Преобразование тепловой энергии в электрическую. Термоэлектрические генераторы Методы преобразования электрической энергии в тепловую

Исследовать работоспособность тепловых машин решил молодой французский инженер Н.С.Карно. Его работа «Размышление о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824), в которой он сформулировал общий и абстрактный методы решения специальной задачи, вышла за пределы специального исследования, положив начало новой науке - термодинамике.

Анализируя механизм действия тепловых машин, Карно исходил из того, что для их работы нужно наличие разности температур и затем их выравнивание, так же, как для работы водяных машин необходима разность уровней воды. Поэтому «возникновение движущей силы обязано в паровых машинах не действительной трате теплорода, а переходу его от горячего тела к холодному, т.е. восстановлению его равновесия». Но определяет ли производимую машиной работу? Ведь возможен процесс выравнивания температур без всякой работы, как при непосредственном тепловом контакте. Для того чтобы работа производилась, нужен посредник, рабочее вещество, которое было бы способно отобрать теплоту у нагревателя (более горячего тела) при более высокой температуре и отдать ее холодильнику (более холодному телу) - при более низкой.

Карно рассмотрел идеальную машину, которая имела бы большую эффективность, чем любая реальная машина. Идеальна она потому, что в ней отсутствует внутреннее трение, а процесс характеризуется только двумя температурами.

Теорема Карно, доказанная в этой работе: эффективность любой тепловой машины, работающей при температурах причем меньше эффективности идеальной машины. Кар-

но не вычислял коэффициент полезного действия (КПД), но указал, что он пропорционален разности падения температур единицы теплорода:

Идеи Карно в течение 10 лет не вызывали интереса, пока Клапейрон не выпустил свою книгу (1834), в которой он дал анализ работы Карно, перевел ее на математический язык и несколько улучшил сам цикл Карно - заменил его другим, теперь общеизвестным циклом из двух адиабат и двух изотерм, называемый циклом Карно. Клапейрон впервые употребил графическое изображение обратимых круговых процессов и вычислил работу как соответствующую площадь на графике.

Превращение теплоты в работу для практических целей важно, как и превращение одного вида энергии в другой. Обратимся к схеме работы тепловой машины. В цилиндре машины помещается при атмосферном давлении вещество (газ), называемое рабочим телом. Повысим его температуру, не меняя давление, и газ должен расшириться. Поршень пере-

местится на расстояние х, причем он будет двигаться против внешнего давления атмосферы. Если площадь поршня равна s, то совершается работа против силы, равной ps, так как р - сила, приходящаяся на единицу площади. Поршень переместился на расстояние х, и работа на этом пути Здесь поставлен знак минус, так как работа совершается

газом, который отдает ее внешней среде, перемещаясь в направлении, противоположном приложенной силе. Поскольку произведение sx есть изменение объема газа и равна теплоте,

затраченной на нагревание газа.

Пусть газ под поршнем в цилиндре находится в равновесии с окружающей средой. Будем медленно выдвигать поршень из цилиндра, не нарушая равновесия в каждый данный момент и сохраняя постоянство температуры. Этот процесс соответствует эмпирическому закону Бой-ля - Мариотта: pV= const. Точка 7, представляющая состояние газа, перейдет на плоскости р, V - в точку 2. Если опять же медленно и при постоянной температуре сжимать газ, то точка 2 вернется в точку 1 , потому что изотермический процесс обратим. Существует и другой обратимый процесс в идеально теплоизолированном сосуде - адиабатический. Этот процесс тоже очень медленный, так что температура во время сжатия или расширения выравнивается во всех точках, но меняется в зависимости от объема:

Оба этих обратимых процесса, конечно, идеализированы, реальные процессы могут только приближаться к ним, поскольку всегда есть какие-то потери теплоты на теплоизоляцию, вязкость среды и т. п. Цикл Карно состоит из двух изотермических и двух адиабатических процессов, которые образуют на графике в координатах (р, V) криволинейный четырехугольник. Адиабаты идут круче изотерм, поэтому они образуют боковые линии, а изотермы - основания. Теплота подводится и отнимается при изотермическом процессе, поэтому верхняя изотерма отвечает расширению газа в тепловом контакте с нагревателем температуры Т 1 , а нижняя - сжатию при контакте с холодильником при температуре Т 2 . Пусть газ получает от нагревателя теплоту Q 1 ,а холодильнику отдает теплоту Q 2 . Тогда за весь цикл он получит теплоту Q = Q 1 - Q 2 , равную совершенной работе А. Отношение работы А к теплоте, полученной у нагревателя (с нагревателем связаны основные затраты, ведь это ему нужно топливо), называется коэффициентом полезного действия теплового двигателя: КПД =

Коэффициент полезного действия двигателя, таким образом, определяется разностью температур нагревателя и холодильника, деленной на температуру нагревателя:

На рис. 4.3 графически представлена совершенная работа при Q = А + Q 1 , Возможность построения машины без холодильника, т.е. с КПД = 1, которая могла бы превращать в работу всю теплоту, заимствованную у теплового резервуара, не противоречит закону сохранения энергии. По своему практическому значению она

не уступала бы перпетуум-мобиле, так как могла бы производить работу за счет почти неисчерпаемых запасов внутренней энергии, содержащихся в воде морей и океанов, в атмосфере и недрах Земли. Такую машину У.Оствальд назвал перпетуум-мобиле второго рода (в отличие от перпетуум-мобиле первого рода - вечного двигателя, производящего работу из ничего). Карно исходил из идеи невозможности вечного двигателя, опираясь на факты многочисленных опытов, которая была возведена в постулат, названный вторым началом термодинамики.

На основе термодинамики У. Томсон (впоследствии лорд Кельвин) предложил абсолютную шкалу температур (см. рис. 4.1). Он исходил из того, что КПД всех обратимых двигателей определяется только абсолютными температурами холодильника и нагревателя. Машина Карно может использоваться для градуировки шкалы, если закрепить точку таяния льда. Проведя цикл Карно между данным телом и тающим льдом и измерив соответствующие количества теплоты, можно из прямой пропорциональности количества теплоты и температур найти абсолютную температуру (в К). С 1954 г., по определению X Генеральной конференции по мерам и весам, температура тройной точки воды (точка равновесного сосуществования льда, воды и пара) считается равной (273,16 К) при давлении 6,09 гПа.

