Патент на изобретение №2398307

(54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ И ТЕРМОЭМИССИОННЫЙ ГЕНЕРАТОР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Заявляемое изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую посредством термоэлектронной эмиссии, в частности к получению электрической энергии за счет тепла газов, образующихся при сжигании углеводородного топлива, и может быть использовано на тепловых электростанциях для снабжения электроэнергией и теплом отдельных зданий промышленной и индивидуальной застройки, в металлургии, транспорте и других отраслях промышленности. Способ преобразования тепловой энергии в электрическую осуществляется в термоэмиссионном генераторе, внутри корпуса которого расположены канал первого назначения и один или несколько с размещенными в них термоэмиссионными элементами каналов второго назначения, каждый из которых отделен от канала первого назначения посредством стенки с отверстиями, выполненными, по меньшей мере, на ее части с возможностью инжекции теплоносителя из канала первого назначения в соответствующий канал второго назначения и поддержания температуры теплоносителя вдоль указанной части стенки в этом канале второго назначения, по существу, постоянной, не меньшей температуры тепловой эмиссии электронов. Для преобразования тепловой энергии в электрическую направляют поток теплоносителя в канал первого назначения, откуда теплоноситель через отверстия инжектируют в каналы второго назначения, где нагревают термоэмиссионные элементы движущимся теплоносителем, по меньшей мере, до температуры тепловой эмиссии электронов. Изобретение направлено на упрощение конструкции, уменьшение габаритов и снижение материалоемкости термоэмиссионного генератора. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

Заявляемое изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую посредством термоэлектронной эмиссии, в частности к получению электрической энергии за счет тепла газов, образующихся при сжигании углеводородного топлива, и может быть использовано на тепловых электростанциях для снабжения электроэнергией и теплом отдельных зданий промышленной и индивидуальной застройки, в металлургии, транспорте и других отраслях промышленности.

Известен способ преобразования тепловой энергии в электрическую, заключающийся в передаче тепла движущегося теплоносителя термоэмиссионным элементам, размещенным в корпусе генератора, при этом катоды термоэмиссионных элементов нагревают, по меньшей мере, до температуры тепловой эмиссии электронов, а аноды термоэмиссионных элементов охлаждают. В известном способе теплопередачу осуществляют через стенки канала от нагретого движущегося вдоль по каналу теплоносителя и от этого же теплоносителя, поступающего с выхода канала и движущегося в обратном направлении, при этом термоэмиссионные элементы размещают кольцевыми рядами, составленными из отдельных сегментов перпендикулярно стенкам кожуха, охватывающего канал с нагретым теплоносителем, пространство между стенками канала и кожуха разделяют посредством перегородок на отдельные секции с образованием промежутков между кольцевыми рядами и проемов между сегментами для обеспечения возможности движения потока по винтовой траектории, сегменты термоэмиссионных элементов размещают таким образом, что каждый промежуток образован либо анодами, либо катодами термоэмиссионных элементов, при этом поток теплоносителя пропускают через первый промежуток, образованный катодами термоэмиссионных элементов, поток, перемещающийся по окружности с нагревом катодов в этом промежутке и охлаждением при переходе через проем между сегментами второго кольцевого ряда направляют в следующий промежуток, образованный анодами термоэмиссионных элементов, в котором поток теплоносителя используют в качестве охлаждающего агента для анодов и из которого поток подают в пространство между каналом и кожухом, размещенное под вторым и третьим промежутками, для подогрева потока через стенку канала за счет отбора тепла от потока, движущегося по каналу, затем поток направляют в третий промежуток, образованный катодами, и рабочий цикл повторяют до снижения температуры отработанного потока ниже температуры тепловой эмиссии электронов (международная заявка WO 2005/106919, H01J 45/00, опубл. 10.11.2005).

