Umwandlung elektrischer Energie in thermische Energie. Verfahren und Vorrichtung zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie. Quellen thermischer Energie zur Umwandlung in elektrische Energie

Die Erfindung ist für den Einsatz in den Bereichen Energie, Verkehr, Luft- und Raumfahrt vorgesehen, wo die Steigerung des Wirkungsgrades von Wärmekraftmaschinen eine wichtige Rolle spielt. Das Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie erfolgt durch die Verwendung zweier unterschiedlicher Körper in der Gasphase, deren getrennte Kompression, getrennte Wärmezufuhr zu den Arbeitsflüssigkeiten, Mischen und adiabatische Expansion des Gemisches mechanische Arbeit, Wärmerückgewinnung, Kühlung und Gemischtrennung. Die Erfindung ermöglicht es, die Effizienz des Kreislaufs zu steigern und minderwertige Wärme zu nutzen. 1 Gehalt f-ly, 1 Abb.

Die Erfindung ist für den Einsatz in den Bereichen Energie, Verkehr, Luft- und Raumfahrt vorgesehen, wo die Steigerung des Wirkungsgrades von Wärmekraftmaschinen eine wichtige Rolle spielt. Es gibt ein bekanntes Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie, bei dem in einem Kompressor verdichtete Luft der Brennkammer zugeführt wird, wo im Kreislauf bei der Brennstoffverbrennung Wärme zugeführt wird und die darin gebildeten Verbrennungsprodukte einem Dampf zugeführt werden -Gasejektor, in dem beim Mischen mit überhitzter Dampf, die im Dampferzeuger entsteht, wenn dem Wasser Wärme zugeführt wird und durch Beschleunigung in der Dampfdüse des Ejektors in eine aktive Strömung umgewandelt wird, bis eine hohe Abgasgeschwindigkeit erreicht ist, erhöht sich die Geschwindigkeit der Verbrennungsprodukte aufgrund der Übertragung der Kinetik Energie des Dampfes zu ihnen mit anschließender Erhöhung des Drucks der Verbrennungsprodukte im Dampf-Gas-Gemisch, das in der Turbine entspannt wird, und über das regenerative Wassererwärmungssystem, nachdem Verbrennungsprodukte aus dem Dampf-Gas-Gemisch abgetrennt wurden, sie werden aus der Anlage entfernt (siehe RF-Patent N 2076929, IPC F 01 K 21/04, 1997). Nachteil diese Methode Sind hohe Kosten Wärme zu empfangen überhitzter Dampf, der Einsatz eines sperrigen regenerativen Wasserheizsystems und erhebliche Mischungsverluste im Ejektor. Es ist ein Verfahren zur Umwandlung thermischer Energie in mechanische Energie in einem geschlossenen Prozess mit Wärmezufuhr aus der Verbrennung fester, flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe oder aus einer anderen Quelle bekannt, bei der ein Inertgas, beispielsweise Xenon oder CO 2, komprimiert wird einem Kompressor, in einem Gaserhitzer erhitzt und dann in den ersten Gasturbinenstufen entspannt. Verbrauchte Gase, die aber noch über Energie verfügen, gelangen in den Mischer, wo sie mit dem Arbeitsmedium, beispielsweise Wasser oder Freon, oder dem Dampf dieses Mediums vermischt werden. Das Arbeitsmedium verdampft oder überhitzt. Das Gemisch gelangt in die zweite Gasturbinenstufe und expandiert dort. Das verbrauchte Gemisch wird von der zweiten Gasturbinenstufe in den Kondensator geleitet, wobei durch Kondensation gleichzeitig die Stoffe wieder getrennt werden. Das Gas gelangt in den Kompressor, das Arbeitsgemisch in den Flüssigkeitssammler und über die Pumpe in den Erhitzer bzw. Verdampfer (siehe Anmeldung DE N 3605466, IPC F 01 K 21/04, 1987). Der Nachteil dieser Methode ist große Verluste Hitze und Sperrigkeit der verwendeten Ausrüstung. Aus bekannte Methoden Umwandlung von thermischer Energie in mechanische (elektrische) Am nächsten kommt die Methode der Umwandlung von thermischer Energie in mechanische durch die Verwendung zweier unterschiedlicher Arbeitsflüssigkeiten, deren getrennte Kompression, Wärmezufuhr, Mischen, adiabatische Expansion des Gemisches zur Erlangung mechanischer Arbeit, Abkühlen und Teilen des Gemisches in Arbeitsflüssigkeiten (siehe . US-Patent, N 5444981, IPC F 01 K 21/04, 1995). Bei dieser Umwandlungsmethode entzieht die Turbine Nutzenergie mit einem geringeren Druckabfall, als dies bei Verwendung nur eines Arbeitsmediums erforderlich wäre. Diese Methode ist jedoch nur für die Nutzung von Wärme mit hohem Potenzial aus der Brennstoffverbrennung in einem Kessel anwendbar und hat keine ausreichende Wirkung hohe Effizienz Zyklus. Die Verwendung eines Kessels als Wärmequelle und die gemeinsame Erwärmung gemischter Arbeitsflüssigkeiten bestimmen die Wahl von Wasser und Heliumdampf als Arbeitsflüssigkeiten, die dementsprechend suboptimale thermophysikalische Eigenschaften bei der Umwandlung von Wärmeenergie aufweisen. Der Nachteil dieser Methode ist auch das Fehlen eines Wärmerückgewinnungsprozesses. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Effizienz des Kreislaufs zu steigern und die Nutzung minderwertiger Wärme, beispielsweise Sonnenwärme, zu ermöglichen Umfeld usw. Das Problem wird dadurch gelöst, dass bei der Methode der Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie durch die Verwendung zweier unterschiedlicher Arbeitsflüssigkeiten deren getrennte Kompression, Wärmezufuhr, Mischung, adiabatische Expansion des Gemisches zur Erlangung mechanischer Arbeit, Kühlung und Aufteilung erfolgt Mischung in Arbeitsflüssigkeiten, wobei erfindungsgemäß unterschiedliche Körper in der Gasphase (He - CO 2, He - N 2, Ar - CO 2, H 2 - N 2 oder Mischungen davon) als Arbeitsflüssigkeiten verwendet werden; Die Arbeitsflüssigkeiten werden getrennt gekühlt, und nach der Expansion des Gemisches wird die Wärme an die ursprünglichen Arbeitsflüssigkeiten zurückgewonnen. Das Problem wird durch Mischen der Arbeitsflüssigkeiten in einem Gasejektor mit einem Überschalldiffusor oder einem pulsierenden Gasejektor gelöst. Die Zeichnung zeigt ein T-S-Diagramm der Kompression, Erwärmung, Mischung, Expansion der Mischung, Wärmerückgewinnung aus der Mischung am Eingang zu den ursprünglichen Gasen, Kühlung und Trennung der Gase. Prozesse der adiabatischen getrennten Kompression 0-1 und 0-1" von zwei verschiedene Gase im Temperaturbereich von T 0 bis T 1 sind mit einer gestrichelten Linie dargestellt, da sie aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften der verwendeten Gase an einem Punkt mit den Parametern P 0 und T 0 beginnen und an den Punkten 1 und 1 enden . Gase werden entsprechend auf die Drücke P 1 und P" 1 komprimiert, und dann gibt es Prozesse der isobaren getrennten Wärmezufuhr 1-2 und 1"-2" von einer externen Quelle auf Temperatur 2. Nach der Wärmezufuhr werden die Gase in einem Gasejektor gemischt – Prozess 2 – P cm – 2“ bei einer Temperatur T cm = T 2. Es ist möglich, die Gasmischung nach dem Ejektor erneut mit einem der Arbeitsgase zu mischen Flüssigkeiten, um optimale Parameter des Arbeitsgemisches vor der Expansion zu erreichen. Dabei expandiert das Ejektorgasgemisch auf eine Temperatur T" cm unter Erzeugung mechanischer (elektrischer) Energie. P"" cm Wärme wird regeneriert (isobare Wärmeabfuhr aus der Mischung an die ursprünglichen Arbeitsflüssigkeiten). In diesem Fall sinkt die Temperatur der Mischung auf T1. Der Prozess P"" cm P 0 ist adiabatisch, schließt den thermodynamischen Kreislauf und die Mischung erhält die Anfangsparameter P 0 und T 0. Am Punkt 0 wird die Mischung abgekühlt und mithilfe der Energie des Hauptkreislaufs in ihre ursprünglichen Bestandteile zerlegt. Die Methode zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie wird wie folgt durchgeführt. Unterschiedliche Arbeitsflüssigkeiten in der Gasphase, zum Beispiel He - CO 2, He - N 2, Ar - CO 2, H 2 - N 2 oder Mischungen davon, werden separat auf die Drücke P 1 und P" 1 komprimiert und Wärme wird separat zugeführt Dazu dienen beispielsweise Sonnenwärme, Umgebungswärme oder andere minderwertige Wärme (Prozess 1-2 und 1"-2"). Anschließend werden die erhitzten Arbeitsflüssigkeiten beispielsweise in einem Gasejektor gemischt (Punkt P cm). Am meisten bevorzugt wird das Mischen der Arbeitsflüssigkeiten in einem Gasejektor mit einem Überschalldiffusor. Die Mischung der Arbeitsflüssigkeiten dehnt sich adiabatisch aus und erzeugt mechanische Arbeit (oder elektrische Energie). Im Prozess P" cm - P" " cm kommt es zu einer Wärmeregeneration. Wärme wird der Mischung isobar entzogen und auf die ursprünglichen Arbeitsflüssigkeiten übertragen. Der Prozess P" cm - P 0 ist adiabatisch, schließt den thermodynamischen Kreislauf, und die Mischung erhält die ursprünglichen Parameter P 0 und T 0. Am Punkt 0 wird die Mischung abgekühlt und unter Verwendung der Energie des Hauptzyklus in ihre ursprünglichen Komponenten zerlegt. Somit wird bei der vorgeschlagenen Methode die thermische Energie in mechanische (elektrische) umgewandelt Es handelt sich um einen geschlossenen thermodynamischen Kreislauf mit mehreren Kreisläufen, bei dem unterschiedliche Arbeitsflüssigkeiten verdichtet und getrennt Wärme zugeführt werden. Diese werden abwechselnd gemischt und nach der Expansion des Gemischs in der Turbine getrennt. Der positive Effekt der Nutzung eines solchen Kreislaufs erklärt sich aus dem starken Unterschied in den thermophysikalischen Eigenschaften der als Arbeitsflüssigkeiten verwendeten Gase und optimale Parameter und die Eigenschaften der Gemische, die durch Mischen dieser Gase im Ejektor erhalten werden. All dies ermöglicht es Ihnen, die Thermik zu erhöhen Thermischen Wirkungsgrad Maschinen und nutzen geringpotenzialige Umweltwärme (oder Solarwärme) zur Erwärmung von Arbeitsflüssigkeiten.

BEANSPRUCHEN

1. Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie durch Verwendung zweier unterschiedlicher Arbeitsflüssigkeiten, deren getrennte Kompression, Wärmezufuhr, Mischen, adiabatische Expansion der Mischung zur Erzeugung mechanischer Arbeit, Abkühlung und Aufteilung der Mischung in Arbeitsflüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung unähnlich ist Als Arbeitsflüssigkeiten werden Körper in der Gasphase verwendet (He - CO 2, He - N 2, Ar - CO 2, H 2 - N 2 oder Mischungen davon), den Arbeitsflüssigkeiten wird Wärme separat und nach der Expansion zugeführt In der Mischung wird Wärme an die ursprünglichen Arbeitsflüssigkeiten zurückgewonnen. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vermischung der Arbeitsflüssigkeiten in einem Gasejektor mit Überschalldiffusor erfolgt.