Можно ли повысить КПД за счет уменьшения температуры холодильника? Казалось бы КПД = 1 при Т 2 = 0, но все газы гораздо раньше начинают сжижаться, т. е. перестают быть газами, следовательно, абсолютный нуль температур недостижим. Это и составляет содержание третьего начала термодинамики, утверждающего, что нельзя охладить вещества до температуры абсолютного нуля посредством конечного числа шагов. Понимание этого начала требует представлений об атомном строении вещества, тогда как другие начала есть обобщение непосредственного опыта и не зависят ни от каких предположений. Но: можно ли повысить КПД за счет увеличения температуры нагревателя? По этому пути развивается вся теплотехника (плазменные двигатели, например, имеют температуру горячего вещества до ), но этим путем

повышение КПД происходит медленней, чем понижением Т 2 . А когда хотят понизить температуру холодильника, обычно забывают, что на это надо затратить работу хотя бы с помощью жид-

кого воздуха. В холодильных установках теплота отбирается от холодного тела и отдается горячему, но только за счет работы извне. Смысл второго начала термодинамики в том и состоит, что нельзя непрерывно получать работу, не имея резервуара энергии. Для Земли таким источником энергии является Солнце. На солнечной энергии работают и гидростанции, и солнечные батареи, и ветряные двигатели. Их работа не противоречит второму началу термодинамики. В 1851 г. Кельвин сформулировал второе начало иначе: «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара». Близкую формулировку дал Макс Планк: «Невозможно построить периодически действующую машину, единственным результатом которой было бы поднятие груза за счет охлаждения теплового резервуара». Поэтому иногда говорят: «Процесс Томсона - Планка невозможен». Клаузиус выдвинул второй постулат в таком виде: «Теплота не может самопроизвольно переходить от тела менее нагретого к телу более нагретому». Можно показать, что все эти варианты второго начала эквивалентны и вытекают один из другого.

Преобразование электрической энергии в тепловую пли электронагрев имеет четыре основные разновидности, по которым классифицируются промышленные электропечи; 1) электронагрев через сопротивление; 2) дуговой электронагрев; 3) смешанный электронагрев; 4) индукционный нагрев.
Электронагрев металлургических печей имеет существенные преимущества по сравнению с нагревом в результате сжигания углеродистого топлива: возможность получения весьма высоких температур до 3000° и более при концентрации зон высоких температур в определенных участках рабочего пространства печей; легкость и плавность регулирования величины и распределения температуры в рабочем пространстве; чистота рабочего пространства и возможность избежать загрязнения его золой, серой, газами и различными примесями: низкие потерн металлов со шлаками, пылью, газами и вследствие угара; высокий термический к. п. д., достигающий 70-85%; малое количество газов и пыли; возможность комплексной механизации и автоматизации; культура и чистота рабочих мест; возможность применять любую газовую среду и вакуум.
К недостаткам электронагрева относятся: высокое потребление электроэнергии, значительно превосходящее потребление в других отраслях народного хозяйства, и конструктивное ограничение производительности и мощности для некоторых типов электропечей. в дальнейшем в связи с увеличением мощности и числа электростанций, снижением стоимости электроэнергии и увеличением мощности и производительности электропечей перечисленные недостатки утратят свое значение.
Общая активная, или ваттная мощность трехфазной электропечной установки Р определяется по формуле

Электронагрев через сопротивление

Этот тип электронагрева имеет несколько разновидностей. По способу выделения тепла различают косвенный и прямой нагрев; наибольшее значение и распространение в печной технике имеет косвенный нагрев, характеризующийся тем, что тепло выделяется в специальных нагревательных элементах (сопротивлениях) и передается от них к обрабатываемому материалу теплоотдачей. По температуре рабочего пространства печей различают нагрев; низкотемпературный в интервале 100-700°, среднетемпературный 700-1200° и высокотемпературный 1200-2000°.
При низкотемпературном нагреве весьма большое значение имеет теплообмен между нагревателем и материалом конвекцией, которая всемерно интенсифицируется принудительной циркуляцией с большими скоростями газа или воздуха внутри печен. При среднетемпературном и высокотемпературном нагреве, особенно при отсутствии принудительной циркуляции газов, основное количество тепла передается от нагревателей к обрабатываемым материалам излучением. Для электрических печей сопротивления высокотемпературный нагрев имеет лишь ограниченное значение.
Электронагрев сопротивлением нашел наибольшее применение для сушки и обжига материалов, нагрева и термической обработки металлов и сплавов, плавки легкоплавких металлов - олова, свинца, цинка, алюминия, магния и их сплавов, а также для лабораторных и бытовых нужд. Поскольку, однако, при косвенном нагреве размер нагревательных элементов увеличивается, а размещение их в рабочем пространстве печи оказывается затруднительным, верхний предел мощности электрических печей сопротивления ограничивают величиной 600-2000 квт.
Для нормального протекания процесса преобразования электрической энергии в тепловую и длительной устойчивой работы нагревательные элементы должны обладать следующими качествами: большим удельным электрическим сопротивлением, допускающим достаточное поперечное сечение элементов и ограниченную их длину; малым электрическим температурным коэффициентом, ограничивающим разницу в электрическом сопротивлении нагретого и холодного нагревателя, постоянством электрических свойств во времени; жаростойкостью и неокисляемостью; жаропрочностью, т. е. достаточной механической прочностью при высоких температурах; постоянством линейных размеров; хорошей обрабатываемостью материала (свариваемость, пластичность и др.). Этим требованиям наиболее удовлетворяют сплавы никеля, хрома, железа (нихром, фехраль и жаропрочная сталь), применяемые в электропечах сопротивления в виде проволоки или ленты, и углеродистые материалы, применяемые в виде угольных, графитовых или карборундовых стержней.
Определение размеров нагревательных элементов можно научно обосновать совместным решением двух основных уравнений, описывающих существо работы нагревателей - уравнения мощности и уравнения теплообмена. Поскольку нагревательный элемент является составной частью электрической цели, то для получения необходимой мощности он должен обладать определенными размерами и сопротивлением. С другой стороны, вся тепловая энергия, полученная в нагревательном элементе в результате преобразования электроэнергии, должна быть передана теплоотдачей к перерабатываемым материалам и футеровке печи, для чего необходимо иметь определенную поверхность, температуру и коэффициент теплоотдачи. Если теплоотдача нагревательного элемента не соответствует происходящему в нем тепловыделению - элемент будет перегреваться, а его температура может превысить допустимые для материала пределы, что приведет к разрушению нагревателя.
На основании решения уравнения мощности для нагревательных элементов любой формы и материала выведена общая формула