Из этого же источника известен термоэмиссионный генератор, состоящий из корпуса цилиндрической формы, внутри которого вдоль его продольной оси расположен канал (топка), окруженный кожухом, при этом корпус выполнен с возможностью подачи (ввода) потока теплоносителя на вход указанного канала и вывода потока теплоносителя из корпуса. Помимо этого между кожухом и внутренним слоем теплоизоляции корпуса установлены термоэмиссионные элементы, выполненные в виде отдельных сегментов, образующих ряды колец с промежутками для прохождения потока теплоносителя, передачи тепла катодам термоэмиссионных элементов и охлаждения анодов этих элементов, а в кольцах из сегментов образованы проемы для обеспечения возможности движения потока теплоносителя по винтообразной траектории. При этом выход канала (топки) соединен проходом с первым от конца канала проемом, образованным термоэмиссионными элементами.

В вышеописанном известном способе реализуется достаточно сложная траектория перемещения теплоносителя, для организации которой в известном термоэмиссионном генераторе используются вышеупомянутые перегородки и кожух, а также имеющие сложную сегментообразную форму термоэмиссионные элементы. Вследствие этого известный генератор характеризуется повышенной материалоемкостью и сложностью конструкции. Кроме того, пространство между кожухом и каналом не содержит термоэмиссионных элементов и используется исключительно для организации участков вдоль указанной траектории, на которых остывший теплоноситель за счет тепла, поступающего через стенку канала (топки), восстанавливает свою температуру до температуры тепловой эмиссии электронов катодов термоэмиссионных элементов. Как следствие, указанное пространство увеличивает габариты термоэмиссионного генератора.

В настоящем изобретении реализуется другая траектория перемещения теплоносителя в термоэмиссионном генераторе. Достигаемый при этом технический результат заключается в упрощении конструкции, уменьшении габаритов и снижении материалоемкости термоэмиссионного генератора.

Указанный технический результат достигается в способе преобразования тепловой энергии в электрическую, заключающемся в том, что для преобразования используют термоэмиссионный генератор, при этом размещенные в корпусе генератора термоэмиссионные элементы нагревают движущимся теплоносителем, по меньшей мере, до температуры тепловой эмиссии электронов (также именуемой термоэлектронной эмиссией). При этом заявляемый способ отличается от вышеописанного известного способа тем, что поток теплоносителя пропускают по имеющимся внутри корпуса каналу первого назначения и одному или нескольким с размещенными в них термоэмиссионными элементами каналам второго назначения, причем каждый из каналов второго назначения отделен от канала первого назначения посредством стенки с отверстиями, при этом поток теплоносителя сначала направляют в канал первого назначения, а затем через указанные отверстия инжектируют в каналы второго назначения, причем отверстия в каждой стенке выполнены, по меньшей мере, на ее части с возможностью поддержания температуры теплоносителя вдоль этой части стенки в соответствующем канале второго назначения, по существу, постоянной, не меньшей температуры тепловой эмиссии электронов.

Таким образом, в заявляемом способе при движении теплоносителя вдоль каналов второго назначения передают тепловую энергию теплоносителя термоэмиссионным элементам, что вызывает охлаждение теплоносителя вблизи поверхности термоэмиссионных элементов, и одновременно с этим инжектируют более горячий теплоноситель из канала первого назначения в каналы второго назначения через вышеупомянутые отверстия для восстановления требуемой рабочей температуры теплоносителя в этих каналах. Поскольку восстановление рабочей температуры теплоносителя в каналах второго назначения осуществляется преимущественно вблизи указанных отверстий, то достичь равенства температуры теплоносителя по всей длине каналов второго назначения, строго говоря, невозможно. Поэтому в заявляемом способе температуру теплоносителя вдоль каналов второго назначения поддерживают, по существу, постоянной, т.е. находящейся в определенном относительно узком интервале значений. Примерные численные значения границ указанного интервала приводятся в описании осуществления заявляемого способа.