Der junge französische Ingenieur N.S. Carnot beschloss, die Leistung von Wärmekraftmaschinen zu untersuchen. Sein Werk „Betrachtungen über die treibende Kraft des Feuers und über Maschinen, die diese Kraft entwickeln können“ (1824), in dem er allgemeine und abstrakte Methoden zur Lösung eines speziellen Problems formulierte, ging über den Rahmen einer Spezialforschung hinaus und legte den Grundstein für a neue Wissenschaft - Thermodynamik.

Bei der Analyse des Wirkungsmechanismus von Wärmekraftmaschinen ging Carnot davon aus, dass ihr Betrieb das Vorhandensein eines Temperaturunterschieds und dann deren Ausgleich erfordert, ebenso wie der Betrieb von Wassermotoren einen Unterschied im Wasserstand erfordert. Daher ist die „Entstehung treibende Kraft verpflichtet Dampfmaschinen nicht die tatsächliche Kalorienverschwendung, sondern der Übergang von einem heißen Körper zu einem kalten, d. h. sein Gleichgewicht wiederherstellen. Aber bestimmt die von der Maschine geleistete Arbeit? Denn der Prozess des Temperaturausgleichs ist wie beim direkten Wärmekontakt ohne jeglichen Aufwand möglich. Damit Arbeit verrichtet werden kann, ist ein Vermittler erforderlich, eine Arbeitssubstanz, die in der Lage wäre, dem Erhitzer (einem heißeren Körper) bei höherer Temperatur Wärme zu entziehen. hohe Temperatur und geben Sie es in den Kühlschrank (kälterer Körper) – bei niedrigerer Temperatur.

Carnot betrachtete eine ideale Maschine, die eine höhere Effizienz als jede reale Maschine hätte. Dies ist ideal, da es keine innere Reibung gibt und der Prozess durch nur zwei Temperaturen gekennzeichnet ist.

Der in dieser Arbeit bewiesene Satz von Carnot: Der Wirkungsgrad jeder Wärmekraftmaschine, die bei Temperaturen arbeitet, ist geringer als der Wirkungsgrad einer idealen Maschine. Kar-

aber den Koeffizienten nicht berechnet nützliche Aktion(Effizienz), gab jedoch an, dass es proportional zur Differenz des Temperaturabfalls pro Kalorieneinheit ist:

Carnots Ideen erregten zehn Jahre lang kein Interesse, bis Clapeyron sein Buch (1834) veröffentlichte, in dem er Carnots Werk analysierte und in übersetzte mathematische Sprache und verbesserte den Carnot-Zyklus selbst etwas – ersetzte ihn durch einen anderen, heute bekannten Zyklus aus zwei Adiabaten und zwei Isothermen, genannt Carnot-Zyklus. Clapeyron war der erste, der reversible Kreisprozesse grafisch darstellte und die Arbeit als entsprechende Fläche im Diagramm berechnete.

Die Umwandlung von Wärme in Arbeit ist für praktische Zwecke ebenso wichtig wie die Umwandlung einer Energieart in eine andere. Wenden wir uns dem Betriebsdiagramm einer Wärmekraftmaschine zu. Der Maschinenzylinder passt Luftdruck Stoff (Gas) genannt Arbeitsorgan. Erhöhen wir die Temperatur, ohne den Druck zu ändern, dann sollte sich das Gas ausdehnen. Der Kolben ist wieder

passt auf Distanz X, Darüber hinaus bewegt es sich gegen den äußeren Druck der Atmosphäre. Wenn die Fläche des Kolbens beträgt S, dann wird Arbeit gegen eine Kraft verrichtet, die gleich ist p.s. als R- Kraft pro Flächeneinheit. Der Kolben hat sich eine Strecke bewegt X, und auf diesem Weg arbeiten. Hier gibt es ein Minuszeichen, da gearbeitet wird

Gas, das es verrät Außenumgebung, bewegt sich in die entgegengesetzte Richtung zur ausgeübten Kraft. Seit der Arbeit sx ist die Änderung des Gasvolumens und gleich der Wärme,

für das Erhitzen des Gases aufgewendet.

Lassen Sie das Gas unter dem Kolben im Zylinder im Gleichgewicht mit der Umgebung stehen. Wir drücken den Kolben langsam aus dem Zylinder, ohne das Gleichgewicht zu einem bestimmten Zeitpunkt zu stören und eine konstante Temperatur aufrechtzuerhalten. Dieser Vorgang entspricht dem empirischen Boyle-Mariotte-Gesetz: pV= const. Punkt 7, der den Zustand des Gases darstellt, bewegt sich in die Ebene p, V- genau 2. Wenn das Gas wiederum langsam und bei konstanter Temperatur komprimiert wird, dann ist der Punkt 2 werde zum Punkt zurückkehren 1 , weil der isotherme Prozess reversibel ist. In einem ideal wärmeisolierten Gefäß gibt es einen weiteren reversiblen Prozess – den adiabatischen. Auch dieser Vorgang ist sehr langsam, so dass die Temperatur beim Komprimieren bzw. Expandieren an allen Stellen ausgeglichen ist, jedoch je nach Volumen schwankt:

Beide reversiblen Prozesse sind natürlich idealisiert; reale Prozesse können sich ihnen nur annähern, da aufgrund der Wärmeisolierung, der Viskosität des Mediums usw. immer eine Art Wärmeverlust auftritt. Der Carnot-Zyklus besteht aus zwei isothermen und zwei adiabatischen Prozessen Prozesse, die sich auf dem Diagramm in Koordinaten bilden (p, V) krummliniges Viereck. Adiabaten sind steiler als Isothermen, sodass sie Seitenlinien bilden und Isothermen Basen bilden. Während eines isothermen Prozesses wird Wärme zugeführt und abgeführt, sodass die obere Isotherme der Ausdehnung des Gases im thermischen Kontakt mit dem Temperaturerhitzer entspricht T 1 und die untere - Kompression bei Kontakt mit dem Kühlschrank bei einer Temperatur T 2. Lassen Sie das Gas Wärme von der Heizung erhalten Q 1 und gibt Wärme an den Kühlschrank ab Q2. Dann erhält er während des gesamten Zyklus Wärme Q = Q 1 - F 2, gleichbedeutend mit perfekter Arbeit A. Arbeitshaltung A auf die von der Heizung aufgenommene Wärme (die Hauptkosten sind mit der Heizung verbunden, da sie Brennstoff benötigt) wird als Effizienzfaktor bezeichnet Wärmekraftmaschine: Effizienz =

