Моделирование рабочих процессов в термоэмиссионных преобразователях тепловой энергии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат физико-математических наук Касиков, Игорь Иванович

• Касиков, Игорь Иванович
• кандидат физико-математических наук
• 2002

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Касиков, Игорь Иванович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Предельные характеристики термоэмиссионного преобразователя.

1.1 Предельные ВАХ ТЭП.

1.2 Предельный к.п.д. термоэмиссионного преобразователя.

1.3 Барьерный индекс.

ГЛАВА 2. Кнудсеновский режим ТЭП.

2.1 Основные уравнения.

2.2. Использование вольтамперных характеристик для определения параметров кнудсеновского преобразователя.

2.2.1 Влияние величины межэлектродного зазора на конфигурацию областей различных кнудсеновских режимов.

2.2.2 Численное моделирование экспериментальных ВАХ.

ГЛАВА 3. Задача о дуговой температуре.

3.1 Энергетический баланс дугового ТЭП.

3.2 Температура электронов в дуговом режиме.

3.3 Вольтамперныехарактеристики дугового ТЭП.

ГЛАВА 4. Тепловой пробой керамической изоляции.

4.1 Основные закономерности теплового пробоя.

4.2 Влияние внешнего теплового потока и радиационного нагрева на электропрочность твердого диэлектрика.

4.3 Тепловой пробой вторично-эмиссионных атомных батарей.

4.4 Особенности электротеплового пробоя многослойной тонкой изоляции.

ГЛАВА 5. ТЭП в цепях переменного тока. Автоколебания.

5.1 Колебания тока в диффузионном диоде.

5.2 Преобразователи с Л'-образными характеристиками.

ГЛАВА 6. Выпрямление переменного тока.

6.1 Вольтамперные и нагрузочные характеристики.

6.1.1 Вольтамперная характеристика.

6.1.2 Нагрузочная характеристика.

6.2 Выпрямление переменного тока.

6.2.1 Выпрямление с помощью пассивного преобразователе.

6.2.2 Выпрямительвнутренним очником э.д

6.2.3 ТЭП-выпрямитель.

6.2.4 Оптимальная коммутация ТЭП-выпрямителей. i

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование рабочих процессов в термоэмиссионных преобразователях тепловой энергии»

Наиболее распространенный способ получения электроэнергии сводится к получению тепла, превращению тепловой энергии в механическую и превращению механической энергии в электрическую. Второй и третий этап осуществляются с помощью машин, имеющих подвижные части, подвергающиеся большим динамическим нагрузкам. Машины, преобразующие тепло в механическую энергию, работают при высоких температурах, величины которых определяются необходимыми прочностными характеристиками конструкционных материалов. Эти температуры значительно ниже температуры горения органических топлив и тем более они ниже возможной температуры ядерных реакций. Температурные ограничения заметно уменьшают используемую долю тепла, получаемого при сжигании топлива.

Существуют безмашинные способы непосредственного преобразования тепла в электроэнергию. Термоэмиссионный способ - один из них. Термоэмиссионный преобразователь (ТЭП) не имеет подвижных механических частей, детали его конструкции испытывают только статические нагрузки. Это обстоятельство позволяет поднять верхнюю температуру теплового цикла до 1500-2500 К. Применение высокотемпературных преобразователей в космических энергетических установках допускает повышение температуры холодильника-излучателя до ~1 ООО К, что способствует снижению его веса. В установках наземного применения использование ТЭП дает возможность повысить к.п.д., что является благоприятным экологическим фактором.

Действие термоэмиссионного преобразователя отличается принципиальной простотой. С горячего электрода - эмиттера - происходит испарение (эмиссия) электронов, которые конденсируются на холодном электроде - коллекторе. В результате этого процесса эмиттер заряжается положительно, а коллектор - отрицательно. Между ними возникает разность потенциалов, величина которой зависит от работы выхода электродов и пропорциональна разности температур.