Вышеуказанный технический результат достигается также в термоэмиссионном генераторе, содержащем корпус с размещенными внутри него термоэмиссионными элементами, при этом внутри корпуса для прохождения потока теплоносителя расположены канал первого назначения и один или несколько каналов второго назначения, кроме того, термоэмиссионный генератор выполнен с возможностью ввода потока теплоносителя в канал первого назначения и вывода потока теплоносителя из каналов второго назначения, при этом каждый из каналов второго назначения отделен от канала первого назначения посредством стенки с отверстиями, причем отверстия в каждой стенке выполнены, по меньшей мере, на ее части с возможностью инжекции теплоносителя из канала первого назначения в соответствующий канал второго назначения и поддержания температуры теплоносителя вдоль указанной части стенки в этом канале второго назначения, по существу, постоянной, не меньшей температуры тепловой эмиссии электронов, а термоэмиссионные элементы размещены в каждом канале второго назначения вдоль него с возможностью передачи им тепла от потока теплоносителя при его прохождении по этому каналу второго назначения.

Для поддержания отмеченного в заявляемых способе и термоэмиссионном генераторе постоянства температуры теплоносителя вдоль каналов второго назначения вышеуказанные отверстия в каждой стенке могут быть выполнены с уменьшением шага и/или увеличением площади отверстий вдоль этой стенки в направлении от входа в канал первого назначения.

Благодаря новой траектории перемещения теплоносителя, реализуемой в заявляемых способе и термоэмиссионном генераторе, для поддержания заданной рабочей температуры теплоносителя вблизи термоэмиссионных элементов не требуется использование перегородок и кожуха, свойственных вышеописанным известным способу и термоэмиссионному генератору, при этом освобождается пространство, занимаемое этим кожухом, что приводит к уменьшению габаритов и снижению материалоемкости термоэмиссионного генератора, а также к упрощению его конструкции. Кроме того, как показано ниже, в заявляемом термоэмиссионном генераторе могут использоваться термоэмиссионные элементы в виде плоских прямоугольных ширм, что также упрощает конструкцию термоэмиссионного генератора.

Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1, 3, 5 изображены продольные разрезы различных вариантов конструктивного исполнения термоэмиссионного генератора по настоящему изобретению, на фиг.2 – сечение А-А варианта генератора по фиг.1, на фиг.4 – сечение Б-Б варианта генератора по фиг.3, на фиг.6 – сечение В-В варианта генератора по фиг.5. На фиг.7 показан график распределения температуры теплоносителя в термоэмиссионном генераторе для варианта, изображенного на фиг.3.

В качестве теплоносителя в заявляемом изобретении могут использоваться различные виды нагретого газа (дыма), в частности, газы, образующиеся при сгорании органического топлива: выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания, дымовые топочные газы печей, тепловых и паровых котлов и т.д.

Для преобразования тепловой энергии в электрическую в способе по настоящему изобретению используют термоэмиссионный генератор, в корпусе которого размещены термоэмиссионные элементы. Форма корпуса для реализации заявляемого способа несущественна. Также внутри корпуса имеются канал первого назначения и один или несколько каналов второго назначения, причем каждый из каналов второго назначения отделен от канала первого назначения посредством стенки с отверстиями, а термоэмиссионные элементы размещены в каналах второго назначения вдоль них. В предпочтительной реализации заявляемого способа все каналы имеют прямоугольную форму и расположены параллельно друг другу, тем не менее форма и взаимное расположение каналов не являются принципиальными. Например, возможна реализация способа, в которой используется по одному каналу первого и второго назначения, при этом оба канала имеют цилиндрическую форму, причем канал первого назначения имеет меньший диаметр и размещен внутри канала второго назначения, соосно с ним. Возможна и такая реализация способа, в которой используется канал первого назначения цилиндрической формы, при этом один или несколько каналов второго назначения расположены таким образом, что они охватывают (обвивают) канал первого назначения по спирали.

Количество используемых в заявляемом способе каналов второго назначения не является принципиальным, поскольку, как видно из описания осуществления заявляемого способа, физический процесс преобразования тепловой энергии теплоносителя в электрическую протекает в каждом канале второго назначения практически независимо от других каналов второго назначения.