Der Wirkungsgrad des Motors wird somit durch die Temperaturdifferenz zwischen Heizung und Kühlschrank dividiert durch die Temperatur der Heizung bestimmt:

In Abb. 4.3 stellt grafisch die perfekte Arbeit dar Q= A+Q 1 , Möglichkeit, ein Auto ohne Kühlschrank zu bauen, d.h. mit Wirkungsgrad = 1, der die gesamte aus dem Wärmespeicher entliehene Wärme in Arbeit umwandeln könnte, widerspricht nicht dem Energieerhaltungssatz. Auf meine Art praktische Bedeutung sie

wäre dem Perpetuum Mobile nicht unterlegen, da es mit den nahezu unerschöpflichen Reserven an innerer Energie, die im Wasser der Meere und Ozeane, in der Atmosphäre und im Inneren der Erde enthalten sind, Arbeit leisten könnte. W. Ostwald nannte eine solche Maschine ein Perpetuum Mobile zweiter Art (im Gegensatz zu einem Perpetuum Mobile erster Art – ein Perpetuum Mobile, das aus dem Nichts Arbeit erzeugt). Carnot ging von der Idee der Unmöglichkeit eines Perpetuum Mobile aus und stützte sich dabei auf die Fakten zahlreicher Experimente, die zu einem Postulat namens Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik erhoben wurden.

Basierend auf der Thermodynamik schlug W. Thomson (später Lord Kelvin) eine absolute Temperaturskala vor (siehe Abb. 4.1). Er ging davon aus, dass der Wirkungsgrad aller Reversiermotoren nur durch die absoluten Temperaturen von Kühlschrank und Heizung bestimmt wird. Mit einer Carnot-Maschine kann die Waage kalibriert werden, indem der Schmelzpunkt des Eises festgelegt wird. Durch die Durchführung eines Carnot-Zyklus zwischen einem bestimmten Körper und schmelzendem Eis und die Messung der entsprechenden Wärmemengen ist es möglich, die absolute Temperatur (in K) aus der direkten Proportionalität der Wärmemenge und der Temperaturen zu ermitteln. Seit 1954 wird gemäß der Definition der 6,09 hPa.

Ist es möglich, die Effizienz zu steigern, indem man die Temperatur des Kühlschranks senkt? Es scheint, dass Effizienz = 1 bei T 2= 0, aber alle Gase beginnen sich viel früher zu verflüssigen, das heißt, sie sind keine Gas mehr, daher sind absolute Nulltemperaturen unerreichbar. Das ist der Inhalt dritter Hauptsatz der Thermodynamik, Dabei wird behauptet, dass es unmöglich sei, Substanzen in endlich vielen Schritten auf den absoluten Nullpunkt abzukühlen. Um dieses Prinzip zu verstehen, sind Vorstellungen über die atomare Struktur der Materie erforderlich, während andere Prinzipien eine Verallgemeinerung direkter Erfahrung sind und nicht auf irgendwelchen Annahmen beruhen. Aber: Ist eine Effizienzsteigerung durch eine Erhöhung der Heiztemperatur möglich? Die gesamte Wärmetechnik entwickelt sich in diese Richtung (Plasmamotoren beispielsweise haben eine Heißstofftemperatur von bis zu ), aber auf diese Weise

Die Steigerung der Effizienz erfolgt langsamer als die Abnahme T 2. Und wenn sie die Temperatur im Kühlschrank senken wollen, vergessen sie meist, dass dafür Arbeit nötig ist, zumindest mit Hilfe von Flüssigkeit

wen Luft. IN Kühlaggregate Wärme wird einem kalten Körper entzogen und an einen heißen Körper abgegeben, jedoch nur durch Arbeit von außen. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass es unmöglich ist, kontinuierlich Arbeit zu leisten, ohne über ein Energiereservoir zu verfügen. Für die Erde ist die Sonne eine solche Energiequelle. An Solarenergie sowohl Wasserkraftwerke als auch Sonnenkollektoren und Windmotoren. Ihre Arbeit widerspricht nicht dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Kelvin formulierte 1851 das zweite Gesetz anders: „Ein Kreislaufprozess ist unmöglich, dessen einziges Ergebnis die Erzeugung von Arbeit durch Abkühlung des Wärmespeichers wäre.“ Eine ähnliche Formulierung stammt von Max Planck: „Es ist unmöglich, eine periodisch arbeitende Maschine zu bauen, deren einziges Ergebnis eine Erhöhung der Belastung durch die Abkühlung des Wärmespeichers wäre.“ Deshalb sagen sie manchmal: „Der Thomson-Planck-Prozess ist unmöglich.“ Clausius stellte das zweite Postulat in folgender Form auf: „Wärme kann nicht spontan von einem weniger erhitzten Körper auf einen stärker erhitzten Körper übertragen werden.“ Es lässt sich zeigen, dass alle diese Varianten des zweiten Hauptsatzes äquivalent sind und aufeinander folgen.

Konvertierung mechanische Energie zu elektrisch

Tolman-Effekt. Tolman entdeckte das Phänomen der Elektronenträgheit in Metallen. Wenn sich ein Leiter mit Beschleunigung bewegt, können wir an den Enden des Leiters eine Potentialdifferenz beobachten.

Unter Triboelektrizität versteht man das Auftreten elektrischer Ladungen bei der Reibung zweier unterschiedlicher Körper. Wenn chemisch identische Körper reiben, erhält der dichtere von ihnen eine positive Ladung. Wenn zwei Dielektrika aneinander reiben, wird das Dielektrikum mit dem größeren positiv geladen. Dielektrizitätskonstante. Stoffe können in triboelektrischen Reihen angeordnet werden, bei denen der vorherige Körper positiv und der nachfolgende negativ elektrisiert wird.

