілкість електронів, що покидають метал, можна шляхом надання електронам додаткової енергії або зменшення роботи виходу з металу.

Додаткова енергія Q надається електронам шляхом нагрівання катода. Якщо нагріти катод (рисунок 3.2.13) до температури Тк =1100 - 2500 К, то з поверхні металу катода почнуть вилітати електрони в напрямі анода, в результаті чого анод розігрівається за рахунок теплоти, що переноситься електронами. Якби температури катода й анода ТА були однаковими, то теплота ’’випарювання” електронів із катода точно дорівнювала б теплоті ’’конденсації” електронів на аноді і не було б перетворення теплоти на електричну енергію. Чим менша температура анода порівняно з температурою катода, тим більша частина теплової енергії перетворюється в електричну.

Рисунок 3 .2.13 - Схема дії термоемісійного перетворювача енергії:

1 - катод; 2 - анод; Q - нагрівальний елемент; R - навантаження

Найбільшу термоемісійну здатність має цезій, барій та ін., найменшу - вольфрам. Однак цезій легко випаровується, а вольфрам

131

добре переносить розігрів до 2700 К. Тому для ламп використовуються активовані катоди, які мають вольфрамову основу, покриту тонким (атомарним) шаром торію, барію або іншого металу з малою роботою виходу. В результаті при торієвому покритті робота виходу зменшується в 1,7 разу, при барієвому - в 3,1 разу.

У звичайній двоелектродній лампі потужність, що витрачається на нагрівання катода, приблизно дорівнює 10 Вт, а вихідна потужність, що знімається з анода, становить 1 мкВт. Таким чином, на нагрівання

витрачається потужність у 10 разів більша. ККД перетворювача має

мізерно малу величину - 10-5 %. Якби ККД був навіть у мільйон разів більший, то цей пристрій все одно неможливо було б застосовувати як перетворювач енергії для промислових цілей. Однак завдяки прогресу у розвитку термоемісійних перетворювачів значному вдалося довести ККД сучасних діодних перетворювачів енергії до 20 %.

У базовому виконанні практично всі види термоемісійних генераторів складаються з двох плоских (або коаксіальних) електродів, розділених невеликим вакуумним проміжком (0,1- 0,001 мм) із вимкненим в мережу опором навантаження.

Розрізняють вакуумні та газонаповнені термоемісійні генератори.

У вакуумних термоемісійних генераторах з малою міжелектродною відстанню (до 0,01 мм) забезпечується такий рівень

g у

розрядження (тиск близько 10 -10 мм рт. ст.), при якому рух

електронів відбувається практично без зштовхувань із залишеними молекулами газу, вакуум у даному разі не є теплопровідним середовищем.

Більш широке розповсюдження отримали газонаповнені термоемісійні генератори, в яких компенсація просторового заряду відбувається введенням позитивних іонів у міжелектродний простір, який генерується поверхневою або об’ємною іонізацією, для чого зазвичай використовується цезій.

При використанні додаткового третього електрода (рисунок 3.2.14) відбувається допоміжний розряд на катод, на який витрачається 10-20 % всієї потужності генератора. До переваг генератора належить відносно низька температура катода, що не перевищує 1500 К; ККД установки - до 10 %.

Рисунок 3 .2.14 - Газонаповнений триелектродний генератор

з об’ємною іонізацією:

1 - катод; 2 - анод; 3 - допоміжний електрод (екран); Q - нагрівальний елемент;

U - напруга між катодом та екраном; R - навантаження

Наступний тип газонаповненого термоемісійного генератора, що набув значного поширення, ґрунтується на використанні ефекту поверхневої іонізації нейтрального газу на катоді. При ударі таких атомів об поверхню гарячого металу вони віддають свої електрони, перетворюючись у позитивно заряджені іони. При цьому відбувається нейтралізація просторового заряду електронів, що знаходяться над поверхнею катода. Цезій, який заповняє міжелектродний простір і має низький потенціал іонізації (ср = 3?89В)? нейтралізує об’ємний

просторовий заряд електронів. Кількість іонів цезію та іонізованого

_2

газу при тиску 10 мм рт. ст є відносно невеликими. Вже достатньо, щоб електричне поле в міжелектродному просторі дорівнювало нулю. Чим вищий тиск парів цезію, тим більша емісія електронів із катода на анод. У цілому частково сконденсований на електродах цезій підвищує вихідну напругу елемента.

Ще одним розповсюдженим видом термоемісійних генераторів є генератор з об’ємною дуговою нейтралізацією. Під час роботи в ньому за визначених умов між електродами може виникнути довгочасна низьковольтна холодна дуга. Напругу такого елемента вдається підняти до 6 Вт (всі термоемісійні генератори є низьковольтними). З одиниці площі такого генератора можна отримати до 250 кВт потужності та підняти ККД установки до 17 % при температурах катода й анода відповідно 2000 К і 1000 К.

В енергетичних термоемісійних генераторах для нагрівання катода можна скористатися теплотою, що її отримують у результаті ядерної реакції. Схему ядерного термоемісійного перетворювача наведено на рисунку 3.2.15. ККД перших таких перетворювачів був на рівні 15 %, за прогнозами його можна довести до 40 %.

Рисунок 3 .2.15 - Ядерний термоемісійний перетворювач:

1 - захист; 2 - охолоджувач; 3 - анод; 4 - вакуум;

5 - катод; 6 - ядерне паливо Випускання електронів у термоемісійних генераторах спричиняється нагріванням катода. В процесі радіоактивного розпаду електрони (/?-промені) випускаються внаслідок природних властивостей елементів. Безпосередньо використовуючи цю властивість, можна здійснити пряме перетворення ядерної енергії в електричну (рисунок 3.2.16).

Рисунок 3 .2.16 - Схема пристрою прямого перетворення ядерної енергії в електричну:

1 -^-радіоактивний випромінювач; 2 - металева ампула;

З - металева посудина

Додати коментар

Реквізити Майстерні своєї справи

Адреса і телефони:

Україна, Кіровоградська обл., м. Олександрія, вул. Куколівське шосе 5/1А,
тел./факс +38 (05235) 7 41 13,
+380 (68) 408 39 56 — будівельне обладнання, шлакоблочні вібропреси
+380 (50) 984 5 684 — будівельне обладнання, шлакоблочні вібропреси
+380 (67) 561 22 71 — решта обладнання
ICQ: 491675177
e-mail: msd@inbox.ru

WordPress Video Lightbox