CZ14621U1 - Tepelný reaktor pracující v oblasti spektra infračerveného záření - Google Patents

Description

Tepelný reaktor pracující v oblasti spektra infračerveného záření

Oblast techniky

Technické řešení se týká tepelného reaktoru pracujícího v oblasti spektra infračerveného záření, sloužícího ke konverzi vysokopotenciální zářivé energie na tepelnou energii nízkopotenciální ve formě zářivé energie v oblasti spektra infračerveného záření, které je vhodné ke konverzi na energii mechanickou prostřednictvím běžně používaných tepelných strojů.

Dosavadní stav techniky

V současné době používané způsoby výroby energie jsou limitovány mezními pevnostními vlastnostmi materiálů používaných ke stavbě příslušných tepelných strojů. Spalovací motory s vnitřním spalováním vykazují tepelné účinnosti mezi 20 a 30 procenty, zbytek tepelné energie pak odchází z motoru chladicími systémy a výfukovými plyny.

U tepelných elektráren se celková tepelná účinnost pohybuje okolo 30 %, u jaderných elektráren pak okolo 25 %, přičemž využitelnost paliva, zejména uranu je asi 3 %.

Jak u spalovacích motorů, tak i u kotlů na fosilní paliva a u jaderných reaktorů, je maximální výtěžek energie z daného tepelného stroje omezen maximální přípustnou teplotou použitých materiálů a to nejen z hlediska jejich pevnostních parametrů, ale i z hlediska funkčnosti jejich povrchů, odolnosti proti vysokým teplotám a jiných technických požadavků. U spalovacích turbin je tepelná účinnost omezena hlavně maximální přípustnou pracovní teplotou oběžných lopatek, které jsou extrémně namáhány nejen tepelně, ale i z hlediska pevnostního.

Jednou z největších překážek při zvyšování účinnosti a výkonu používaných tepelných strojů tvoří maximálně přípustná teplota oxidačních reakcí, při kterých vzniká pracovní medium ve formě spalin o vysoké teplotě. Žáruvzdornost materiálů přicházejících do styku s oxidačními procesy použitých paliv tvoří přirozenou hranici, limitující nejvýše možnou přípustnou teplotu vznikající při generování spalin jak ve spalovacím motoru, tak i u spalovací turbiny. Příkladně železo má bod tavení při teplotě 1528 °C při tlaku 1 baru, žáruvzdorné oceli tuto hranici, z našeho hlediska, nepodstatně posouvají k vyšším teplotám. Nejvyšší bod tání vykazuje z běžně známých materiálů wolfram při teplotě 3350 °C a je samozřejmé, že oxidační procesy musí probíhat při daleko nižších teplotách, kdy použité materiály vykazují ještě dostatečnou pevnost.

Existuje návrh termovoltaické konverze zářivé energie generované tepelným zdrojem umístěným v uzavřeném prostoru tepelného reaktoru, kde zářivá energie z tepelného zdroje je konvertována prostřednictvím termovoltaických článků na elektrickou energii. Ukazuje se však, že tento proces termovoltaické konverze vykazuje v důsledku působení vysokých teplot nízkou životnost termovoltaických článků umístěných na vnitřních stěnách uzavřeného prostoru tepelného reaktoru, kde dochází při optimální teplotě tohoto procesu, která se pohybuje řádově ve stovkách °C k vypařování materiálu, jehož důsledkem je pokrývání povrchu termovoltaických článků, což zamezuje jejich funkci. Tento princip je popsán například v publikaci „Physik der Solarzellen, Peter Wiirfet, str. 137 až 138, vydavatel Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, Berlin, Oxford, 1995, ISBN 3-86025/17-X“.

Cílem technického řešení je odstranění výše uvedených nedostatků, spočívajících v odstranění infrastruktury termovoltaických článků a v umožnění částečné tepelné propustnosti stěny tepelného reaktoru, což umožňuje vyzařování v oblasti infračerveného spektra z vnější strany jeho stěny.

Rozvinutí této myšlenky spočívá v navržení takového tepelného zařízení, které by umožnilo využít wysokopotenciálního zdroje zářivé energie ke konverzi na energii mechanickou, resp. elektrickou. Předpokladem pro realizaci cíle technického řešení je možnost využití fokusátorů tepelné energie v aplikaci kompaudních pohonných jednotek známých z české zveřejněné přihlášky vynálezu CZ-PV 2001-1121, kde je využito rotačních strojů s oběžnými křídly podle

-1 CZ 14621 Ul českého patentu CZ-PS 290702 a jako zdroje vysokých teplot v tepelném reaktoru je možno příkladně využít technologie jaderných palivových článků aplikovaných u jaderného reaktoru PBMR - Pebble Bed Modular Reactor, který je popsán například v Popular Science, August 2001, str.39 až 43 nebo v deníku Lidové noviny ze dne 9.3.2002, příloha Věda.