При расчете размеров нагревателя величина w должна точно соответствовать его удельной теплоотдаче, которую находят решением соответствующего уравнения теплообмена нагревателя, кладки и материала А.Д. Свенчанский проанализировал условия теплоотдачи для различных реальных нагревателей и составил графики и таблицы, с помощью которых можно находить величину w.

Дуговой электронагрев

Этот вид электронагрева применяется в высокотемпературных электрических печах большой мощности преимущественно для плавки различных материалов. Если дуга горит между электродом и перерабатываемым в печи материалом, то такие печи называются печами прямого действия с зависимой дугой: открытой - видимой (рис. 20, а) или закрытой - невидимой дугой, погруженной в слой шихты или расплава (рис. 20, б). Если дуга горит между электродами и непосредственно не соприкасается с перерабатываемыми в печи материалами и продуктами, то такие печи называются печами косвенного действия с независимой дугой (рис. 20, в). Наибольшим термическим к. п. д. обладают дуговые печи прямого действия, особенно с закрытой дугой, поскольку в них имеются наилучшие условия для теплообмена между дугой и материалом, позволяющие быстро и с ограниченными потерями тепла нагревать материал до весьма высокой температуры.

Дуговые печи прямого действия получили наибольшее применение для выплавки стали и ферросплавов, плавки и рафинирования меди и никеля и переработки различного рудного сырья. При плавке металлов или сплавов с высокой (металлической) электропровадностью можно работать только с открытой дугой, горящей на поверхности материала, так как погружение электродов в слой материала поведет к короткому замыканию. Работа с закрытой дугой возможна, когда перерабатываемые материалы и продукты имеют ограниченную (не металлическую) электропроводность. Дуговые печи непрямого действия применяются в тех случаях, когда соприкосновение перерабатываемого материала с дугой ухудшает качество продуктов или увеличивает потери, например при плавке некоторых цветных металлов и сплавов (латунь, бронза и др.). Следует особо подчеркнуть, что дуговой электронагрев в отличие от нагрева сопротивлением не имеет каких-либо ограничений по общей мощности печей.
Дуговой электронагрев слагается из процесса преобразования электроэнергии в тепловую, протекающего в горящей дуге, и процесса теплообмена между дугой, материалом и футеровкой. Описание закономерностей первого процесса является предметом так называемой теории дуги и особенно дуги переменного тока большой мощности. Значительный вклад в разработку теории дуги внесли В.В. Петров, В.Ф. Миткевич, С.И. Тельный, И.Т. Жердев, К.К. Хренов, Г.А. Сисоян и др. Вопросами теплообмена между дугой, материалом и футеровкой занимались Д.А. Диомидовский, Н.В. Окороков и др.
Электрическая дуга может быть получена при постоянном и переменном токе, но все промышленные печи работают обычно на переменном токе. Для устойчивого горения дуги и ограничения толчков тока при коротких замыканиях последовательно с ней в электрическую цепь включается индуктивное сопротивление, поглощающее небольшую долю активной мощности. При переменном токе в течение каждого полупериода напряжение сети и сила тока достигают максимума и проходят через нуль. На рис. 21, а показаны теоретические кривые мгновенного значения силы тока и напряжения дуги Iд и Uд и напряжения питающего источника Uист. Когда напряжение источника после перехода через нуль начинает расти, дуга зажигается только при достижении величины напряжения зажигания U1. С этого момента в цепи появляется ток, возрастающий по периодической кривой, отличной От синусоиды. Дуга затухает при напряжении затухания т. е. раньше перехода через нуль напряжения источника, и в этот момент прекращается ток. После перехода через нуль все описанные явления повторяются. Таким образом, ток в дуге идет прерывисто и дуга то зажигается, то погасает. Длительность перерывов в горении дуги зависит от многих факторов и, в частности, от материала электродов, степени разогрева печного пространства и др. Понятно, что прерывистая дуга снижает эффективность дугового нагрева и поэтому должны создаваться условия, обеспечивающие непрерывное горение дуги переменного тока. Основным средством для непрерывного горения дуги переменного тока является последовательное включение в цепь дуги индуктивного сопротивления, что видно из рис. 21, б и в.
Исследование дифференциального уравнения дуги переменного тока, имеющей в цепи активное и индуктивное сопротивления, определило соотношение величин индуктивного X и активного R сопротивлений, обеспечивающее непрерывное горение дуги при заданных напряжениях источника Uист и дуги Uд (рис. 22).

