RU2074460C1

RU2074460C1 - Heat-to-electric power converter

Info

Publication number: RU2074460C1
Application number: RU94039447A
Authority: RU
Inventors: В.К. Гришин; А.А. Вечер; В.В. Синявский
Original assignee: Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева
Priority date: 1994-10-04
Filing date: 1994-10-04
Publication date: 1997-02-27
Also published as: RU94039447A

Abstract

FIELD: autonomous power supplies, devices which use waste heat. SUBSTANCE: device has sealed housing which is separated by ion-exchange membrane into two chambers which are filled with two-atom gas which is dissociated into single-atom gas under heating. Both sides of membrane are connected to gas-penetrable electrodes with terminals. One chamber has heat pumping system. Another one has heat removal system. Membrane is made from material of electrolyte with ion conductance with respect to dissociated atom gas. Two-atom gas should provide low dissociation threshold, for example, halogens such as iodine, fluorine, chlorine, bromine. EFFECT: increased efficiency. 4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к источникам электроэнергии с непосредственным преобразованием тепла в электричество и может быть использовано при создании автономных источников электроэнергии на органическом топливе и при создании утилизаторов высокоэнергетического тепла, например выхлопных газов и дыма. The invention relates to sources of electricity with direct conversion of heat to electricity and can be used to create autonomous sources of electricity using fossil fuels and to create heat exchangers of high energy heat, such as exhaust gases and smoke.

Известны машинные и безмашинные или прямые преобразователи тепловой энергии в электрическую [1] К машинным преобразователям относятся паротурбинные и газотурбинные установки, а также двигатели внутреннего сгорания, двигатели Стивлинга, поршневые расширительные машины. Основными типами прямых преобразователей теплоты являются теплоэлектрические, термоэмиссионные и магнитогидродинамические. Помимо рассмотренных преобразователей теплоты известны также другие преобразователи первичной энергии, это химической топливные элементы или электрохимические генераторы и световой фотоэлектрические батареи. Known machine and machine-less or direct converters of thermal energy into electrical energy [1] Machine converters include steam turbine and gas turbine plants, as well as internal combustion engines, Stilling engines, piston expansion machines. The main types of direct heat converters are thermoelectric, thermionic and magnetohydrodynamic. In addition to the considered heat converters, other primary energy converters are also known, these are chemical fuel cells or electrochemical generators and light photovoltaic batteries.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является преобразователь в виде водородно-кислородного топливного элемента [2] Преобразователь состоит из двух отсеков, разделенных ионообменной мембраной, к боковым поверхностям которой прижаты электроды, выполненные в виде сетки. Электроды соединены с токосъемниками. С одной стороны мембраны находится водовод, с другой кислород. Со стороны кислоpодного электрода имеются фитили для отвода образующейся воды и трубки, в которых циркулирует охлаждающая вода. Водородный и кислородный отсеки между собой не соединены. Все это находится внутри корпуса. Отдельные такие элементы электрически коммутируются в батарею топливных элементов
Подобный элемент является преобразователем с расходом рабочего тепла, что приводит к ограниченному ресурсу и энергоемкости.The closest to the invention in technical essence is a transducer in the form of a hydrogen-oxygen fuel cell [2] The transducer consists of two compartments separated by an ion-exchange membrane, electrodes made in the form of a grid are pressed against their lateral surfaces. The electrodes are connected to current collectors. On one side of the membrane is a water conduit, on the other is oxygen. On the oxygen electrode side there are wicks for the removal of the resulting water and tubes in which cooling water circulates. Hydrogen and oxygen compartments are not interconnected. All this is inside the case. Individual such cells are electrically switched to the fuel cell battery
Such an element is a converter with a consumption of working heat, which leads to a limited resource and energy consumption.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является обеспечение длительного ресурса работы, высокой энерговыработки и возможность использования тепловой энергии, полученной любым способом, в том числе утилизируемой. The technical result achieved by using the invention is to ensure a long service life, high energy production and the ability to use thermal energy obtained in any way, including recyclable.