Podstata technického řešení

Shora uvedené nevýhody odstraňuje a požadavky a účel technického řešení ve velké míře splňuje tepelný reaktor pracující v oblasti spektra infračerveného záření, tvořený pláštěm uzavírajícím válcový a/nebo sférický prostor tepelného reaktoru, na jehož centrální ose je umístěn zdroj vysokých teplot, podle technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že uzavřený válcový a/nebo sférický prostor tepelného reaktoru je oddělen od vnějšího prostoru nejméně jednou ochrannou bariérou ve formě skruže a/nebo sférického segmentu, na jejíž vnější opačné straně ve vnějším prostoru je okolo celé její válcové a/nebo sférické plochy umístěna soustava na sebe navazujících jednotlivých segmentů kompoudních tepelných pohonných jednotek, které jsou opatřeny ke zdroji vysokých teplot přivrácenými fokusačními polí ve tvaru částečné válcové a/nebo částečné sférické plochy kopírující s odstupem vnější válcovou a/nebo sférickou plochu ochranné bariéry, přičemž každý jednotlivý segment kompoudních pohonných jednotek je tvořen vlastním autonomním tepelným strojem s vlastním uzavřeným oběhem pracovního média a přičemž protilehlé podstavné plochy ochranné bariéiy protínající centrální osu a příslušející uzavřenému válcovému a/nebo sférickému prostoru tepelného reaktoru jsou opatřeny izolačními stěnami. Zdroj vysokých teplot je tvořen průchozím ohřívačem s externím přívodem tepla a/nebo autonomním ohřívačem s vlastním vyvíječem tepla. Každý jednotlivý segment kompoudních pohonných jednotek umístěný okolo ochranné bariéry je samostatně vyjímatelný z celkové soustavy a fokusační pole je na svých jednotlivých přijímačích elektromagnetického záření alternativně opatřeno tepelnými trubicemi.

Výhody provedení tepelného reaktoru podle technického řešení spočívají především v tom, že přenos tepelné energie z vnitřního tepelně vysoce exponovaného dutého uzavřeného válcového a/nebo sférického prostoru tepelného reaktoru se děje skrze prázdný prostor pouze prostřednictvím elektromagnetického záření paprskovitě se rozšiřujícího a vycházejícího přibližně z bodového zdroje. Ochranná bariéra ve tvaru skruže a/nebo sférického segmentu může být umístěna v takové vzdálenosti od zdroje vysokých teplot, při které dochází k jejímu ohřátí na takovou teplotu, při které je zaručena intenzivní emise například infračerveného záření na její vnější stěně a při které nedojde k jejímu zničení v důsledku vysoké teploty. Protože elektromagnetické záření bodově vysílané ze zdroje teploty ztrácí na své intenzitě s rostoucí vzdáleností od zdroje, stačí posunout ochrannou bariéru vyrobenou například z keramického materiálu do takové vzdálenosti, ve které už není materiál ochranné bariéry ohrožen vysokou teplotou vedoucí k jeho zničení. Velikost takovýchto zařízení je možno variovat od malých jednotek odpovídajících velikosti automobilového motoru až po jednotky odpovídající svým výkonem přibližně standardním modulům atomových elektráren.

Přehled obrázků na výkresech

Na obr. 1 je v příčném řezu znázorněno příkladné provedení tepelného reaktoru podle technického řešení, který je vytvořen ve válcové konfiguraci sestávající z dutého uzavřeného prostoru tepelného reaktoru, v němž je umístěn zdroj vysokých teplot a kde je ochranná bariéra tvořena válcovými skružemi, k jejíž vnější válcové ploše je svými fokusačními poli přivrácena soustava jednotlivých segmentů kompoundních tepelných pohonných jednotek.

Obr. 2 představuje v příčném řezu provedení tepelného reaktoru v uzavřené válcové konfiguraci, kde je znázorněno vysunutí jednoho ze segmentů kompoudní pohonné jednotky mimo jejich soustavu ve výměnné pozici a na kterém je vyznačen detail A k obr. 5.