Работы по созданию эффективного ТЭП интенсивно ведутся в течение последних сорока лет, и на их основе созданы опытные образцы космических энергоустановок [1]. Физические основы термоэмиссионного метода изложены в ряде монографий, например, в [2-6]. Дальнейшее совершенствование ТЭП связано не столько с инженерным улучшением конструкции, сколько с поисками н созданием электродных материалов, обладающих нужными эмиссионными характеристиками, и выбором оптимальных режимов работы [7]. Эти исследования сопровождаются большим объемом экспериментальных и расчетных работ физико-технического характера. Именно вследствие этого даже работы, выполненные несколько десятилетий назад, не утратили своей актуальности.

Актуальность темы. Лабораторные исследования и испытания ТЭП обычно проводятся в широких диапазонах электродных температур и давлений цезия. Соответственно наблюдаются различные режимы работы преобразователя: вакуумный, кнудсе-новский, диффузионный и дуговой. Диссертантом с различной степенью полноты и глубины проведены работы по описанию основных закономерностей этих режимов. Главное внимание уделено выявлению физических механизмов, определяющих качественные особенности явлений, связанных с прохождением тока через преобразователь. Вопросы теплообмена между электродами обычно не рассматривались.

При современном уровне технологии трудно создать сильноточный генератор электроэнергии на основе вакуумного ТЭП. Однако вакуумные режимы являются необходимым этапом работ в лабораторных исследованиях. При оптимальных работах выхода электродов вакуумный ТЭП - это идеальный преобразователь, и его характеристики могут рассматриваться как предельные для других режимов преобразования.

Бесстолкновительный плазменный (кнудсеновский) режим имеет благоприятную перспективу энергетического использования. В лабораторной практике он может быть использован для определения внутренних параметров преобразователя в условиях, близких к рабочим.

Режим с поверхностной ионизацией (диффузионный) представляет практический интерес при высоких температурах эмиттера (S;2000 К). Этот режим может использоваться для определения внутренних параметров и средних сечений рассеяния электронов на атомах.

Дуговой режим - основной режим работы термоэмиссионных преобразователей. Он используется также для оценки внутренних параметров ТЭП.

Электрическая изоляция - неотъемлемый элемент всех электрогенераторов В ТЭП изоляция имеет высокую температуру и может подвергаться радиационному воздействию. В этих условиях ее электрическая прочность определяется электротепловыми процессами. Техническое совершенство ТЭП в значительной степени лимитируется качеством изоляции.

Большой практический интерес представляет возможность генерации с помощью ТЭП переменного тока, а также его выпрямление.

Цели и задачи работы.

1. Конечной целью разработки и анализа математических моделей являлось создание простых физических моделей, позволяющих качественно объяснять особенности различных режимов работы преобразователей, интерпретировать экспериментальные данные, производить численные оценки и выполнять основные технические расчеты.

2. Оценка влияния различных факторов, понижающих электрическую прочность электроизоляции, работающей в активной зоне ядерного реактора. Получение формул для пробивных напряжений.

3. Рассмотрение некоторых нестационарных режимов работы ТЭП. Выяснение механизма возникновения спонтанных колебаний в диффузионных режимах. Оценка возможности использования ТЭП в качестве генератора переменного тока и в качестве выпрямителя.

Таким образом, актуальность настоящей диссертационной работы определяется, в основном, объектом исследования - термоэмиссионным преобразователем тепловой энергии в электрическую, работы по созданию которого ведутся в соответствии с постановлением правительства РФ «О концепции развития космической ядерной энергетики в России» [8].

Научная новизна и значимость работы.

1. Впервые установлена независимость температуры электронов в дуговом разряде ТЭП от тока и ее слабая зависимость от величины зазора. Эти особенности имеют экспериментальное подтверждение. На основе задачи о дуговой температуре разработана модель для построения вольтамперных характеристик (ВАХ). Задача о дуговой температуре воспроизводилась в различных монографиях [3-5, 9).

