Основные теоретические положения. Системный коэффициент полезного действия (КПД) ТЭП – характеристика эффективности ТЭП, связанная с преобразованием тепловой энергии в электрическую

Системный коэффициент полезного действия (КПД) ТЭП – характеристика эффективности ТЭП, связанная с преобразованием тепловой энергии в электрическую. Он определяется отношением электрической энергии, выделившейся на нагрузке Р_Эл, к полной затраченной (подведенной к эмиттеру) тепловой энергии.

Различают КПД отдельного элемента (ступени) установки и КПД, характеризующий всю цепь преобразований энергии в термоэмиссионной установке в целом. КПД ТЭП, являющегося одной из ступеней, в зависимости от количества учитываемых процессов преобразования энергии может быть электронным, электродным, системный для одного ТЭП, ЭГЭ, ЭГК, ЯЭУ. Общий КПД системы равен произведению КПД ступеней.

Предельная максимальная величина КПД ТЭП как тепловой машины, забирающей тепло от нагревателя при Т_Е и сбрасывающей тепло холодильнику при Т_С, не может превосходить КПД идеальной тепловой машины с циклом Карно и определяется по формуле:

h_Карно= 1 - , (4.1)

обычно в ТЭП h_Карно @ 50%.

Реальные значения КПД ТЭП, электрогенерирующих систем и термоэмиссионных энергетических установок значительно ниже h_Карно. В зависимости от вида учитываемых тепловых потерь, здесь обычно различают КПД со следующими наименованиями:

· электронный КПД h_е, определяемый по формуле:

(4.2)

где и определяет плотность теплового потока электронного охлаждения эмиттера на участке насыщения ВАХ;

· электродный КПД h_эл, определяемый по следующей формуле:

(4.3)

где q_Cs и q_изл – плотности теплового потока потерь теплопроводностью МЭЗ по цезию и излучения соответственно.

Учет тепловых потерь теплопроводностью межэлектродной цезиевой среды q_Cs. Основным режимом теплопроводности для рабочих условий ТЭП является переходный режим теплообмена, когда необходимо учитывать температурные скачки на границе поверхности электрода и прилегающих к нему паров цезия, связанные с явлением неполной тепловой аккомодации. В этом режиме для расчета потока тепла, обусловленного присутствием в МЭЗ паров цезия, используют следующее выражение, которое учитывает «длину температурного скачка» и хорошо описывает процесс теплообмена в широком диапазоне давлений паров цезия:

, (4.3.1)

где c – коэффициент вязкостной теплопроводности паров цезия при средней температуре Т_Ср= (T_E+T_C)/2 [Вт/(см× К)];
d – величина МЭЗ [см]; a – приведенный коэффициент энергетической аккомодации (для пара цезия a = 1); L _Т – теплопроводность «свободных» молекул при средней температуре Т_Ср и для цезия определяется по следующему эмпирическому выражению:

. (4.3.2)

Коэффициент вязкостной теплопроводности для паров цезия в зависимости от средней температуры рассчитывается по аналитическому эмпирическому выражению

c = [0, 695 + 0, 597(T_Ср /1000 - 1)] ∙ 10^-4 , (4.3.3)

которое в рабочей области хорошо аппроксимирует экспериментальные данные, полученные при исследовании теплопроводности паров цезия.

Для расчета излучательных тепловых потерь воспользуемся выражением:

, (4.3.4)

где s – постоянная Стефана-Больцмана (s=5, 67× 10^-12 Вт/см²× К⁴); e_пр – приведенная степень черноты электродной пары. Обычно для реальных материалов электродных пар и параметров рабочего процесса преобразования энергии в ТЭП изменение e_пр при реальных Т_Е укладывается в диапазоне от 0.12 до 0.22.

Для нахождения точки с максимальным электродным КПД необходимо рассчитать значения h_эл для нескольких точек на ВАХ. Как правило, на ВАХ имеется два локальных максимума h_эл – один расположен в диффузионной части ВАХ, где значение выходной электрической мощности невелико, а другой соответствует дуговому режиму. Учитывая, что нас интересует получение больших значений Р_Эл ТЭП, поиск точки с максимальным электродным к.п.д следует проводить на участке nwсm ВАХ (см. рис.9. лабораторной работы №1);

· системный КПД электрогенерирующей системы или ЯЭУ, определяемый по формуле:

(4.4)

где I – величина полного тока в нагрузку; V_L – величина выходного напряжения на клеммах (на нагрузке без учета падения в подводящих ток проводах); Q – полная тепловая мощность теплового источника электрогенерирующей системы или ЯЭУ.

Наиболее распространенными в практических исследованиях и разработках космических ЯЭУ приняты такие характеристики эффективности, как h_сис и h_эл. Причем h_сис, как правило, характеризует эффективность электрогенерирующей системы или ЯЭУ в целом и соответственно искусство конструктора-проектировщика энергетических установок различного назначения. На этапе физических исследований и обоснований, включающих выбор эффективных электродных материалов, оптимизацию параметров рабочего процесса преобразования энергии, получение массива экспериментальных изотермических (при постоянной Т_Е) и изомощностных (при постоянной полной тепловой мощности Q) ВАХ, используемых при расчетной оптимизации характеристик ТЭП/ЭГЭ/ЭГК/ ЯЭУ, направленных на научную поддержку и сопровождение проектных исследований и разработок, обычно используют h_эл.