Эффективность дугового нагрева в весьма большой степени зависит от электрического режима горящей дуги и, в первую очередь, от величин напряжения и силы тока.
В настоящее время еще не создана научно обоснованная методика определения наивыгоднейшего напряжения для питания дуговых печей. Поэтому напряжение выбирают по данным заводской практики в пределах от 100 до 600 в, причем более высокое напряжение обычно принимается для дуговых печей большой мощности и для печей с закрытой дугой. Связь максимального рабочего напряжения Uлин и номинальной мощности печи Рном принято выражать эмпирической формулой

где k и n - эмпирические коэффициенты, имеющие различные значения в зависимости от типа печи и характера процесса. Например для дуговых сталеплавильных печей к = 15; n = 0,33. Работа на повышенном напряжении более рациональна, так как снижает потери электроэнергии и увеличивает длину и тепловое излучение дуги. Верхний предел напряжения (600 в) обусловлен в основном условиями электрической изоляции печи и безопасности обслуживающего персонала.
После определения величины напряжения выбор других показателей электрического режима электропечной установки с дуговым нагревом - оптимальной силы тока, cos φ и к. п. д. - производится по ее рабочим характеристикам. Рабочие характеристики дуговых печей нaxодят построением круговых диаграмм: для действующих заводских печей снимают с натуры, для вновь проектируемых печей - по расчетным данным.
Для теории дугового нагрева и расчета дуговых печей весьма большое значение имеет процесс теплообмена между горящей дугой и перерабатываемыми в печи материалами. Однако теория теплообмена в рабочем пространстве дуговых печей находится еще в начальной стадии своего развития и требует дальнейшей углубленной разработки.

Смешанный электронагрев

Этот тип нагрева, являющийся результатом совместного тепловыделения в электрической дуге и в сопротивлении слоя шихты или расплавов, имеет основное значение для рудно-термических печей, выплавляющих ферросплавы, чугун и перерабатывающих рудное сырье и полупродукты цветной металлургии и химической промышленности.
в наиболее сложном случае электрический ток, проходящий через дугу и слои шихты, шлака и металла, преобразуется в них в тепловую энергию Qдуги, Qшихты, Qшлака, Q металла, печи Робщ представляет сумму перечисленных тепловыделений. Принципиальная схема расчета всех этих тепловыделений и связь их с геометрией горна рудно-термических печей была в свое время освещена автором но для точного расчета тепловыделений не достает еще очень многих данных по термической характеристике дуги, электросопротивлениям шихты и расплавов, форме и размерам токопроводящих участков и т. п. Соответственно предложенный автором методом расчета руднотермических электропечей носит пока ориентировочный характер и имеет ограниченное применение.
Для цветной металлургии наибольшее значение имеют рудно-термические печи, работающие с электродами, погруженными в толстый слой шлака, в которых происходит смешанный электронагрев, складывающийся из двух основных составляющих: Qдуги и Qшлака.
М.С. Максименко предложил разделять все электротермические процессы на две основные группы; 1) процессы, в которых доля энергии, поглощаемая в дуге р, больше доли энергии, поглощаемой в шихте и расплавах 2) процессы, у которых р

Индукционный электронагрев

Индукционный электронагрев осуществляется по принципу трансформатора, у которого вторичная обмотка замкнута на. себя, в результате чего индуктируемый электрический ток преобразуется в тепловую энергию. Роль вторичной обмотки играет обычно сам нагреваемый материал. Электрическая энергия, подводимая в первичную обмотку (индуктор), совершает сложный переход в энергию быстропеременного магнитного поля, которая, в свою очередь, вновь переходит во вторичной цепи в электрическую энергию, преобразуемую здесь за счет сопротивления цепи в тепловую энергию. Если нагреваемый материал ферромагнитен, те часть энергии переменного магнитного поля преобразуется в тепловую энергию непосредственно, без перехода в электрическую энергию.
Наибольшее распространение в технике имеют два типа индукционных печей: 1) печи с железным сердечником; 2) печи без сердечника - высокочастотные.

Печи с железным сердечником имеют принципиальную схему (рис. 23, а), похожую на схему обычного трансформатора, у которого первичная обмотка насажена на железный сердечник, а вторичная представлена замкнутым кольцом расплавленного металла, т. е. совмещена с нагрузкой. В результате энергичной циркуляции металл, нагреваемый в кольцевом канале, поднимается вверх в рабочее пространство печи и, соприкасаясь с находящейся там шихтой, нагревает и расплавляет ее.
Печи без сердечника по своей схеме представляют воздушный трансформатор (рис. 23, б), первичной обмоткой которого является медная катушка - индуктор, а вторичная-сама металлическая шихта, загруженная в тигель.
Действующее значение индуктируемой электродвижущей силы Е. в, зависит от амплитудной величины полезного магнитного потока Фм, вб, частоты переменного тока f, пер/сек, числа витков обмотки w, и выражается формулой

В печах с железным сердечником величина достаточно большая благодаря концентрации полезного магнитного потока в сердечнике, а в печах без сердечника величина мала из-за большого магнитного рассеивания. Вследствие этого в индукционных печах с железным сердечником необходимая величина электродвижущей силы Е легко достигается на переменном токе с нормальной и пониженной частотой (f Основные преимущества индукционного нагрева следующие: выделение тепла прямо в массе нагреваемого материала, что уменьшает роль теплообменных процессов, обеспечивает более равномерный прогрев материала и значительно повышает термический к. п. д. индукционных печей; исключительная чистота рабочего пространства печей (обусловленная отсутствием загрязняющих его продуктов горения топлива, материалов нагревательных элементов и электродов), позволяющая получать особо чистые металлы и сплавы; возможность полной изоляции рабочего пространства печей от окружающего воздуха и ведения плавки в вакууме или в газовой защитной атмосфере; возможность получения весьма высокой температуры, лимитируемой только свойствами нагреваемого материала и огнеупорной кладки; энергичное перемешивание расплавов электромагнитными и тепловыми потоками, позволяющее получать сплавы равномерного химического состава; высокая удельная производительность индукционных печей; большая скорость нагрева и плавления; малые потери металлов от угара; высокая техническая культура печных агрегатов, отсутствие пыли и газов.
К недостаткам индукционного нагрева относятся: пониженный коэффициент мощности, поскольку для печей с железным сердечником соs φ = 0,3/0,8 и для бессердечниковых печей соs φ = 0,03/0,1; ограниченные размеры, мощность и емкость индукционных печей по сравнению с другими агрегатами; сложность электрического оборудования бессердечниковых печей, требующих специальных источников переменного тока высокой частоты и конденсаторных батарей значительной емкости; ограниченная стойкость футеровки каналов печей с железным сердечником и тиглей бессердечниковых печей: низкая температура нагрева шлаков.
Преимущества индукционного нагрева обусловили его широкое распространение. Индукционные печи с железным сердечником являются в настоящее время основным агрегатом для плавки и литья цветных металлов и производства цветных сплавов. Индукционные печи без сердечника применяются для плавки цветных и благородных металлов и для получения качественных стальных отливок. В металлургии меди, никеля и цинка также применяются индукционные печи, работающие на конечных переделах. Индукционный нагрев широко применяется на машиностроительных заводах при термической обработке различных металлических заготовок и изделий.
Теория индукционных печей с железным сердечником базируется на теории однофазного двухобмоточного трансформатора с железным сердечником. Отличие обычного трансформатора от индукционной печи с железным сердечником заключается в том, что у трансформатора вторичная обмотка и сеть потребления (нагрузка) находятся на значительном расстоянии одна от другой, а в индукционной печи вторичная обмотка совмещена с нагрузкой и представлена кольцом расплавленного металла.
Преобразуемая мощность Рпр может быть выражена через вторичный ток I2 и фактическое активное сопротивление металла в канале r2 формулой