Указанный технический результат достигается преобразователем тепловой энергии непосредственно в электрическую, содержащем герметичный корпус, разделенный на два отсека, заполненных газообразными веществами, между которыми размещена ионопроницаемая мембрана, на обеих боковых поверхностях которой размещены электроды, снабженными токовыводами, а один из отсеков снабжен системой отвода тепла, в котором один из отсеков снабжен системой подвода тепла, оба отсека сообщаются между собой и заполнены одним и тем же газом, в качестве которого выбран двухатомный газ, который при нагреве диссоциирует в одноатомный газ, а в качестве материала ионопроницаемой мембраны выбран электролит с ионной проводимостью по диссоциированному атомному газу выбранного двухатомного газа. The indicated technical result is achieved by a thermal energy converter directly into electrical energy, containing a sealed enclosure, divided into two compartments filled with gaseous substances, between which an ion-permeable membrane is placed, on both side surfaces of which are placed electrodes equipped with current leads, and one of the compartments is equipped with a heat removal system, in which one of the compartments is equipped with a heat supply system, both compartments communicate with each other and are filled with the same gas, in which quality a diatomic gas was selected, which when heated dissociates into a monatomic gas, and an electrolyte with ionic conductivity through the dissociated atomic gas of the selected diatomic gas was selected as the material of the ion-permeable membrane.

На чертеже приведена схема преобразователя тепловой энергии непосредственно в электрическую. The drawing shows a diagram of a converter of thermal energy directly into electrical energy.

Преобразователь тепловой энергии непосредственно в электрическую содержит корпус 1, часть 2 которого выполнена в виде теплоподводящей системы, например камеры с нагретым газом или жидким теплоносителем, возможно выполнение этой камеры в виде камеры сгорания. Ионообменная мембрана 3 делит внутреннее пространство внутри корпуса 1 на два отсека нагреваемый 4 и охлаждаемый 5. На обеих сторонах мембраны 3 размещены контактирующие с ней газопроницаемые электроды 6 и 7, например в виде сетки, каждый из которых снабжен изолированными от корпуса 1 токовыводами 8 и 9, которые через герметичные токовыводы 10 выведены за пределы корпуса 1. Отсек 5 снабжен системой отвода тепла 11, которая может быть выполнена с циркуляцией теплоносителя, на основе тепловых труб или в виде теплоизлучающих ребер. Отсек 4 и 5 заполнены двухатомным газом, например иодом. Отсеки 4 и 5 сообщаются между собой, например в виде трубки, щели, капилляра 12 в ионообменной мембране или в виде отдельного узла, который может быть выполнен также в виде дросселя или обратного клапана. The thermal energy converter directly into electrical energy contains a housing 1, part 2 of which is made in the form of a heat-supplying system, for example, a chamber with heated gas or a liquid coolant, it is possible to make this chamber in the form of a combustion chamber. The ion-exchange membrane 3 divides the internal space inside the housing 1 into two compartments, heated 4 and cooled 5. On both sides of the membrane 3 are placed gas-permeable electrodes 6 and 7 in contact with it, for example in the form of a grid, each of which is equipped with current leads 8 and 9 isolated from the housing 1 which, through the sealed current leads 10 are removed outside the housing 1. The compartment 5 is equipped with a heat removal system 11, which can be made with the circulation of the coolant, based on heat pipes or in the form of heat-emitting ribs. Compartments 4 and 5 are filled with a diatomic gas, such as iodine. Compartments 4 and 5 communicate with each other, for example, in the form of a tube, slit, capillary 12 in an ion-exchange membrane or as a separate unit, which can also be made in the form of a throttle or check valve.

Преобразователь тепловой энергии непосредственно в электрическую работает следующим образом. The converter of thermal energy directly into electrical energy operates as follows.