Akustoelektrischer Effekt - Auftreten Gleichstrom EMF in einem leitenden Medium (Leiter, Halbleiter) unter dem Einfluss einer wandernden Ultraschallwelle. Das Auftreten von Strom ist mit der Impulsübertragung von der Ultraschallwelle auf Elektronen verbunden. Wird zur Messung der Ultraschallintensität verwendet Feststoffe, spielt eine wichtige Rolle bei der Erforschung der Struktur der Materie.

Der piezoelektrische Effekt wird in anisotropen Dielektrika beobachtet, hauptsächlich in Kristallen bestimmter Stoffe, die eine bestimmte, eher geringe Symmetrie aufweisen. Äußere mechanische Kräfte, die in bestimmte Richtungen auf einen piezoelektrischen Kristall einwirken, verursachen in ihm nicht nur mechanische Spannungen und Verformungen (wie in jedem Festkörper), sondern auch das Auftreten damit verbundener elektrischer Ladungen unterschiedlicher Vorzeichen auf seinen Oberflächen. Wenn sich die Richtung mechanischer Kräfte in die entgegengesetzte Richtung ändert, werden die Vorzeichen der Ladungen umgekehrt. Gefunden Breite Anwendung in Drucksensoren zur Messung von Vibrationspegeln, akustischen Antennen, Fehlererkennung, Hydroakustik und leistungsstarken Ultraschallwellenquellen.

Umwandlung thermischer Energie in elektrische und thermoelektrische Energie

Unter Pyroelektrizität versteht man das Auftreten elektrischer Ladungen auf der Oberfläche von Pyroelektrika, wenn diese erhitzt oder abgekühlt werden. Beim Abkühlen wird ein Ende des Pyroelektrikums positiv und das andere negativ geladen und umgekehrt. Pyroelektrika – Dielektrika mit spontaner Polarisation – werden als Indikatoren und Empfänger von Strahlung verwendet.

Der Seebeck-Effekt ist ein thermoelektrischer Effekt, das Auftreten einer elektromotorischen Kraft in einem Stromkreis, der aus in Reihe geschalteten unterschiedlichen Leitern besteht, deren Kontakte untereinander verbunden sind unterschiedliche Temperaturen. Kann als thermoelektrischer Wandlersensor verwendet werden.

Der Peltier-Effekt ist der Effekt der Freisetzung oder Absorption von Wärme, wenn ein elektrischer Strom durch eine Verbindung zweier Metalle, Legierungen oder Halbleiter fließt. Wird in thermoelektrischen Kühlgeräten und thermoelektrischen Wandlern verwendet.

Thomson-Effekt – besteht aus der Freisetzung oder Absorption von Wärme in einem stromdurchflossenen Leiter, entlang dessen es zusätzlich zur Freisetzung von Joule-Wärme einen Temperaturgradienten gibt; Wenn entlang des Leiters, durch den der Strom fließt, ein Temperaturgradient besteht und die Richtung des Stroms der Bewegung der Elektronen vom heißen zum kalten Ende entspricht, verlangsamen sich die Elektronen beim Übergang von einem heißeren zu einem kälteren Abschnitt nach unten und übertragen überschüssige Energie auf die umgebenden Atome (Wärme wird freigesetzt); bei umgekehrte Richtung Durch den Strom werden Elektronen, die sich von einem kälteren Bereich in einen heißeren bewegen, durch das ThermoEMF-Feld beschleunigt und füllen ihre Energie auf Kosten der Energie der umgebenden Atome wieder auf (Wärme wird absorbiert).

Nernst-Ettingshausen-Effekt – Vorkommen elektrisches Feld in Metallen und Halbleitern in Gegenwart eines Temperaturgradienten (Differenz) und eines dazu senkrechten äußeren Magnetfelds. Bezieht sich auf die Anzahl thermomagnetischer Phänomene.

Galvanomagnetische Effekte

Hall-Effekt – das Auftreten eines transversalen elektrischen Feldes und der Differenz Potentiale im Leiter oder Halbleiter, durch den es fließt elektrischer Strom, wenn es in ein Magnetfeld senkrecht zur Stromrichtung gebracht wird. Basierend auf diesem Effekt entstehen Sensoren zur Messung magnetischer Felder.

Nukleare Wechselwirkungen

Starker Effekt. Aufteilung der Spektrallinien eines Atoms in Konstante elektrisches Feld Bei Atomen mit Dipolmomenten ungleich Null ist die Linienverschiebung proportional zur Feldstärke E, d. h. je nach Richtung des Feldes nimmt die Frequenz entweder zu oder ab; Bei unpolaren Dielektrika ist die Linienverschiebung proportional zu EI. Dies wird dadurch erklärt, dass das Molekül oder Atom zusätzliche Rotationsenergie erhält. Dieses Phänomen kann zu Messzwecken genutzt werden; zum Beispiel bei Messungen im Zusammenhang mit der Bestimmung (Feuchte, Zusammensetzung, Struktur usw.).

Kernspinresonanz (NMR). Qualitativ ähnlich wie EPR, jedoch quantitativ unterschiedlich. Basierend auf der NMR wurden Methoden zur Messung der Stärke magnetischer Felder (Magnetometer) und Methoden zur Überwachung des Ablaufs chemischer Reaktionen entwickelt.

Die Erfindung ist für den Einsatz in den Bereichen Energie, Verkehr, Luft- und Raumfahrt vorgesehen, wo die Steigerung des Wirkungsgrades von Wärmekraftmaschinen eine wichtige Rolle spielt. Die Methode zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie erfolgt durch die Verwendung zweier unterschiedlicher Körper in der Gasphase, deren getrennte Kompression, getrennte Wärmezufuhr zu den Arbeitsflüssigkeiten, Mischen, adiabatische Expansion des Gemisches zur Erzeugung mechanischer Arbeit, Wärmerückgewinnung, Kühlung und Trennung der Mischung. Die Erfindung ermöglicht es, die Effizienz des Kreislaufs zu steigern und minderwertige Wärme zu nutzen. 1 Gehalt f-ly, 1 Abb.