2. Установлено, что для любой точки плоскости (j, v) существует предельная максимальная величина электронного к.п.д. Получена формула для ее вычисления.

3. Получены формулы для расчета величины напряжения теплового пробоя электроизоляции, работающей в условиях внешнего поверхностного и объемного нагрева. Выявлены особенности пробоя многослойных изоляционных структур. Найдено напряжение пробоя многослойных атомных батарей.

4. Вскрыт физический механизм диффузионной неустойчивости ТЭП. На его основе разработан алгоритм решения задачи о нелинейных колебаниях в преобразователе. Показана возможность генерации переменного тока в преобразователе, имеющем Л'-об-разные характеристики. Рассмотрена работа ТЭП в качестве выпрямителя. Найдены условия повышения мощности выпрямляемого тока за счет генерации электроэнергии в ТЭП-выпрямителе.

Защищаемые результаты. На защиту выносятся следующие основные результаты диссертационной работы:

1. Разработана математическая модель дугового режима ТЭП и проведено ее аналитическое исследование. Впервые обнаружена независимость температуры электронов от величины тока. Получено выражение для вольтамперной характеристики разряда.

2. Алгоритм численного решения задачи о нелинейных колебаниях тока в диффузионном режиме ТЭП. Показано, что цикл установившихся колебаний состоит из участка нарастания возмущений и участка релаксации возмущений.

3. Модель для качественного анализа особенностей теплового пробоя многослойных металлокерамических структур. Выработана рекомендация: для повышения электрической прочности тонкой многослойной изоляции отдельные ее слои целесообразно шунтировать. Получена формула для пробивного напряжения многослойной толстой изоляции.

4. Алгоритм и результаты математической обработки вольтамперных характеристик кнудсеновских режимов ТЭП для определения внутренних параметров преобразователя энергии.

5. Результаты математического моделирования вакуумного режима ТЭП. Найдены выражения для предельного электронного к.п.д. и барьерного индекса

Личный вклад автора. Приведенные в диссертации результаты исследований являются итогом работы автора, начиная с 1963 года и по настоящее время. Основные работы выполнены самостоятельно или с одним-двумя соавторами.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих отечественных и международных конференциях.

1. XI конференция по физическим основам катодной электроники (Киев -1963 г.).

2. Всесоюзные конференции по прямому преобразованию энергии (Алма-Ата -1971 г., Обнинск - 1984 г.).

3. Международная конференция ООН по исследованию атомной энергии в мирных целях (Женева - 1964 г.).

4. Международная конференция по термоэмиссионному преобразованию энергии (Stresa - 1968 г.).

По материалам диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 5 статей в рецензируемых журналах.

Основное содержание работы. Диссертация содержит Введение, Заключение и

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Касиков, Игорь Иванович

заключение

При проведении исследований автор стремился максимально упростить задачу, чтобы получить простые аналитические решения, имеющие ясный физический смысл, и отражающие, по крайней мере качественно, основные особенности изучаемых явлений.

По материалам исследований, отраженных в настоящей диссертации, можно сформулировать следующие основные результаты и выводы.

1. На основе математической модели вакуумного диодного ТЭП получены выражения для предельного барьерного индекса и предельного электронного к.п.д. Показано, что на плоскости отображения вольтамперных характеристик, независимо от их конкретного вида, можно заранее нанести сетку постоянных значений предельного электронного к.п.д. При этом предельный к.п.д. зависит только от двух безразмерных координат - от безразмерного тока и безразмерного напряжения: r, = r,(//rj, eV/TE).

Отмечено, что величина барьерного индекса определяется не только работой выхода коллектора, но и коэффициентом отражения электронов от плазмы и от электродов.