В заявляемом способе могут использоваться известные термоэмиссионные элементы (также именуемые термоэмиссионными преобразователями), например, описанные в патенте RU 2334303 (H01J 45/00, опубл. 20.09.2008).

В заявляемом способе поток теплоносителя сначала направляют в канал первого назначения. При этом возможны два варианта ввода теплоносителя в указанный канал. В первом варианте теплоноситель подается в используемый термоэмиссионный генератор из внешнего источника через соответствующее отверстие в корпусе генератора на вход канала первого назначения. При этом в качестве внешнего источника теплоносителя может использоваться, например, двигатель внутреннего сгорания или тепловой котел. Во втором варианте теплоноситель образуется в самом генераторе путем сжигания газообразного или жидкого органического топлива с помощью горелки соответствующего типа, присоединенной непосредственно к входу канала первого назначения. При этом на вход этой горелки подаются топливо и дутьевой воздух в необходимом соотношении, а на ее выходе (т.е. уже в самом канале первого назначения) образуется теплоноситель (дымовые газы).

Теплоноситель, тем или иным образом введенный в канал первого назначения, по мере распространения по этому каналу инжектируется в каналы второго назначения через отверстия в стенках, отделяющих эти каналы от канала первого назначения. Соответственно поток теплоносителя в каждом из каналов второго назначения формируется той частью общего потока теплоносителя в канале первого назначения, которая инжектирована в этот канал второго назначения через всю совокупность отверстий в стенке, отделяющей его от канала первого назначения. После инжекции теплоноситель перемещается по каналам второго назначения и соответственно вдоль расположенных в этих каналах термоэмиссионных элементов, которые при этом нагреваются. При нагреве элементов до температуры тепловой эмиссии электронов (термоэлектронной эмиссии) на коммутационных выводах этих элементов, в соответствии с известным принципом действия термоэмиссионных элементов, появляется ненулевое напряжение, что свидетельствует о наличии пригодной для использования электрической энергии. Соответственно при подключении к этим выводам внешней электрической нагрузки через нее будет протекать электрический ток.

Отработанный теплоноситель, отдавший часть своей тепловой энергии термоэмиссионным элементам, выводится из каналов второго назначения через соответствующее отверстие в корпусе используемого термоэмиссионного генератора.

В начальной части канала первого назначения теплоноситель имеет наиболее высокую температуру. Так, например, при образовании теплоносителя путем сжигания природного газа в газовой горелке, подсоединенной к входу канала первого назначения, температура теплоносителя (в данном примере – дымовых газов) в зоне горения достигает 1700°C. Через стенки этого канала тепло передается в каналы второго назначения, поэтому по мере продвижения теплоносителя по каналу первого назначения температура теплоносителя понижается, достигая к концу канала величины порядка 900°C. Одновременно с этим по мере продвижения теплоносителя по каналу первого назначения, как было указано выше, теплоноситель через отверстия инжектируется в каналы второго назначения, входит в соприкосновение с размещенными в них термоэмиссионными элементами и отдает последним часть своей тепловой энергии, дополнительно остывая при этом. Однако, как указано в заявке WO 2005/106919, для условий преобразования тепловой энергии в электрическую (то есть достижения необходимой интенсивности термоэлектронной эмиссии) и надежности работы на высоких температурах материалов, из которых изготавливаются термоэмиссионные элементы, целесообразно обеспечить значение температуры теплоносителя вдоль каналов второго назначения в относительно узком диапазоне 700-900°C. В заявляемом способе это достигается тем, что по мере продвижения в каждом канале второго назначения вдоль вышеуказанных отверстий теплоноситель, контактируя с термоэмиссионными элементами в этом канале, в промежутке между двумя соседними отверстиями остывает до нижней границы указанного диапазона, а затем восстанавливает свою температуру до верхней границы этого диапазона за счет смешения с более горячим теплоносителем, инжектируемым в этот канал через очередное отверстие. При этом для компенсации снижения температуры инжектируемого теплоносителя вдоль канала первого назначения увеличивается удельная (то есть приходящаяся на единицу длины канала первого назначения) доля потока теплоносителя, инжектируемая в каждый канал второго назначения. Для этого отверстия в каждой стенке, отделяющей соответствующий канал второго назначения от канала первого назначения, выполняют с уменьшением шага или с увеличением площади отверстий вдоль этой стенки в направлении от входа в канал первого назначения. Также возможно совмещение в одной стенке обоих указанных вариантов выполнения отверстий в различных комбинациях, например, на одной части стенки отверстия выполняют с уменьшением шага вдоль этой стенки, а на другой части стенки – с увеличением площади отверстий. При этом способ (комбинация) совмещения указанных вариантов в одной стенке может быть как одинаковым для всех стенок, так и индивидуальным для каждой стенки.