Die Erfindung ist für den Einsatz in den Bereichen Energie, Verkehr, Luft- und Raumfahrt vorgesehen, wo die Steigerung des Wirkungsgrades von Wärmekraftmaschinen eine wichtige Rolle spielt. Es gibt ein bekanntes Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie, bei dem in einem Kompressor verdichtete Luft der Brennkammer zugeführt wird, wo im Kreislauf bei der Brennstoffverbrennung Wärme zugeführt wird und die darin gebildeten Verbrennungsprodukte einem Dampf zugeführt werden -Gasejektor, bei dem bei Vermischung mit im Dampferzeuger gebildetem überhitztem Dampf unter Zufuhr von Wärme dem Wasser und der Beschleunigung in der Dampfdüse des Ejektors eine aktive Strömung bis zum Erreichen einer hohen Abgasgeschwindigkeit zugeführt wird, die Geschwindigkeit der Verbrennungsprodukte erhöht sich durch die Übertragung der kinetischen Energie des Dampfes auf sie mit anschließender Erhöhung des Drucks der Verbrennungsprodukte in der Zusammensetzung des Dampf-Gas-Gemisches, das in der Turbine entspannt wird, und durch a regeneratives Wasserheizsystem, nach der Trennung der Verbrennungsprodukte aus dem Dampf-Gas-Gemisch werden diese aus der Anlage entfernt (siehe RF-Patent N 2076929, IPC F 01 K 21/04, 1997). Die Nachteile dieser Methode sind der hohe Wärmeverbrauch zur Erzeugung von überhitztem Dampf, der Einsatz eines sperrigen regenerativen Wasserheizsystems und erhebliche Verluste beim Mischen im Ejektor. Es ist ein Verfahren zur Umwandlung thermischer Energie in mechanische Energie in einem geschlossenen Prozess mit Wärmezufuhr aus der Verbrennung fester, flüssiger oder gasförmiger Brennstoffe oder aus einer anderen Quelle bekannt, bei der ein Inertgas, beispielsweise Xenon oder CO 2, komprimiert wird einem Kompressor, in einem Gaserhitzer erhitzt und dann in den ersten Gasturbinenstufen entspannt. Verbrauchte Gase, die aber noch über Energie verfügen, gelangen in den Mischer, wo sie mit dem Arbeitsmedium, beispielsweise Wasser oder Freon, oder dem Dampf dieses Mediums vermischt werden. Das Arbeitsmedium verdampft oder überhitzt. Das Gemisch gelangt in die zweite Gasturbinenstufe und expandiert dort. Das verbrauchte Gemisch wird von der zweiten Gasturbinenstufe in den Kondensator geleitet, wobei durch Kondensation gleichzeitig die Stoffe wieder getrennt werden. Das Gas gelangt in den Kompressor, das Arbeitsgemisch in den Flüssigkeitssammler und über die Pumpe in den Erhitzer bzw. Verdampfer (siehe Anmeldung DE N 3605466, IPC F 01 K 21/04, 1987). Der Nachteil dieser Methode sind die großen Wärmeverluste und die Sperrigkeit der verwendeten Geräte. Von den bekannten Methoden zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische (elektrische) kommt die Methode der Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie am nächsten, indem zwei unterschiedliche Arbeitsflüssigkeiten verwendet, getrennt komprimiert, Wärme zugeführt, gemischt und adiabatisch ausgeweitet werden, um mechanische Arbeit zu erhalten , Abkühlen und Aufteilen der Mischung in Arbeitskörper (siehe US-Patent, N 5444981, IPC F 01 K 21/04, 1995). Bei dieser Umwandlungsmethode entzieht die Turbine Nutzenergie mit einem geringeren Druckabfall, als dies bei Verwendung nur eines Arbeitsmediums erforderlich wäre. Dieses Verfahren ist jedoch nur für die Nutzung von Wärme mit hohem Potenzial aus der Brennstoffverbrennung in einem Kessel anwendbar und weist einen nicht ausreichend hohen Kreislaufwirkungsgrad auf. Die Verwendung eines Kessels als Wärmequelle und die gemeinsame Erwärmung gemischter Arbeitsflüssigkeiten bestimmen die Wahl von Wasser und Heliumdampf als Arbeitsflüssigkeiten, die dementsprechend suboptimale thermophysikalische Eigenschaften bei der Umwandlung von Wärmeenergie aufweisen. Der Nachteil dieser Methode ist auch das Fehlen eines Wärmerückgewinnungsprozesses. Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Effizienz des Kreislaufs zu steigern und die Möglichkeit zu schaffen, Wärme mit niedrigem Potential, beispielsweise Solarwärme, Umweltwärme usw., zu nutzen. Das Problem wird dadurch gelöst, dass im Verfahren der Umwandlung thermische Energie in mechanische Energie durch Verwendung zweier unterschiedlicher Arbeitsflüssigkeiten, deren getrennte Kompression, Wärmezufuhr, Mischung, adiabatische Expansion des Gemisches unter Gewinnung mechanischer Arbeit, Abkühlung und Aufteilung der Mischung in Arbeitsflüssigkeiten, erfindungsgemäß unterschiedliche Körper im Gas Phase werden als Arbeitsflüssigkeiten verwendet (He - CO 2, He - N 2, Ar - CO 2, H 2 - N 2 oder Mischungen davon), den Arbeitsflüssigkeiten wird Wärme separat zugeführt, und nach der Expansion der Mischung wird Wärme zugeführt regeneriert zu den ursprünglichen Arbeitsflüssigkeiten. Das Problem wird durch Mischen der Arbeitsflüssigkeiten in einem Gasejektor mit einem Überschalldiffusor oder einem pulsierenden Gasejektor gelöst. Die Zeichnung zeigt ein T-S-Diagramm der Kompression, Erwärmung, Mischung, Expansion der Mischung, Wärmerückgewinnung aus der Mischung am Eingang zu den ursprünglichen Gasen, Kühlung und Trennung der Gase. Die Prozesse der adiabatischen getrennten Kompression 0-1 und 0-1" zweier unterschiedlicher Gase im Temperaturbereich von T 0 bis T 1 sind mit einer gestrichelten Linie dargestellt, da sie von einem Punkt mit den Parametern P 0 und T 0 ausgehen, und enden aufgrund unterschiedlicher Eigenschaften der verwendeten Gase bei den Punkten 1 und 1". Die Gase werden jeweils auf die Drücke P 1 und P" 1 komprimiert, und dann gibt es Prozesse der isobaren getrennten Wärmezufuhr 1-2 und 1"-2" von einer externen Quelle auf eine Temperatur von 2. Danach wird die Wärme zugeführt , die Gase werden in einem Gasejektor gemischt - Prozess 2 - P cm - 2" bei der Temperatur T cm = T 2. Es besteht die Möglichkeit, das Gasgemisch nach dem Ejektor erneut mit einem der Arbeitsflüssigkeiten zu vermischen, um vor der Expansion optimale Parameter des Arbeitsgemisches zu erreichen. Das Ejektorgasgemisch expandiert dabei P cm - P" cm auf eine Temperatur T" cm unter Erzeugung mechanischer (elektrischer) Energie. Im Prozess P" cm - P"" cm kommt es zu einer Wärmeregeneration (isobare Wärmeabfuhr aus der Mischung an die ursprünglichen Arbeitsflüssigkeiten). In diesem Fall sinkt die Temperatur der Mischung auf T 1. Der Prozess P"" cm P 0 ist adiabatisch, schließt den thermodynamischen Kreislauf und die Mischung erhält die Anfangsparameter P 0 und T 0. Am Punkt 0 wird die Mischung abgekühlt und unter Verwendung der Energie des Hauptkreislaufs in ihre ursprünglichen Komponenten getrennt Die Umwandlung thermischer Energie in mechanische Energie erfolgt wie folgt: Ungleiche Arbeitsflüssigkeiten in der Gasphase, beispielsweise He - CO 2 , He - N 2 , Ar - CO 2 , H 2 - N 2 oder deren Gemische, werden getrennt auf Drücke komprimiert P 1 und P „1“ und ihnen wird separat Wärme zugeführt, zum Beispiel die Wärme der Sonne, die Wärme der Umgebung oder andere minderwertige Wärme (Prozess 1-2 und 1 „-2“). Anschließend werden die erhitzten Arbeitsflüssigkeiten beispielsweise in einem Gasejektor gemischt (Punkt P cm). Am meisten bevorzugt ist das Mischen von Arbeitsflüssigkeiten in einem Gasejektor mit einem Überschalldiffusor. Das Gemisch der Arbeitsflüssigkeiten dehnt sich adiabatisch auf einen Druck P" cm aus und erzeugt dabei mechanische Arbeit (oder elektrische Energie). Bei dem Prozess P" cm - P" cm wird Wärme zurückgewonnen. Der Mischung wird isobar Wärme entzogen und auf die ursprünglichen Arbeitsflüssigkeiten übertragen. Der Prozess P"" cm - P 0 ist adiabatisch, schließt den thermodynamischen Kreislauf und die Mischung erhält die Anfangsparameter P 0 und T 0. Am Punkt 0 wird die Mischung abgekühlt und mithilfe der Energie des Hauptkreislaufs in ihre ursprünglichen Bestandteile zerlegt. Somit wird bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische (elektrische) Energie ein mehrkreisiger geschlossener thermodynamischer Kreislauf durchgeführt, in dem unterschiedliche Arbeitsflüssigkeiten nach ihrer Kompression und getrennten Wärmezufuhr abwechselnd gemischt oder danach getrennt werden Expansion des Gemisches in der Turbine. Der positive Effekt der Verwendung eines solchen Zyklus erklärt sich aus dem starken Unterschied in den thermophysikalischen Eigenschaften der als Arbeitsflüssigkeiten verwendeten Gase und den optimalen Parametern und Eigenschaften der Gemische, die durch Mischen dieser Gase im Ejektor erhalten werden. All dies ermöglicht es, den thermischen Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine zu steigern und minderwertige Umweltwärme (oder Solarwärme) zur Erwärmung der Arbeitsflüssigkeiten zu nutzen.