2. Произведена математическая обработка серии экспериментальных характеристик. Установлено, что ВАХ кнудсеновских режимов ТЭП при плотностях тока меньше 10 А/см2 можно использовать для расчета работы выхода электродов. Это в сочетании с другими методами повышает надежность определения эмиссионных характеристик электродов. Рассчитанные работы выхода эмиттеров имеют разумную температурную зависимость.

3. Показано, что в развитом дуговом режиме, когда можно пренебречь поверхностной ионизацией по сравнению с объемной, средняя температура электронов является собственным значением краевой диффузионной задачи и не зависит от величины тока. Особенность этой задачи в том, что формально она не является однородной. Полученные результаты объясняют экспериментальный факт: в дуговом режиме температура электронов в области максимальной объемной ионизации слабо зависит от тока и давления паров цезия.

4. Разработана математическая модель для описания электротеплового пробоя в многослойных керамических изоляционных структурах, таких как коллекторная изоляция или многослойные атомные батареи, в которых слои находятся в тепловом контакте друг с другом.

Найдено, что

- избыточное тепловыделение в одном из слоёв изоляции приводит к перегреву и пробою всей многослойной композиции;

- в некоторых случаях для повышения электропрочности необходимо выравнивать тепловыделение в различных слоях, производя их шунтирование;

- в многослойных атомных батареях даже при параллельном соединении диодных слоев, т.е. при небольшом напряжении на клеммах батареи, пробивающее напряжение равно сумме напряжений на всех слоях;

- внешние тепловые воздействия на изоляцию, такие как внешний тепловой поток или объемный нагрев от внешних источников тепла, экспоненциально снижают величину пробивного напряжения.

5. В разделах о нестационарных процессах в ТЭП (гл. 5, 6) рассмотрены вопросы о возникновении колебаний тока в диффузионных режимах, о генерации и выпрямлении переменного тока.

Выявлен физический механизм диффузионной неустойчивости ТЭП, и на его основе предложен алгоритм численного решения задачи о нелинейных колебаниях электронного тока. Форма установившихся нелинейных колебаний имеет ясное физическое объяснение.

На примере цезиевого ТЭП с молибденовым эмиттером показано, что граница диффузионной неустойчивости практически совпадает с границей возникновения развитого дугового режима.

Показано, что оптимальные условия генерации переменного тока с помощью ТЭП, имеющего 5-образные характеристики, могут быть достигнуты подбором сопротивления внешней цепи и (или) подключением вспомогательного ТЭП с «нормальной» характеристикой.

При использовании преобразователя в качестве выпрямителя для случая идеального сглаживания найдены условия, при которых к.п.д. выпрямления больше единицы, т.е. условия, когда ТЭП в процессе выпрямления генерирует дополнительную мощность. Показано, что эти условия можно реализовать в модуле, состоящем из одинаковых ТЭП, имеющих последовательно-параллельные связи.

26. Миронов B.C., Сидельников В.Н. Предельные выходные характеристики ТЭП // Тез. докл. отраслевой юбилейной конференции «Ядерная энергетика в космосе», Обнинск, 15-19 мая 1990 г.-Обнинск, 1990.-С.90

27. Коноплев А.А., Юдицкий В.Д., Путина Л.И. Эмпирический метод расчета вольтамперных характеристик разрядного режима ТЭП // ЖТФ.-1975.-Т.65 -В.2.-С.314-320

28. Кайбышев В.З. Феноменологическая модель низковольтного разряда в цезии // Препринт ИАЭ им. Курчатова.-ИАЭ-4639/7/ЦНИИ-атоминформ, 1998

29. Стаханов И.П, Гуськов Ю.К., Пащенко В.П., Лебедев М.А. Доклад на международной конференции по термоэмиссионному преобразованию.-Лондон, 1965

30. Дюжев Г.А., Марциновский A.M., Пикус Г.Е., Циркель Б.И. // ЖТФ.-1965-Т.35.-С.2054

31. Rasor N.S. Доклад на I международной конференции по термоэмиссионному преобразованию.-Лондон, 1965

32. Дюжев Г.А., Марциновский A.M., Пикус Г.Е., Юрьев В.Г. // ЖТФ.-1966-Т.36.-С.679