В зависимости от используемого в заявляемом способе варианта ввода теплоносителя в канал первого назначения отверстия в каждой стенке могут быть выполнены как по всей длине этой стенки, так и на части ее длины. Так, например, если теплоноситель подается в используемый термоэмиссионный генератор из внешнего источника через отверстие в корпусе генератора, то тогда предпочтительно выполнять отверстия в стенках по всей их длине. Если же теплоноситель образуется в самом генераторе путем сжигания топлива с помощью горелки, присоединенной непосредственно к входу канала первого назначения, то в этом случае целесообразно части стенок, расположенные в непосредственной близости от зоны горения (окружающие зону горения), выполнить сплошными (без отверстий), чтобы оградить близко расположенные части термоэмиссионных элементов в каналах второго назначения от воздействия открытого пламени.

Термоэмиссионный генератор по настоящему изобретению (фиг.1-6) содержит корпус 1, внутри которого расположены: канал 2 первого назначения, один или несколько каналов 3 второго назначения, каждый из которых отделен от канала 2 первого назначения посредством стенки 4 с отверстиями 5, и термоэмиссионные элементы 6, размещенные в каналах 3 второго назначения вдоль них. Для объединения термоэмиссионных элементов 6 в единую электрическую цепь и подключения внешней электрической нагрузки термоэмиссионные элементы 6 снабжены коммутационными выводами 7. Также на фиг.1-6 показана теплоизоляция 8, непосредственно примыкающая к стенкам корпуса 1. Хотя наличие теплоизоляции 8 в составе термоэмиссионного генератора по настоящему изобретению не является необходимым для достижения заявляемого технического результата, однако оно целесообразно для повышения эффективности генератора.

Форма корпуса 1 для достижения заявляемого технического результата несущественна. Например, в вариантах исполнения термоэмиссионного генератора, изображенных на фиг.1-4, корпус 1 имеет прямоугольную форму, на фиг.5 и 6 – цилиндрическую форму. Также не являются принципиальными формы и взаимное расположение канала 2 первого назначения и каналов 3 второго назначения. В предпочтительном исполнении заявляемого термоэмиссионного генератора все указанные каналы имеют прямоугольную форму и расположены параллельно друг другу, как показано на фиг.1-4, однако возможно исполнение генератора, в котором содержится один канал 3 второго назначения, при этом канал 2 первого назначения и канал 3 второго назначения имеют цилиндрическую форму, причем канал 2 первого назначения имеет меньший диаметр и размещен внутри канала 3 второго назначения, соосно с ним (фиг.5, 6). Возможен и такой вариант исполнения заявляемого термоэмиссионного генератора, в котором используется канал 2 первого назначения цилиндрической формы, при этом один или несколько каналов 3 второго назначения расположены таким образом, что они охватывают (обвивают) канал 2 первого назначения по спирали.

Количество используемых в заявляемом термоэмиссионном генераторе каналов 3 второго назначения не является принципиальным, поскольку преобразование тепловой энергии теплоносителя в электрическую в процессе работы генератора протекает в каждом канале 3 второго назначения практически независимо от других каналов 3 второго назначения.