Beanspruchen

Dabei handelt es sich um Geräte zur direkten Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie. Das Funktionsprinzip von TEG basiert auf dem Seebeck-Effekt. Mit diesem Effekt kommt es in vielen Energiesystemen (zum Beispiel in Motoren) vor Verbrennungs) Es ist möglich, nutzlos verlorenes (Abfall) umzuwandeln. Wärmeenergie vom Motor bis hin zum Elektroantrieb und treibt damit verschiedene Geräte im Auto an. Thermoelektrische Generatoren können auch in einigen Kraftwerken eingesetzt werden, in denen das Kraft-Wärme-Kopplungsverfahren zum Einsatz kommt, d. h. Zusätzlich zum erzeugten Strom wird Wärme erzeugt, die für alternative Zwecke genutzt wird. Thermoelektrizität kann auch in Solarenergieumwandlungssystemen genutzt werden.

Der einfachste thermoelektrische Halbleitergenerator (Thermoelement) besteht aus negativen (n-Leitfähigkeit) und positiven (p-Leitfähigkeit) Zweigen. Ein Material mit elektronischer Leitfähigkeit hat eine negative Thermo-EMK und ein Material mit Lochleitfähigkeit eine positive, sodass Sie einen höheren Thermo-EMK-Wert (und damit einen erhöhten Wert von 77) erhalten können.

Reis. 4.54.