Дюжев Г.А., Бакшт Ф.Г., Марциновский A.M., Пикус Г.Е., Юрьев В.Г. // ЖТФ.-1966.-Т.36.-С.1685

33. Дюжев Г.А. Диссертация. Ленинград, 1966

34. Гуськов Ю.К., Лебедев М.А., Стаханов И.П. Низковольтная дуга в парах цезия // ЖТФ.-1964.-Т.34-С.1451-1461

35. Бакшт Ф.Г., Мойжес Б.Я., Немчинский В.А // ЖТФ.-1966.-Т.36.-С.324

36. Стаханов И.П., Касиков И.И. К расчету вольтамперных характеристик ТЭП в дуговом режиме: Отчет ФЭИ.-ФМ №166.-1964

37. Стаханов И.П., Касиков И.И. К расчету вольтамперных характеристик ТЭП в дуговом режиме: Препринт ФЭИ.-ФЭИ-17.-1965

38. Стаханов И.П., Касиков И.И. О вольтамперных характеристиках низковольтного дугового разряда: Препринт ФЭИ.-ФЭИ-65.-1967

Стаханов И.П., Касиков И.И. О вольтамперных характеристиках низковольтного дугового разряда//ЖТФ.-1969.-Т.39.-С. 1496-1505

39. Stakhanov I.P., Kasikov I.I. On low-voltage arc in cesium vapor // Proc. 2nd International Conference on Thermionic Electrical Power Generation.-Stresa, 1968.-P.945

40. Сканава Г.И. Физика диэлектриков. Область сильных полей.-М.; Л.: Наука, 1958

41. Борисова М.Э., Койков С.Н. Физика диэлектриков.-Л.: Изд. Лен. универ., 1979

42. Костюков Н.С., Харитонов Ф.Я., Антонова Н.П. Радиационная и коррозионная стойкость электрокерамики.-М.: Атомиздат, 1973

43. Ануфриенко В.Б., Засорин И.П., Ковалев В.П., Исаев В.А. Авт. Свид. СССР № 1019964, 1981

44. Болебанов В.М., Моисеев С.С., Карась В.И. и др. Вторично-эмиссионный радиоизотопный источник тепла// Атомная энергия.-1998.-Т.84.-вып.5.-С.398-403

45. Болебанов В.М., Карась В.И., Карась И.В. и др. Неравновесные стационарные распределения электронов с потоком по спектру в твердотельной плазме и их использование // Физика плазмы.-1998.-Т.24.-вып.9.-С.789-807

46. Демиденко JI.M., Полонский Ю.А. Электропроводность огнеупорных материа-лов.-М.: Металлургия, 1985

47. Fok R., Gust W. Bull. Amer. Phys. Soc. Ser.II.-1960.-v.5.-№l.-P.80

48. Gottlieb H.L., Zollweg R.J. Bull Amer. Phys. Soc.-1960.-v.5.-№5.-P.383

49. Garvin H.L., Tenston W.B. // J. Appl. Phys.-1960.-v.31.-№8.-P.1508

50. Моргулис Н.Д., Левицкий C.M., Грошев И.Н. // РиЭ.-1962.-Т.7

51. Zollneg R.J., Gottlieb М.В. //J. Appl. Phys.~1961.-v.32.-№5.-P.890

52. Jonson F.M. // RCA Rev.-1961-v.22-№1.-P.21

53. Rocard J.M., Panton G.W. // J. Appl. Phys.-1961.-v.32-№6.-P.l 171

54. Левицкий С.М.б Грошев И.Н. // РиЭ.-1963.-Т.8.-№4.-С.612-616

55. Караханов В .Я., Кучеров Р.Я., Татишвили Д.Г. // ЖТФ.-1964 Караханов В.Я., Татишвили Д.Г. // РиЭ.-1964.-№9.-С. 138