Как было указано выше, заявляемый термоэмиссионный генератор выполнен с возможностью ввода потока теплоносителя в канал 2 первого назначения и вывода потока теплоносителя из каналов 3 второго назначения. В предпочтительном варианте исполнения генератора теплоноситель образуется в самом генераторе путем сжигания газообразного или жидкого органического топлива непосредственно на входе канала 2 первого назначения, для чего заявляемый термоэмиссионный генератор дополнительно содержит (фиг.1-4) горелку 9, присоединенную к входу канала 2 первого назначения. При этом топливо в горелку 9 подается через патрубок 10, а дутьевой воздух – по одному или нескольким дутьевым каналам 11 через патрубки 12. В другом варианте исполнения (фиг.5, 6) генератор содержит патрубок 13, служащий для подачи теплоносителя из внешнего источника на вход канала 2 первого назначения. Для вывода отработанного теплоносителя из генератора служит патрубок 14, соединенный с выходами каналов 3 второго назначения.

Отверстия 5 в каждой стенке 4 могут быть выполнены как по всей длине этой стенки, так и на части ее длины. Так, например, если теплоноситель подается в генератор из внешнего источника через патрубок 13, то тогда предпочтительно выполнять отверстия 5 в стенках 4 по всей их длине, как показано, например, на фиг.6. Если же теплоноситель образуется в самом генераторе путем сжигания топлива с помощью горелки 9, присоединенной непосредственно к входу канала 2 первого назначения, то в этом случае целесообразно части стенок 4, расположенные в непосредственной близости от зоны горения (окружающие зону горения), выполнить сплошными (без отверстий), чтобы оградить близко расположенные части термоэмиссионных элементов 6 в каналах 3 второго назначения от воздействия открытого пламени (фиг.1 и 3).

Для того чтобы в каждом канале 3 второго назначения поддержать температуру теплоносителя вдоль части стенки 4 этого канала, на которой выполнены отверстия 5, по существу, постоянной, не меньшей температуры тепловой эмиссии электронов, отверстия 5 в этой стенке выполняют с уменьшением шага или с увеличением площади отверстий вдоль этой стенки в направлении от входа в канал 2 первого назначения. (На фиг.1 отверстия 5 показаны выполненными с уменьшением шага вдоль стенок 4, на фиг.3 и 5 – с увеличением площади отверстий). Также в любой из стенок 4 возможно совмещение обоих указанных вариантов выполнения отверстий 5 в различных комбинациях, например на одной части какой-либо стенки 4 отверстия 5 выполняют с уменьшением шага вдоль этой стенки, а на другой части этой стенки – с увеличением площади отверстий. При этом способ (комбинация) совмещения указанных вариантов в одной стенке 4 может быть как одинаковым для всех стенок, так и индивидуальным для каждой стенки. Физические процессы, обеспечивающие указанное постоянство температуры вдоль стенок 4, описаны далее, при рассмотрении работы заявляемого термоэмиссионного генератора.

В предпочтительной реализации заявляемого термоэмиссионного генератора потоки теплоносителя в каналах 3 второго назначения направлены противоположно (встречно) потоку теплоносителя в канале 2 первого назначения, как показано на фиг.1 и 3. Однако возможна и такая реализация генератора, в которой потоки теплоносителя во всех каналах движутся в одном направлении, как показано на фиг.5.