Der Stromkreis eines funktionierenden TEG besteht aus R- und i-Zweige eines oder mehrerer Thermoelemente (Abb. 4.54), heiße Schaltplatten (bei einer Temperatur T g) und kalte (bei Temperatur G) Verbindungen und aktive Last 7?.

Wenn die heißen Verbindungen des Thermoelements auf eine Temperatur erhitzt werden T g und Wärmeableitung UM an Kaltstellen auf Temperatur gehalten T, und auch bei offenem Stromkreis 7? stellt sich dauerhaft eine Temperaturdifferenz (G g - G x) zwischen den Verbindungsstellen ein. Der Wärmefluss durch das Thermoelement kann in diesem Fall nach einigen Vereinfachungen wie folgt geschrieben werden:

wobei k der Durchschnittswert der Wärmeleitfähigkeit der Zweige im Temperaturbereich G g - G x ist; A und/- Querschnittsfläche und Länge R- bzw. i-Zweige.

Der Temperaturunterschied an den Verbindungsstellen des Thermoelements führt zu einer thermischen Diffusion von Ladungsträgern, wodurch die heißen Verbindungsstellen der Zweige an Elektronen und Löchern verarmt werden, die sich an den kalten Verbindungsstellen konzentrieren. Durch die Verletzung der elektrischen Neutralität entsteht ein von kalten zu heißen Bereichen gerichtetes Feld, das eine weitere thermische Diffusion von Trägern verhindert. Das Feld erzeugt thermoelektromotorische Kraft V, an den Enden eines offenen Stromkreises des Thermoelements auftreten. Die resultierende EMF ist proportional zur Temperaturdifferenz und der Differenz der TEMF-Koeffizienten jedes Zweigs:

Im Moment schließt das Thermoelement eine externe Last von 7? Aufgrund des Seebeck-Effekts fließt im Stromkreis ein Gleichstrom:

(YARTEG), Solarkonzentratoren verschiedene Ausführungen (STEG). Es wird vorläufig davon ausgegangen, dass mit elektrischen Leistungen von 1 bis 10 kW im Weltraum unterwegs sein wird Flugzeug RTG und STEG sind angemessen und wann erhöhte Werte Macht (besonders im Weltraum) - YARTEG.

Für den kathodischen Schutz der wichtigsten Gas- und Ölpipelines vor Korrosion werden TEGs verwendet, die mit gasförmigem Brennstoff betrieben werden, wenn entlang der Strecke keine Stromübertragungsleitung vorhanden ist. Um die Automatisierung von Gasbohrbrunnen zu betreiben, werden TEGs verwendet, die den Temperaturunterschied zwischen der Umgebung und dem Gas aus dem Bohrloch nutzen. Die Nachteile von TEG sind die relativ geringe (3-5 %) Konvertierungseffizienz Energie und ein signifikantes (10-15 kg/kW) spezifisches Gewicht. Die Oberflächenleistungsdichte von TEG erreicht 10 kW/m 2 (pro Einheitsquerschnitt des Elements) und die volumetrische Leistungsdichte beträgt 200–400 kW/m 3 .

Um eine Standardbetriebsspannung von 30 V in einem TEG bei einem TEMF-Wert eines Thermoelements von 0,1–0,3 V zu erhalten, ist es notwendig, bis zu 100 Elemente in Reihe zu einer Batterie zu schalten. Für Raumfahrzeug Es entstehen TEGs mit einer Leistung von mehreren Hundert Watt. Die TEG-Kaskadenschaltung ermöglicht eine Steigerung der Effizienz der Energieumwandlung um bis zu 13 %.

Thermoelektrische Generatoren sind Niedertemperatur-, Mitteltemperatur- und Hochtemperaturgeneratoren. Maximale Betriebstemperatur von Niedertemperatur-TEGs (am häufigsten) mit Standardgrößen 3x3 und 4x4 cm 2 erreichen 470-520 K. Die Spannung, der Strom und die Leistung solcher TEGs bei Kalt- und Heißverbindungstemperaturen von 323 und 423 K betragen 2 V, 1 A bzw. 2 W.

Reis. 4,55. Art des industriellen TEG (o) und seiner Grundgerät(b) wobei r - innerer Widerstand Thermoelement. Der gleiche Strom bewirkt die Freisetzung und Absorption von Peltier-Wärme an den Verbindungen der p- und /7-Schenkel des Thermoelements mit Metallplatten. Die Bewegung der Ladungsträger erfolgt von heißen zu kalten Verbindungen, was der Absorption von Peltier-Wärme an den heißen Verbindungen entspricht. Mit anderen Worten: Die gesamte vom Thermoelement erzeugte elektrische Energie ist die Differenz der Peltier-Wärmen seiner heißen und kalten Verbindungen. Effizienz von Thermoelementen für thermoelektrische Generatoren wird durch die Ioffe-Relation (4.13) geschätzt. Die grundlegenden Vorteile von TEG (Abb. 4.55) gegenüber anderen Stromquellen sind: lange Lebensdauer, die keiner besonderen Wartung bedarf, und nahezu unbegrenzte Haltbarkeit bei jederzeitiger voller Betriebsbereitschaft; Stabilität im Betrieb, stabile Spannung, Unmöglichkeit Kurzschluss und Regime müßige Bewegung, hohe Zuverlässigkeit, Stabilität der Parameter;
Völlig geräuschloser Betrieb (da keine beweglichen Teile vorhanden sind) und Vibrationsfestigkeit. Dank an aufgeführten Immobilien TEGs werden in Bereichen eingesetzt, in denen äußerst zuverlässige Stromquellen vorhanden sind langfristig betriebs- und wartungsfrei. Sie dienen zur Stromversorgung von Geräten in schwer zugänglichen Objekten, die in abgelegenen Gebieten der Erde installiert sind – automatische Wetterstationen, Meeresleuchttürme, Raumschiff. Zukünftig könnten solche Objekte auf dem Mond oder auf anderen Planeten installiert werden. Als Wärmequellen für die Versorgung von TEG-Hot Junctions werden radioaktive Isotope (RTGs) und Kernreaktoren genutzt