Мощность, теряемая в индукторе (электрические потери) Рэл, выражается через первичный ток I1 и фактическое активное сопротивление обмотки индуктора

Полная активная (ваттная) мощность индукционной печи с железным сердечником Р будет

В теории индукционных печей без железного сердечника эти печи рассматриваются как воздушные трансформаторы, у которых в результате отсутствия замкнутого железного магнитопровода магнитные потоки проходят по перерабатываемой шихте и по воздуху.
Частота питающего индуктор переменного тока f зависит от емкости (мощности) индукционной печи и удельного сопротивления перерабатываемой шихты р2. Исследования показывают, что чем больше емкость печи и ее размеры, в частности диаметр шихты d, см, и чем меньше удельное сопротивление расплавленного металла р2. ом/см3, тем меньше может быть минимальная частота fмин, гц; указанная зависимость выражается формулой

Каждой емкости печи и сопротивлению соответствует определенная оптимальная частота питающего тока, при которой к. п. д. печи достигает возможного максимального значения. Для бессердечниковых печей большой емкости (мощности) оказалось возможным применять пониженную частоту переменного тока, вплоть до нормальной 50 гц.
Активная мощность бессердечниковой печи Ра состоит из мощности, преобразуемой в шихте, и мощности, теряемой в индукторе, и выражается формулой

На основании закономерностей процессов горения топлива и преобразования электрической энергии в тепловую могут решаться следующие наиболее важные задачи по теории, эксплуатации и проектированию металлургических печей:
а) выбор системы нагрева печей (углеродистое топливо или электроэнергия);
б) выбор типа и сорта топлива и системы его сжигания;
в) выбор параметров электроэнергии и системы ее преобразования в тепловую энергию;
г) расчеты процессов горения топлива;
д) выбор и расчет топочных устройств;
е) расчет и конструирование электрических печей.

Область техники

Изобретение относится к способам и устройствам для преобразования тепловой энергии в электрическую и может применяться в качестве автономного источника электрической энергии, используя для нагрева, например, солнечную тепловую энергию или любой другой источник тепла.

Уровень техники

Из уровня техники известны средства и методы для преобразования тепловой энергии в электрическую (см. US 4381463 A, 26.04.1983; US 4454865 A, 19.06.1984), использующие для нагрева рабочего тела солнечную энергию. Принцип работы известных способов и устройств основан на конвекционной циркуляции электропроводящего рабочего тела и прохождении его через магнитогидродинамический генератор для получения электрической энергии. Недостатками известных способов и устройств являются: сложность реализации, экономическая неэффективность, неэкологичность, обусловленные использованием в качестве рабочего тела жидких металлов, в частности, ртути.

Известно устройство электростанции (см. JPS 62272860 A, 27.11.1987), использующее в качестве электропроводящей среды ионизированную жидкость, проходящую через магнитогидродинамический генератор. Недостатками известного устройства являются, в частности: сложность изготовления, низкая надежность, обусловленные работой устройства при больших давлениях.

Известно устройство преобразования солнечной энергии в электрическую (см. US 4191901 A, 04.03.1980), использующее в качестве рабочей среды органическую жидкость. Недостатками известного устройства, в частности, являются: сложность конструкции и низкая надежность, обусловленные необходимостью его работы при больших давлениях для обеспечения прохождения рабочей среды через магнитогидродинамический генератор.

В качестве наиболее близкого аналога приняты способ и устройство преобразования тепловой энергии, известные из RU 2013743 C1, 30.05.1994. Известный способ включает циклические нагрев и испарение жидкости, транспортирование ее паров, дальнейшую их конденсацию, в зоне, расположенной выше зоны испарения, и направление жидкости из зоны конденсации в устройство преобразования энергии. Известное устройство содержит жидкость в замкнутом контуре, включающем последовательно соединенные нагреватель-испаритель, конденсатор и преобразователь энергии. Конденсатор установлен выше относительно нагревателя-испарителя, а все элементы устройства соединены теплоизолированным трубопроводом. Недостатками известного устройства и способа, как и у вышеупомянутых средств и методов, являются: сложность реализации, низкая надежность, обусловленные необходимостью обеспечить усиленные герметичные соединения элементов для работы при больших давлениях.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является разработка решения для преобразования тепловой энергии в электрическую, лишенного недостатков известных средств и методов данного назначения.

Техническим результатом предложенного изобретения является упрощение реализации способа, конструкции устройства, повышение надежности, долговечности, экологичности и экономичности, расширение области применения.