Тепло из теплопроводящей системы 2 нагревает двухатомный газ в отсеке 4. При нагреве, начиная с некоторой температуры, двухатомный газ диссоциирует на моноатомный газ с поглощением некоторого количества тепловой энергии, пропорционального удельной теплоте диссоциации выбранного двухатомного газа. Образовавшийся в результате диссоциации в отсеке 4 атомарный газ обладает более высоким химическим потенциалом, чем газ в отсеке 5 в молекулярном состоянии (при равных давлениях). За счет этой разности химических потенциалов можно получить электрическую работу, если ни разделены электролитом (ионообменной мембраной 3), содержащей ионы, которые могут быть получены при ионизации атома газа (например иода) присоединением к нему электрона. Тогда, если со стороны атомарного газа поверхность электролита контактирует дополнительно с электронным проводником (электродом 6), атомы газа будет захватывать электроны электронного проводника и переходить в виде ионов в электролит. Если другая сторона электролита также контактирует с электронным проводником (электрод 7), но с этой стороны расположен молекулярный газ, то в силу его меньшего химического потенциала, чем у атомарного газа, процесс ионизации молекулярного газа будет происходить в меньшей степени. В результате электронный проводник 6 со стороны атомарного газа имеет более положительный потенциал, чем проводник 7 со стороны молекулярного газа. Поэтому при замыкании проводников через внешнюю цепь потечет электрический ток. Кроме того, концентрация ионов выше со стороны электролита 3, контактирующего с атомарным газом (нагреваемый отсек 4), поэтому при замыкании электродов 6 и 7 внутри электролита 3 возникает диффузионный ток ионов. В результате такого процесса происходит перенос рабочего вещества из той части системы, где его химический потенциал выше (отсек 4 с атомарным газом), в ту часть, где его химический потенциал ниже (отсек 5 с молекулярным газом). Поэтому при замыкании электродов через внешнюю цепь давление газа в охлаждаемом отсеке 5 будет повышаться, а в нагреваемом отсеке 4 понижаться. Чтобы организовать постоянный процесс генерирования электроэнергии, необходимо обеспечить переход двухатомного газа с охлаждаемой стороны электролита на обогреваемую. Это реализуется путем соединения отсеков 4 и 5 с помощью трубки 12, которая может быть выполнена также в виде обратного клапана или дросселя. Непреобразованная часть тепловой мощности отводится системой 11 отвода тепла, которая может быть выполнена на основе циркулирующего теплоносителя, на основе тепловых труб или в виде теплопередающих ребер. The heat from the heat-conducting system 2 heats the diatomic gas in compartment 4. When heated, starting from a certain temperature, the diatomic gas dissociates into a monatomic gas with the absorption of a certain amount of thermal energy proportional to the specific dissociation heat of the selected diatomic gas. The atomic gas formed as a result of dissociation in compartment 4 has a higher chemical potential than the gas in compartment 5 in a molecular state (at equal pressures). Due to this difference in chemical potentials, it is possible to obtain electrical work if they are not separated by an electrolyte (ion-exchange membrane 3) containing ions that can be obtained by ionizing a gas atom (e.g. iodine) by attaching an electron to it. Then, if the surface of the electrolyte from the side of the atomic gas is additionally in contact with the electronic conductor (electrode 6), the gas atoms will capture the electrons of the electronic conductor and pass into the electrolyte as ions. If the other side of the electrolyte is also in contact with the electronic conductor (electrode 7), but molecular gas is located on this side, then due to its lower chemical potential than atomic gas, the process of ionization of the molecular gas will occur to a lesser extent. As a result, the electron conductor 6 on the side of the atomic gas has a more positive potential than the conductor 7 on the side of the molecular gas. Therefore, when the conductors are closed, an electric current will flow through the external circuit. In addition, the ion concentration is higher from the side of the electrolyte 3 in contact with the atomic gas (heated compartment 4), therefore, when the electrodes 6 and 7 are closed, an ion diffusion current occurs inside the electrolyte 3. As a result of this process, the working substance is transferred from the part of the system where its chemical potential is higher (compartment 4 with atomic gas) to the part where its chemical potential is lower (compartment 5 with molecular gas). Therefore, when the electrodes are closed through an external circuit, the gas pressure in the cooled compartment 5 will increase, and in the heated compartment 4 will decrease. To organize a continuous process of generating electricity, it is necessary to ensure the transition of diatomic gas from the cooled side of the electrolyte to the heated. This is realized by connecting the compartments 4 and 5 using the tube 12, which can also be made in the form of a check valve or throttle. The non-converted part of the heat power is removed by the heat removal system 11, which can be made on the basis of a circulating heat carrier, on the basis of heat pipes, or in the form of heat transfer ribs.