В заявляемом термоэмиссионном генераторе могут использоваться известные термоэмиссионные элементы, в частности широко распространенные двухэлектродные термоэмиссионные элементы, а также термоэмиссионные преобразователи, описанные в патенте RU 2334303 (H01J 45/00, опубл. 20.09.2008). Так, в варианте конструктивного исполнения, изображенном на фиг.1 и 2, генератор содержит двухэлектродные термоэмиссионные элементы, для нормальной работы которых требуется значительная, не менее 400°C, разность температур катода и анода (см. «Электроника: энциклопедический словарь» – М., Сов. энциклопедия, 1991, с.545). В данном варианте исполнения плоские прямоугольные термоэмиссионные элементы 6 установлены вдоль каналов 3 второго назначения таким образом, что катоды этих элементов обращены внутрь каналов 3 второго назначения, а аноды – наружу, в сторону дутьевых каналов 11. При таком расположении термоэмиссионных элементов 6 их катоды в процессе работы генератора нагреваются теплоносителем, проходящим по каналам 3 второго назначения, а аноды этих элементов остывают за счет передачи тепла дутьевому воздуху через наружные стенки каналов 3 второго назначения. В двух других вариантах конструктивного исполнения, изображенных на фиг.3-6, генератор содержит термоэмиссионные элементы (преобразователи), описанные в патенте RU 2334303, которые способны работать, в том числе при равных температурах своих электродов и соответственно при отсутствии градиента температуры окружающего эти элементы теплоносителя. В этих вариантах исполнения термоэмиссионные элементы 6 выполнены в виде плоских прямоугольных ширм и установлены вдоль каналов 3 второго назначения таким образом, чтобы в процессе работы генератора теплоноситель, проходящий по каналам 3 второго назначения, беспрепятственно охватывал (обдувал) максимально возможную часть поверхности этих элементов.

Заявляемый термоэмиссионный генератор может быть выполнен с возможностью подогрева дутьевого воздуха. Хотя наличие указанной возможности не является необходимым для достижения заявляемого технического результата, однако оно целесообразно для повышения эффективности генератора. Так, в варианте конструктивного исполнения генератора, изображенном на фиг.1 и 2, дутьевой воздух подогревается, как было указано выше, за счет тепла, отдаваемого анодами термоэмиссионных элементов 6 через наружные стенки каналов 3 второго назначения. В варианте исполнения, изображенном на фиг.3 и 4, для подогрева дутьевого воздуха на части дутьевого канала 11 сформирован воздухоподогреватель 15, расположенный в потоке теплоносителя, уходящего из каналов 3 второго назначения.

Работа заявляемого термоэмиссионного генератора осуществляется следующим образом. Теплоноситель образуется в начале канала 2 первого назначения при сжигании топлива в горелке 9, присоединенной к входу этого канала (фиг.1-4) или вводится в канал 2 первого назначения из внешнего источника (двигатель внутреннего сгорания, тепловой котел и т.д.) через патрубок 13 (фиг.5, 6). Введенный в канал 2 первого назначения теплоноситель по мере распространения по этому каналу инжектируется в каналы 3 второго назначения через отверстия 5 в стенках 4, отделяющих эти каналы от канала 2 первого назначения. После инжекции теплоноситель перемещается по каналам 3 второго назначения вдоль расположенных в этих каналах термоэмиссионных элементов 6 и нагревает эти элементы. При нагреве термоэмиссионных элементов 6 до температуры тепловой эмиссии электронов (термоэлектронной эмиссии) на коммутационных выводах 7 этих элементов появляется ненулевое напряжение. Соответственно при подключении к этим выводам внешней электрической нагрузки через нее будет протекать электрический ток.

Отработанный теплоноситель выводится из каналов 3 второго назначения через патрубок 14.