56. Chivian J.S. // J. Appl. Phys.-1964.-v.35 - №2.-Р.302

57. Gutler W.H. // J. Appl. Phys.-1964.-v.35,- №2.-P.464

58. Гвердцители И.Г. и др. //ЖТФ.-1972.-Т.42.-№1.-С.103-110

59. Бабанин В.И. и др. //ЖТФ.-1982.-Т.52.-№7.-С. 1304-1312

60. Gutler W.H., Burger P.J. // J. Appl. Phys.-1966.-№7.-P.2867

61. Жеребцов В.А., Стаханов И.П. //ЖТФ.-1970.-Т.40.-С.1729

62.Касиков И.И. О колебаниях тока в диффузионном диоде // ЖТФ-1975.-Т.45-в.11.-С. 23 30-23 36

63.Жеребцов В.А., Касиков И.И. Некоторые особенности плазменных диодов сферической и цилиндрической геометрий //ЖТФ.-1983.-Т.53.-в.9.-С.1727-1729

64.Болотов П.М., Жеребцов В.А., Касиков И.И. и др. Комплексные исследования параметров термоэмиссионных космических ЯЭУ с вынесенным из активной зоны генератором. Генерация переменного тока: Препринт / Минатом: ЦНИИ управл., эконом, и информацни.-ФЭИ-0271.-М„ 1995

65. Касиков И.И., Шутько JI.B. Генерация переменного тока на основе ТЭП с ^-образнойВАХ: ОтчетФЭИ, 1988-инв. №7530

66. Авторское свидетельство № 290388 от 01.04.88

67. Марциновский А.М. Заявка на изобретение. Номер международной заявки PCT/Ru95/00122 (08.06.84)

• 68. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики.-М.: Наука, 1966

69. Бондаренко И.И. . , Гуськов Ю.К. ., Касиков И.И. и др. Теоретические и экспериментальные исследования, связанные с разработкой термоэмиссионных реакторов-преобразователей: Третья международная конференция Организации Объединенных Наций по использованию атомной энергии в мирных целях // A/CONF.28/P/317.-USSR.-May 1964

70. Amodt R.L. et al // J. Appl. Phys.-1963.-v.33.-P.2080

71. Квасников Л.А., Кайбышев B.3., Каландаришвили А.Г. Рабочие процессы в термоэмиссионных преобразователях ядерных энергетических установок.-М.: Изд. МАИ, 2001

72. Касиков И.И. Электрическая прочность вторично-эмиссионных атомных батарей// Атомная энергия-2001.-т. 91.-вып. 3-е. 180-183

73. Касиков И.И., Ярыгин В.И. Особенности электротеплового пробоя многослойной изоляции // Атомная энергия.-2003 (в печати)

74. Брюзгин A.M., Касиков И.И., Чередниченко Ю.Г. Экспериментально-теоретические исследования электрофизических характеристик АЬОз: Отчет ФЭИ, 1991.-инв.№ 7988

75. Сидельников В.Н., Виноградов Е.Г., Касиков И.И. и др. Расчетно-теоретические исследования явлений и процессов, увеличивающих эффективность ТЭП: Отчет ФЭИ, 1998.-инв.№ 9809 ' *76. Миронов B.C., Агафонов В.Р. и др. Экспериментальные исследования эмиссионных характеристик электродов и выходных электрических характеристик высокоэффективных низкотемпературных термоэмиссионных преобразователей с электродной Pt - V парой материалов: Отчет ФЭИ, 2000-инв.№ 10608

77. Миронов B.C., Агафонов В.Р., Виноградов Е.Г., Касиков И.И. и др. Экспериментальные исследования процессов формирования эффективных систем на электродах ТЭП и ресурсного поведения характеристик термоэмиссионных преобразователей с эффективной платино-ванадиевой парой материалов: Отчет ФЭИ, 2001.-инв.№ 10879 го:

- оъ