Эксπир
Регистрация / Вход

Высокоэффективный термоэмиссионный модуль с газовым нагревом для когенерационных энергетических установок нового поколения

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.516.12.6004
Организация
АО "ГНЦ РФ - ФЭИ"
Руководитель работ
Ярыгин Валерий Иванович
Продолжительность работ
2008 - 2009, 17 мес.
Бюджетные средства
15 млн
Внебюджетные средства
3,75 млн

Проведение комплекса исследований по созданию технологии новых газонагреваемых термо-эмиссионных преобразователей с рабочей температурой эмиттера не выше 1150ОС и коэффициен-том преобразования тепловой энергии в электрическую - 20 -25%.

Соисполнители

Участники проекта

Зам. руководителя работ
Лазаренко Георгий Эрикович

Предложения

Высокоэффективный термоэмиссионный модуль с газовым нагревом для когенерационных энергетических установок нового поколения
Тема
Высокоэффективный термоэмиссионный модуль с газовым нагревом для когенерационных энергетических установок нового поколения
Входящий номер
7092
Организация
АО "ГНЦ РФ - ФЭИ"
Руководитель организации-инициатора
Говердовский Андрей Александрович

Этапы проекта

1
19.06.2008 - 30.09.2008
1. Проведено патентное исследование по теме «Термоэмиссионный модуль с газовым нагревом для когенерационных энергетических установок». В результате исследования установлена патентная чистота разрабатываемого изделия.
2. Проведен анализ литературных источников и выявлены прогрессивные решения по конструкции узлов термоэмиссионного преобразователя (ТЭП) и режимам его работы, а именно: холодное уплотнение цезиевой полости, динамическая подача паров цезия в межэлектродный зазор (МЭЗ) и использование адсорбирующего покрытия на коллекторе с низкой работой выхода (0,5-1 эВ).
В качестве наиболее перспективной для промышленного освоения конструкции модуля ТЭП с газовым нагревом предложена конструкция на основе холодного уплотнения цезиевой полости с горячей оболочкой из жаростойкого и жаропрочного сплава. Для повышения коэффициента преобразования тепла в электроэнергию выбран рабочий процесс на основе динамической подачи паров цезия и применения высокоэффективных низкотемпературных электродных пар материалов.
Выбрано приоритетное направление для дальнейшей проработки изделия – низкотемпературный рабочий диапазон и режим ТЭП с формированием ридберговского вещества (конденсата возбужденных состояний цезия) в МЭЗ в сочетании с использованием коллектора с адсорбирующим покрытием на основе наноструктурированного углерода с пониженной работой выхода. Переход на пониженную рабочую температуру эмиттера позволяет применить в качестве конструкционных материалов широко освоенные в промышленности жаростойкие и жаропрочные сплавы и применить при изготовлении общепромышленные технологии. Показана возможность коммерциализации разработки, основанная на относительно низкой стоимостью изделия вследствие отказа от применения тугоплавких материалов с керамическим покрытием при высокой эффективности преобразования энергии – на уровне 25%.
Разработаны основы проектных решений одноэлементного ТЭП с применением в качестве конструкционного материала эмиттерной оболочки жаростойкого жаропрочного сплава ЭП 747. Изменение предложенной концепции и принятие соответствующих проектных и технических решений при создании опытного образца – демонстрационного прототипа модуля ТЭП возможно по ходу экспериментально – технологической отработки обсуждаемых в настоящей работе вариантов решения поставленной задачи.
Развернуть
2
01.10.2008 - 31.12.2008
Разработаны 5 методик экспериментальных исследований, модернизированы 3 испытательных стенда, изготовлены 5 опытных образцов для исследований.
Выбран оптимальный состав биндера и условий термической формовки однородного слоя наноуглеродного порошка, изготовлен экспериментальный образц коллектора с низкой работой выхода для исследований в составе лабораторного термоэмиссионного преобразователя (ТЭП).
Проведены эксперименты:
-по исследованию структурных и электрофизических свойств покрытия из наноуглеродного материала в условиях вакуума и цезиевой плазмы;
-по исследованию материала эмиттерной оболочки на проницаемость по водороду в условиях, соответствующих рабочим для демонстрационного термоэмиссионного модуля.
-по исследованию вольтамперных характеристик лабораторного ТЭП в условиях динамической подачи паров цезия с электродами оптимального состава.
Экспериментальные результаты задокументированы, обработаны, проанализированы и произведено их сравнение с ранее опубликованными данными.
Произведена корректировка математической модели демонстрационного термоэмиссионного модуля и корректировка основы его проектных решений.
В результате проведенных исследований показано, что лучшими адгезионными свойствами обладает биндер на основе жидкого стекла, лучшими электрофизическими свойствами - биндер на основе серебросодержащего клея «Контактол».
Исследования структурных и электрофизических свойств покрытия из наноуглеродного материала в условиях вакуума и цезиевой плазмы показали формирование наноструктурированного углеродсодержащего материала на поверхности коллектора ТЭП в условиях цезиевой плазмы из примесного углерода или графитового покрытия с работой выхода~1,0 эВ.
Исследования на проницаемость по водороду конструкционного материала – сплава ЭП-747 показали, что материал может быть использован при условии принятия дополнительных мер по удалению водорода из межэлектродного зазора (МЭЗ).
Полученные вольтамперные характеристики лабораторного ТЭП в условиях динамической подачи паров цезия с электродами оптимального состава позволили определить область параметров проведения процесса с эффективностью выше 20%.
Основы проектных решений одноэлементного ТЭП дополнены введением в конструкцию коллектора ТЭП структуры, обеспечивающей циркуляцию паров цезия в МЭЗ для обеспечения режима динамической подачи.
В целом, выполненный комплекс работ подтверждает возможность создания термоэмиссионного модуля ТЭП с газовым нагревом с заявленными в техническом задании характеристиками.
Развернуть
3
01.01.2009 - 30.09.2009
Изготовлены экспериментальные образцы коллекторов ТЭП с низкой работой выхода и динамической подачей пара цезия в межэлектродное пространство. Получены вольтамперные характеристики демонстрационного модуля ТЭП в условиях прямого газопламенного обогрева оболочки эмиттера. Выполнена обработка экспериментальных результатов. Разработана математическая модель демонстрационного термоэмиссионного модуля ТЭП.
Развернуть
4
01.10.2009 - 30.11.2009
Произведена оцененка полноты решения задачи и эффективность полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем и возможности создания конкурентоспособной когенерационной энергетической термоэмиссионной установки с газовым нагревом, разработаны рекомендации по использованию результатов проведенных НИР. Разработаны технические требования на опытно-промышленный образец когенерационной энергетической термоэмиссионной установки с газовым нагревом.
Развернуть