В процессе работы заявляемого термоэмиссионного генератора поддержание температуры теплоносителя в каналах 3 второго назначения, по существу, постоянной, не меньшей температуры тепловой эмиссии электронов, осуществляется следующим образом. В начальной части канала 2 первого назначения теплоноситель имеет наиболее высокую температуру. Например, при образовании теплоносителя путем сжигания природного газа в горелке 9, подсоединенной к входу канала 2 первого назначения (фиг.1-4), температура теплоносителя (в данном примере – дымовых газов) в зоне горения достигает 1700°C. Через стенки этого канала тепло передается в каналы 3 второго назначения, поэтому по мере продвижения теплоносителя по каналу 2 первого назначения температура теплоносителя понижается, достигая к концу канала величины порядка 900°C. Одновременно с этим по мере продвижения теплоносителя по каналу 2 первого назначения, как было указано выше, теплоноситель через отверстия 5 в стенках 4 инжектируется в каналы 3 второго назначения, входит в соприкосновение с размещенными в них термоэмиссионными элементами 6 и отдает последним часть своей тепловой энергии, дополнительно остывая при этом. Как было указано выше, отверстия 5 в каждой стенке 4, отделяющей соответствующий канал 3 второго назначения от канала 2 первого назначения, выполнены с уменьшением шага и/или с увеличением площади отверстий 5 вдоль этой стенки в направлении от входа в канал 2 первого назначения. При этом обеспечивается такое изменение величины шага и/или площади отверстий 5 вдоль каждой стенки 4, при котором теплоноситель, продвигаясь в соответствующем канале 3 второго назначения вдоль отверстий 5 и контактируя с термоэмиссионными элементами 6 в этом канале, в промежутке между двумя соседними отверстиями 5 остывает до температуры около 700°C вследствие отдачи тепла термоэмиссионным элементам 6, после чего нагревается до величины около 900°C за счет смешения с более горячим теплоносителем, инжектируемым в этот канал через очередное отверстие 5. Таким образом, температура теплоносителя в каналах 3 второго назначения вдоль частей стенок 4 этих каналов, содержащих отверстия 5, удерживается в относительно узком диапазоне 700-900°C, что позволяет считать ее, по существу, постоянной по сравнению с вышеуказанным диапазоном изменения температуры в канале 2 первого назначения 900-1700°C. На фиг.7 показан график распределения температуры теплоносителя в каналах термоэмиссионного генератора для варианта генератора, изображенного на фиг.3.

Формула изобретения

1. Способ преобразования тепловой энергии в электрическую, заключающийся в том, что для преобразования используют термоэмиссионный генератор, при этом размещенные в корпусе генератора термоэмиссионные элементы нагревают движущимся теплоносителем, по меньшей мере, до температуры тепловой эмиссии электронов, отличающийся тем, что поток теплоносителя пропускают по имеющимся внутри корпуса каналу первого назначения и одному или нескольким с размещенными в них термоэмиссионными элементами каналам второго назначения, причем каждый из каналов второго назначения отделен от канала первого назначения посредством стенки с отверстиями, при этом поток теплоносителя сначала направляют в канал первого назначения, а затем через указанные отверстия инжектируют в каналы второго назначения, причем отверстия в каждой стенке выполнены, по меньшей мере, на ее части с возможностью поддержания температуры теплоносителя вдоль этой части стенки в соответствующем канале второго назначения, по существу, постоянной, не меньшей температуры тепловой эмиссии электронов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отверстия в каждой стенке выполнены с уменьшением шага и/или увеличением площади отверстий вдоль этой стенки в направлении от входа в канал первого назначения.

3. Термоэмиссионный генератор, содержащий корпус с размещенными внутри него термоэмиссионными элементами, при этом внутри корпуса для прохождения потока теплоносителя расположены канал первого назначения и один или несколько каналов второго назначения, кроме того, термоэмиссионный генератор выполнен с возможностью ввода потока теплоносителя в канал первого назначения и вывода потока теплоносителя из каналов второго назначения, при этом каждый из каналов второго назначения отделен от канала первого назначения посредством стенки с отверстиями, причем отверстия в каждой стенке выполнены, по меньшей мере, на ее части с возможностью инжекции теплоносителя из канала первого назначения в соответствующий канал второго назначения и поддержания температуры теплоносителя вдоль указанной части стенки в этом канале второго назначения, по существу, постоянной, не меньшей температуры тепловой эмиссии электронов, а термоэмиссионные элементы размещены в каждом канале второго назначения вдоль него с возможностью передачи им тепла от потока теплоносителя при его прохождении по этому каналу второго назначения.

4. Термоэмиссионный генератор по п.3, отличающийся тем, что отверстия в каждой стенке выполнены с уменьшением шага и/или увеличением площади отверстий вдоль этой стенки в направлении от входа в канал первого назначения.

РИСУНКИ