-2CZ 14621 Ul

Obr. 3 znázorňuje ve svislém řezu vedeného centrální osou uspořádání tepelného reaktoru s uzavřeným válcovým prostorem se zdrojem vysokých teplot tvořeným průchozím ohřívačem s externím přívodem tepla a obr. 4 znázorňuje uspořádání tepelného reaktoru s uzavřeným válcovým prostorem a se zdrojem vysokých teplot tvořeným autonomním ohřívačem s vlastním vyvíječem tepla.

Obr. 5 představuje v detailu A a v příčném řezu provedení fokusačního pole opatřeného ve svých přijímačích elektromagnetického záření tepelnými trubicemi.

Na obr. 6 je znázorněno v axonometrickém průmětu příkladné konstrukční uspořádání vyjmutdio jednotlivého segmentu kompoudní pohonné jednotky z celkové soustavy.

Příklad provedení technického řešení

Na obr. 1 je patrný tepelný reaktor tvořený dutým uzavřeným válcovým prostorem I tepelného reaktoru, který je uzavřen ochrannou bariérou 4 ve formě skruže. V oblasti centrální osy o uzavřeného válcového prostoru i je umístěn zdroj 2 vysokých teplot. Zdroj 2 vysokých teplot je v tomto případě tvořen průchozím ohřívačem 2.1 s externím přívodem tepla, který je opatřen emisním obalem 2.1.1 z porézní keramiky. Ve vnějším prostoru 3 okolo vnější válcové plochy ochranné bariéry 4 je s odstupem Δτ umístěna soustava na sebe navazujících jednotlivých segmentů 6 kompoudní ch pohonných jednotek s vlastními autonomními tepelnými stroji 5 a které jsou opatřeny fokusačními poli 7 přivrácenými svými přijímači 10 ke zdroji 2 vysokých teplot.

Obr. 2 znázorňuje příkladné provedení vyjmutí jednotlivého segmentu 6 kompoudní pohonné jednotky z celkové soustavy a vyznačený detail A, který je podrobněji znázorněn na obr. 5.

Na obr. 3 je ve svislém řezu patrný uzavřený válcový prostor i tvořený ochrannou bariérou 4 ve formě skruže a podstavnými plochami tvořenými izolačními stěnami 8, 8. 1. V centrální ose oje umístěn zdroj 2 vysokých teplot s průchozím ohřívačem 2.1 s externím přívodem tepla, který je opatřen emisním obalem 2.1.1 z porézního keramického materiálu a který nejen vysílané teplo směruje na vnitřní stěny ochranné bariéry 4, ale současně zastává funkci meziabsorbéru odraženého zpětného elektromagnetického záření. Vně uzavřeného válcového prostoru Ije schematicky znázorněno uspořádání segmentů 6 kompoudních tepelných pohonných jednotek spolu s přijímači 10 elektromagnetického záření přivrácenými k ochranné bariéře4.

Obr. 4 představuje provedení tepelného reaktoru podle obr. 3 se zdrojem 2 vysokých teplot, který je alternativně tvořen autonomním ohřívačem 2.2 s vlastním vyvíječem tepla, pro který je využito palivových článků ve formě modulárně uložených grafitových koulí 2.2.1 obsahujících štěpný materiál v ochranné bariéře z karbidu křemíku a porézního uhlíku.

Na obr. 5 je znázorněno v detailu A alternativní provedení přijímačů JO elektromagnetického záření uspořádaných na fokusačním poli 7 s vnitřně uspořádanými tepelnými trubicemi 11, které jsou v dotyku s ohřívacími zónami 9 autonomních tepelných strojů 5 za účelem efektivnějšího přestupu tepla.

Obr. 6 představuje v axonometrickém průmětu vyjmutý jednotlivý segment 6 kompoudní pohonné jednotky z celkové soustavy fokusačních polí 7, na kterém je znázorněno uspořádání přijímačů 10 elektromagnetického záření a provedení ohřívací zóny 9 autonomního tepelného stroje

5.