Таким образом, часть тепловой энергии, затраченной на нагрев и диссоциацию двухатомного газа на одноатомный с помощью ионообменной мембраны, превращается в электроэнергию. В качестве двухатомного газа целесообразно выбрать галоген, так как другие двухатомные газы имеют слишком высокие значения теплот диссоциации. Среди галогенов наилучшим является иод. По аналогии с гальваническим элементом ЭДС Е преобразователя может быть записано в виде
E B / Г,
где В стандартный изобарный потенциал реакции диссоциации, а Г число Фарадея (96500 кул/г.экв).Thus, part of the thermal energy spent on heating and dissociating a diatomic gas into a monatomic gas using an ion-exchange membrane is converted into electricity. It is advisable to choose halogen as the diatomic gas, since other diatomic gases have too high values of dissociation heats. Among halogens, iodine is the best. By analogy with a galvanic cell, the EMF E of the converter can be written as
EB / G
where B is the standard isobaric potential of the dissociation reaction, and G is the Faraday number (96,500 cul / geq).

При давлении 10 тыс. Па для иода
В [эВ] 151100 100- 779 N [К] (2)
И соответственно
Е [B] А + ВТ 0,788 0,000552 Т [K] (3)
Для Т 600 К и 1000 К соответственно Е 0,470 В и 0,26 В.At a pressure of 10 thousand Pa for iodine
V [eV] 151100 100 - 779 N [K] (2)
And correspondingly
E [B] A + BT 0.788 0.000552 T [K] (3)
For T 600 K and 1000 K, respectively, E 0.470 V and 0.26 V.

Итоговая эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую может быть охарактеризована электрическим КПД h Е/A, где Е определяется (1), а А первый член выражения (2). Для Т 600 и 1000 К соответственно получим 0,600 и 0,338. С использованием этих значений h полный КПД преобразования тепловой энергии в электрическую
h h а,
где а доля тепловой энергии, поглощенная при диссоциации двухатомного газа, получим h 0,2 0,4 в зависимости от температуры и значения а.The final efficiency of converting thermal energy into electrical energy can be characterized by electrical efficiency h E / A, where E is determined (1), and A is the first term of expression (2). For T 600 and 1000 K, respectively, we obtain 0.600 and 0.338. Using these values of h, the total efficiency of the conversion of thermal energy into electrical energy
hh a
where a is the fraction of thermal energy absorbed during the dissociation of a diatomic gas, we obtain h 0.2 0.4 depending on the temperature and the value of a.

Таким образом, преобразователь тепловой энергии непосредственно в электрическую обладает относительно высоким КПД и длительным ресурсом в связи с отсутствием расходуемых компонентов. Thus, the converter of thermal energy directly into electrical energy has a relatively high efficiency and long life due to the absence of consumable components.

Claims

1. The thermal energy converter directly into electrical energy, containing a sealed enclosure, divided into two interconnected compartments filled with a gaseous substance, between which an ion-permeable membrane is placed, on both side surfaces of which there are gas-permeable electrodes equipped with current leads, one of the compartments is equipped with a supply system heat, and another heat removal system, characterized in that a diatomic gas is selected as a gaseous substance, which dissociates when heated t into a monatomic gas, and an electrolyte with ionic conductivity through the dissociated atomic gas of the selected diatomic gas was selected as the material of the ion-permeable membrane.

2. The converter according to claim 1, characterized in that a gas with a low dissociation energy is selected as the diatomic gas.

3. The converter according to claim 2, characterized in that halogen, iodine, fluorine, chlorine, and bromine are selected as the diatomic gas with a low dissociation energy.

4. The converter according to paragraphs. 1 to 3, characterized in that both compartments communicate with each other via a throttle or non-return valve.