Технический результат достигается в способе преобразования тепловой энергии в электрическую, включающем циклические нагрев и испарение жидкости, транспортирование ее паров, дальнейшую их конденсацию, в зоне, расположенной выше зоны испарения, и направление жидкости из зоны конденсации в устройство преобразования энергии. При этом часть нагретой жидкости направляют непосредственно в устройство преобразования энергии, формируя конвекционный контур, в зону конденсации, совместно с парами, посредством аэролифта, транспортируют другую часть жидкости и используют жидкость из зоны конденсации для ускорения жидкости в конвекционном контуре, причем в зоне конденсации обеспечивают атмосферное давление.

Нагрев и испарение жидкости можно осуществлять при помощи солнечной энергии.

Технический результат достигается в устройстве преобразования тепловой энергии в электрическую, содержащем жидкость в замкнутом контуре, включающем последовательно соединенные, при помощи теплоизолированного трубопровода, нагреватель-испаритель, конденсатор и преобразователь энергии. При этом в нем сформирован дополнительный конвекционный контур для жидкости посредством дополнительной связи выхода нагревателя-испарителя с преобразователем энергии, между нагревателем-испарителем и конденсатором установлен аэролифт, а связь конденсатора с преобразователем энергии выполнена через конвекционный контур с возможностью ускорения потока жидкости по контуру, причем конденсатор выполнен с возможностью обеспечения в нем атмосферного давления.

В качестве преобразователя энергии может быть использован магнитогидродинамический генератор или турбина с генератором.

Жидкость может содержать в себе соль и/или антифриз и углеродные нанотрубки. А в качестве самой жидкости может быть использована вода.

Нагреватель-испаритель может быть выполнен с возможностью получения тепловой энергии от солнца. При этом в случае непрозрачной жидкости нагреватель-испаритель выполняется прозрачным, а в случае прозрачной жидкости нагреватель-испаритель выполняется непрозрачным. Нагреватель-испаритель может содержать теплообменные ребра. В прозрачном нагревателе-испарителе теплообменные ребра находятся внутри него, а в непрозрачном нагревателе-испарителе теплообменные ребра выполнены на нагреваемой его стороне и обращены внутрь. Теплообменные ребра выполнены из темного или черного пластика, или из черненой меди.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - схематичный вид устройства преобразования тепловой энергии в электрическую с использованием прозрачной жидкости.

Фиг.2 - схематичный вид устройства преобразования тепловой энергии в электрическую с использованием непрозрачной или полупрозрачной жидкости.

Осуществление изобретения

Предложенное изобретение предназначено для преобразования тепловой энергии в электрическую и может применяться в качестве автономного источника электрической энергии, как индивидуального бытового пользования, так и промышленного. В качестве источников тепла можно использовать топливные источники, радиоизотопные, атомные (тепло атомного реактора), солнечные, утилизационные, а также тепло из любых источников, выделяющих сбросное тепло (выхлопные, печные газы и др.). Предложенное решение может работать в системе, например, путем его объединения с устройствами отопления и горячего водоснабжения, работающими на солнечной энергии, такими как солнечные коллекторы.

Сущность предложенного способа состоит в обеспечении двухконтурной системы движения потоков жидкости, один из которых использует конвекцию в качестве движущий силы, а в другом применяется аэролифт с последующим использованием потенциальной энергии гравитационного поля для ускорения потока жидкости в конвекционном контуре. Вариант реализации предложенного способа приведен ниже в описании устройства, работающего на его основе.

Устройство для реализации способа преобразования тепловой энергии в электрическую (Фиг.1) содержит последовательно соединенные в замкнутый контур нагреватель-испаритель 1 с теплообменными ребрами 2, аэролифт 3, конденсатор 4, эжектор 5 и преобразователь энергии 6. Выход нагревателя-испарителя 1 дополнительно соединен с входом забора эжектируемой среды эжектора 5, сопло которого соединено с конденсатором 4. Соединения между элементами устройства выполняются при помощи теплоизолированных труб. Конденсатор 4 располагается выше относительно нагревателя 1, и в нем выполнен патрубок 7, служащий для выравнивания внутреннего давления паро-жидкостной среды с атмосферным и работы аэролифта 3. Через патрубок 7 возможно осуществлять долив жидкости, в случае ее испарения и понижения уровня, в остальное время он закрыт противопыльным фильтром или мембраной.

Все элементы устройства, за исключением преобразователя энергии 6, могут быть выполнены из пластика, такого как поликарбонат. Теплообменные ребра 2 могут быть выполнены как из темного или черного пластика, так и из черненой меди. Преобразователем энергии 6 может служить магнитогидродинамический генератор (МГД-генератор) или жидкостная турбина с генератором.

Жидкость 8 может содержать в себе соль и/или антифриз и углеродные нанотрубки, а в качестве самой жидкости может быть использована вода. Процентный состав компонентов жидкости выбирается из необходимых эксплутационно-технических и экономических требований. Так, например, добавление в жидкость антифриза позволяет работать устройству при пониженных температурах, добавление соли также влияет на понижение температуры замерзания жидкости и повышает ее электропроводность. Добавление в состав жидкости углеродных нанотрубок влияет на интенсивность теплообмена и электропроводность. Дополнительно в состав жидкости могут быть введены красители, влияющие на ее прозрачность для различных вариантов выполнения устройства, которые будут показаны ниже.

Один из вариантов выполнения устройства использует прозрачную жидкость (Фиг.1). Работает устройство преобразования тепловой энергии в электрическую следующим образом. Для примера, в качестве источника тепла используется солнечная энергия, которая может быть как прямой, так и отраженной с помощью рефлектора. При попадании тепловой (солнечной) энергии на нагреватель-испаритель 1, происходит нагрев жидкости 8, которая начинает конвекционное движение по контуру (конвекционный контур), включающему нагреватель-испаритель 1, эжектор 5, преобразователь энергии 6. Для улучшения теплообмена, повышения интенсивности нагрева и парообразования жидкости 8, при слабой облученности, возможно использование теплообменных ребер 2. При использовании прозрачной жидкости нагреватель-испаритель 1 выполняется непрозрачным, а теплообменные ребра 2 выполнены на его нагреваемой стороне и обращены внутрь. При повышении температуры жидкости 8 начинается процесс кипения и ее часть переходит в газообразное состояние (пар), образуя смесь жидкости и пара. За счет разницы между давлением пара и атмосферным давлением, обеспечиваемым патрубком 7 в конденсаторе 4, жидкость 8 начинает подниматься по аэролифту 3 в конденсатор 4. По мере накопления жидкости 8 в конденсаторе 4 она направляется в сопло эжектора 5. За счет разницы высот между конденсатором 4 и эжектором 5, жидкость 8 на выходе конденсатора 4 обладает потенциальной энергией, которая в эжекторе 5 переходит в кинетическую и передается потоку жидкости 8 в конвекционном контуре, ускоряя ее движение по контуру.