Tepelný reaktor podle technického řešení pracuje tak, že v uzavřeném válcovém a/nebo sférickém prostoru 1 je z příslušného zdroje 2 vysokých teplot emitováno teplo v podobě elektromagnetického záření, které se s rostoucí vzdáleností paprskovitě šíří na vnitřní stěnu ochranné bariéry 4, přičemž dochází k jejímu ohřevu a ohřátím materiálu ochranné bariéry 4 do žhnoucího stavu emituje pak materiál ochranné bariéry 4 do vnějšího prostoru 3 za ochrannou bariéru infračervené záření, které je jímáno fokusačním polem 7 a jednotlivými segmenty 6 kompoundních tepelných pohonných jednotek umístěných bezdotykově na vnější straně ochranné bariéry 4, které takto absorbovanou zářivou energii o vlnové délce v oblasti spektra infračerveného, přivádí

-3CZ 14621 Ul do ohřívací zóny tepelného stroje každého jednotlivého segmentu 6 kompoundní pohonné jednotky, ve kterém probíhá termodynamický proces na způsob Braytonova termodynamického cyklu a slouží k výrobě elektrické energie prostřednictvím generátoru. Energie záření, vycházející ze zdroje 2 vysokých teplot, která neprojde ochrannou bariérou 4, je odražena od její vnitřní válcové stěny zpět do dutého uzavřeného prostoru 1 tepelného reaktoru a je ohřívána zpětně meziabsorbérem 2.1.1, který takto vrácené záření nejdříve přijme a znovu se sám ohřeje a následně opět emituje přijmuté zpětné záření zpět do směru vnitřní stěny ochranné bariéry 4. Protože elektromagnetické záření může uniknout z dutého uzavřeného prostoru 1 tepelného reaktoru pouze průchodem stěnou žhnoucí ochranné bariéry 4, zůstává veškerá energie ve formě elektroío magnetického záření, které se nepodařilo uzavřený prostor I tepelného reaktoru opustit, uvnitř tohoto prostoru tepelného reaktoru tak dlouho, dokud se mu nepodaří proniknout skrze stěnu ochranné bariéry 4 do vnějšího prostoru 3, kde je toto záření pohlceno fokusačními poli 7 jednotlivých segmentů 6 kompoundních pohonných jednotek, kde je pak energie tohoto záření konvertována neustále probíhajícím Braytonovým termodynamickým cyklem na mechanickou práci.

Lze předpokládat, že tepelný reaktor podle technického řešení může vykázat velmi vysokou tepelnou účinnost blížící se k maximální tepelné účinnosti Camotova oběhu. Tato energetická bilance se vztahuje pouze na energetické hospodářství uvnitř tepelného reaktoru a celková tepelná účinnost tepelného zařízení bude záležet ještě na výši tepelné účinnosti jednotlivých tepelných strojů v segmentech 6 kompoudních pohonných jednotek.

Claims (4)

1. Tepelný reaktor pracující v oblasti spektra infračerveného záření, tvořený pláštěm uzavírajícím válcový a/nebo sférický prostor (1) tepelného reaktoru, na jehož centrální ose (o) je umístěn zdroj (

2) vysokých teplot, vyznačující se tím, že uzavřený válcový a/nebo sférický prostor (1) tepelného reaktoru je oddělen od vnějšího prostoru (3) nejméně jednou ochran25 nou bariérou (4) ve formě skruže a/nebo sférického segmentu, na jejíž vnější opačné straně je ve vnějším prostoru (3) okolo celé její vnější válcové a/nebo sférické plochy umístěna soustava na sebe navazujících jednotlivých segmentů (6) kompoundních tepelných pohonných jednotek, které jsou opatřeny ke zdroji (2) vysokých teplot přivrácenými fokusačními polí (7) ve tvaru částečné válcové a/nebo částečné sférické plochy kopírující s odstupem (Ar) vnější válcovou

30 a/nebo sférickou plochu ochranné bariéry (4), přičemž každý jednotlivý segment (6) kompoundních pohonných jednotek je tvořen vlastním autonomním tepelným strojem s vlastním oběhem pracovního media a přičemž protilehlé podstavné plochy ochranné bariéry (4) protínající centrální osu (o) a příslušející uzavřenému válcovému a/nebo sférickému prostoru (1) tepelného reaktoru jsou opatřeny izolačními stěnami (8, 8.1).

35 2. Tepelný reaktor podle nároku 1, vyznačující se tím, že zdroj (2) vysokých teplot je tvořen průchozím ohřívačem (2.1) s externím přívodem tepla a/nebo autonomním ohřívačem (2.2) s vlastním vyvíječem tepla.

3. Tepelný reaktor podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že každý jednotlivý segment (6) kompoudních pohonných jednotek umístěný okolo ochranné bariéry (4) je samo40 statně vyjímatelný z celkové soustavy.

4. Tepelný reaktor podle nároků 1, 2 a 3, vyznačující se tím, že fokusační pole (7) je na svých jednotlivých přijímačích (10) elektromagnetického záření alternativně opatřeno tepelnými trubicemi (11).