Программа

Программа "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы"

Программное мероприятие

1.6 Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований и создание научно-технического задела в области энергоэффективности, энергоснабжения и ядерной энергетики
Тема
Высокоэффективный термоэмиссионный модуль с газовым нагревом для когенерационных энергетических установок нового поколения.
Продолжительность работ
2008 - 2009, 17 мес.
Бюджетные средства
15 млн
Количество заявок
1
Тема
Разработка нового поколения высокоэффективных преобразователей бета-излучения в электрическую энергию на основе радиационно-стойких полупроводниковых структур
Продолжительность работ
2015 - 2016, 16 мес.
Бюджетные средства
26,7 млн
Количество заявок
1
Тема
Разработка технологии конверсии биомассы в электрическую и тепловую энергию с целью создания объектов распределенной генерации на региональных топливо-энергетических ресурсах.
Продолжительность работ
2012 - 2013, 19 мес.
Бюджетные средства
140 млн
Количество заявок
8
Тема
Создание физико-технологических основ перспективных энергетических установок с использованием низкотемпературной плазмы высокой плотности энергии
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
8 млн
Количество заявок
3
Тема
Разработка методов создания сенсорных наносистем и нанодатчиков для многопараметрического анализа газовых и жидких сред на основе механических, электрических и оптических преобразователей.
Продолжительность работ
2008, 2 мес.
Бюджетные средства
2,5 млн
Количество заявок
2