При использовании в качестве преобразователя энергии 6 МГД - генератора, электрическая энергия образуется за счет прохождения через него электропроводящей жидкости 8. В случае использования турбины с генератором происходит преобразование энергии потока жидкости 8 в механическую энергию вращения турбины и далее в электрическую. Полученная на преобразователе 6 электрическая энергия направляется потребителю.

Устройство может работать при слабом потоке тепла и при сильно отрицательных температурах, когда испарение жидкости 8 не представляется возможным. В данном случае преобразование энергии в устройстве происходит за счет работы конвекционного контура.

Второй вариант устройства, представленный на Фиг.2, работает по аналогии с первым вариантом. Отличием является применение прозрачного нагревателя-испарителя 1. Для поглощения в нем солнечной энергии используется непрозрачная или полупрозрачная жидкость 8. В случае использования полупрозрачной жидкости 8 возможна установка теплообменных ребер 2 внутри прозрачного нагревателя-испарителя 1, а в случае использования непрозрачной жидкости 8 необходимость в них полностью отпадает.

Предложенный способ и конструкция устройства для преобразования тепловой энергии в электрическую не требуют обеспечения герметичных швов и материалов, предназначенных для работы при больших давлениях, что позволяет упростить и удешевить реализацию способа и конструкцию устройства, повысить их надежность и долговечность при эксплуатации. Возможность использования различных преобразователей энергии и работа в широком температурном диапазоне расширяет область применения изобретения. Кроме того, за счет особенностей конструкции и принципа работы, устройство может изготавливаться из пластика и использовать экологически чистые жидкости, что повышает его экологичность и экономичность, в отличие от аналогичных устройств, использующих в качестве жидкости фреон, ртуть и т.д.

Таким образом, предложенное решение обеспечивает получение указанного выше, технического результата.

Следует отметить, что описание изобретения и чертежи приведены только в качестве примера и не ограничивают возможные модификации технического решения в рамках предложенной формулы.

1. Способ преобразования тепловой энергии в электрическую, включающий циклические нагрев и испарение жидкости, транспортирование ее паров, дальнейшую их конденсацию, в зоне, расположенной выше зоны испарения, и направление жидкости из зоны конденсации в устройство преобразования энергии, отличающийся тем, что часть нагретой жидкости направляют непосредственно в устройство преобразования энергии, формируя конвекционный контур, в зону конденсации, совместно с парами, посредством аэролифта, транспортируют другую часть жидкости и используют жидкость из зоны конденсации для ускорения жидкости в конвекционном контуре, причем в зоне конденсации обеспечивают атмосферное давление.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве преобразователя энергии используют магнитогидродинамический генератор или турбину с генератором.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что жидкость содержит в себе соль и/или антифриз и углеродные нанотрубки.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкости используется вода.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев и испарение жидкости осуществляют при помощи солнечной энергии.

6. Устройство преобразования тепловой энергии в электрическую, содержащее жидкость в замкнутом контуре, включающем последовательно соединенные, при помощи теплоизолированного трубопровода, нагреватель-испаритель, конденсатор и преобразователь энергии, отличающееся тем, что в нем сформирован дополнительный конвекционный контур для жидкости посредством дополнительной связи выхода нагревателя-испарителя с преобразователем энергии, между нагревателем-испарителем и конденсатором установлен аэролифт, а связь конденсатора с преобразователем энергии выполнена через конвекционный контур с возможностью ускорения потока жидкости по контуру, причем конденсатор выполнен с возможностью обеспечения в нем атмосферного давления.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что в качестве преобразователя энергии используется магнитогидродинамический генератор или турбина с генератором.

8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что жидкость содержит в себе соль и/или антифриз и углеродные нанотрубки.

9. Устройство по п.6, отличающееся тем, что в качестве жидкости используется вода.

10. Устройство по п.6, отличающееся тем, что нагреватель-испаритель выполнен с возможностью получения тепловой энергии от солнца.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что в случае непрозрачной жидкости нагреватель-испаритель выполняется прозрачным, а в случае прозрачной жидкости нагреватель-испаритель выполняется непрозрачным.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что нагреватель-испаритель содержит теплообменные ребра.

13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что в прозрачном нагревателе-испарителе теплообменные ребра находятся внутри него, а в непрозрачном нагревателе-испарителе теплообменные ребра выполнены на нагреваемой его стороне и обращены внутрь.

14. Устройство по п.12, отличающееся тем, что теплообменные ребра выполнены из темного или черного пластика, или из черненой меди.

Похожие патенты:

Вертикальный ветровой электрогенератор содержит опорную колонну (1), по крайней мере один генераторный блок (2), по крайней мере две лопасти (3), устройство контроля возбуждения, выпрямительное устройство, реверсивный частотный преобразователь, фланцы, опоры, систему охлаждения, подъемный механизм (80) и подъемную систему.

Изобретение относится к области электротехники и касается особенностей конструктивного выполнения электрических машин, в частности - к синхронным электрическим машинам с возбуждением от постоянных магнитов, которые наряду с известными достоинствами обладают и некоторыми недостатками, в частности - довольно сложными пусковыми и регулировочными характеристиками и относительно низким КПД.

Изобретение относится к электротехнике и энергетике, а более конкретно к "малой" энергетике - автономным источникам питания на базе силовых агрегатов небольшой мощности, способных работать в полевых условиях в автоматическом режиме не менее 1 - 2 лет.

Изобретение относится к способу производства электроэнергии из биотоплива и солнечной энергии. Заявляется система производства электроэнергии из солнечной энергии с использованием котла на биотопливе (6) в качестве дополнительного источника теплоты, которая включает концентрирующий солнечный коллектор, котел на биотопливе (6), турбогенератор, при этом в концентрирующем солнечном коллекторе в качестве рабочего тела используется вода и применяются трубки солнечного коллектора (13) среднего давления, скомбинированные в последовательно-параллельную матрицу, выход концентрирующего солнечного коллектора соединен с основанием барабана (6а) котла на биотопливе (6) через второй клапан управления (22), а выход пара из барабана котла на биотопливе (6а) соединен с цилиндром (3) турбогенератора (1).

Изобретение предназначено для поддержания комфортных параметров воздуха в малоэтажных зданиях, преимущественно на животноводческих фермах. Система гелиотеплохладоснабжения, содержащая южный, выполненный из поглощающего солнечную радиацию материала, и северный воздухопроводы, расположенные на соответствующих сторонах здания, тепловой аккумулятор, образующий с полом здания подпольный воздухопровод, сообщенный с южным, а также расположенные под тепловым аккумулятором один над другим теплообменный и грунтовый воздухопроводы, первый из которых сообщен с северным, а второй снабжен грунтовыми теплопроводящими трубами, при этом система снабжена размещенной в тепловом аккумуляторе вихревой трубой, входом сообщенной с подпольным воздухопроводом, «холодным» каналом - с помещением, а «горячим» - через тепловой аккумулятор с грунтовым воздухопроводом, выходы подпольного и грунтового воздухопроводов подсоединены к «холодному» каналу вихревой трубы, а за местом их подсоединения установлен фильтр, при этом южный и северный воздухопроводы сообщены с атмосферой, а теплообменный - с помещением, отличающаяся тем, что грунтовой воздухопровод выполнен из композиционного материала, который включает металлическое основание, теплоизоляционный и теплоаккумулирующий тонковолокнистый базальт и гидроизоляцию, причем тонковолокнистый базальт продольно расположен в растянутом положении по длине грунтового воздухопровода и закреплен в виде слоя между металлическим основанием и гидроизоляцией.

Изобретение предназначено для поддержания комфортных параметров воздуха в малоэтажных зданиях, преимущественно на животноводческих фермах. Система гелиотеплохладоснабжения содержит южный, выполненный из поглощающего солнечную радиацию материала, и северный воздухопроводы, расположенные на соответствующих сторонах здания, тепловой аккумулятор, образующий с полом здания подпольный воздухопровод, сообщенный с южным, а также расположенные под тепловым аккумулятором один над другим теплообменный и грунтовый воздухопроводы, первый из которых сообщен с северным, а второй снабжен грунтовыми теплопроводящими трубами, при этом система снабжена размещенной в тепловом аккумуляторе вихревой трубой, входом сообщенной с подпольным воздухопроводом, холодным каналом - с помещением, а горячим - через тепловой аккумулятор с грунтовым воздухопроводом, выходы подпольного и грунтового воздухопроводов подсоединены к холодному каналу вихревой трубы, а за местом их подсоединения установлен фильтр, при этом южный и северный воздухопроводы сообщены с атмосферой, а теплообменный - с помещением, при этом система снабжена термоэлектрическим генератором, выполненным в виде корпуса и комплекта дифференциальных термопар, причем в корпусе расположен проходной канал для горячего теплоносителя и проходной канал для холодного теплоносителя, кроме того, входной патрубок проходного канала для горячего теплоносителя соединен каналом горячего потока вихревой трубы, а выходным своим патрубком - с грунтовым воздухопроводом, при этом входной патрубок проходного канала для холодного теплоносителя соединен с каналом холодного потока вихревой трубы, выходным своим патрубком - с помещением.

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к устройствам для опреснения соленой воды с использованием солнечной и ветровой энергий. Солнечно-ветровой опреснитель содержит емкость для опреснения воды, установленный над ней прозрачный конденсатор с патрубком для выхода паровоздушной смеси в верхней части с установленной в нем крылаткой, закрепленной на валу ветродвигателя.

Изобретение относится к области гелиотехники и предназначено для энергоснабжения объектов сельскохозяйственного и индивидуального назначения. Фотоэлектрическая тепловая система содержит, по меньшей мере, один солнечный тепловой коллектор, трубопровод подачи жидкости в солнечный тепловой коллектор, трубопровод отвода жидкости из солнечного теплового коллектора в бак-аккумулятор (термос), при этом трубопровод подачи жидкости в солнечный тепловой коллектор соединен, по меньшей мере, с одним фотоэлектрическим тепловым модулем, расположенным уровнем ниже солнечного теплового коллектора и соединенным последовательно с ним, при этом подача жидкости в фотоэлектрический тепловой модуль осуществляется через трубопровод из напорного бака, установленного выше уровня солнечного теплового коллектора, по меньшей мере, в один из трубопроводов вмонтирован соленоидный клапан, имеется, по меньшей мере, одно термореле с индивидуальным для фотоэлектрического теплового модуля или солнечного теплового коллектора датчиком, причем управляющие контакты соленоидного клапана подключены и коммутируются с помощью термореле, при этом солнечный тепловой коллектор и фотоэлектрический тепловой модуль выполнены в виде приемников солнечного излучения, представляющих собой резервуары, которые имеют форму прямоугольного параллелепипеда, а на рабочей поверхности резервуара фотоэлектрического теплового модуля расположена батарея солнечных элементов, внутри резервуаров фотоэлектрического теплового модуля и солнечного теплового коллектора параллельно рабочей поверхности с зазором относительно ее расположена перегородка, не достигающая верхней и нижней стенки резервуара.

Многофункциональная солнечноэнергетическая установка (далее МСЭУ) относится к возобновляемым источникам энергии, в частности к использованию солнечного излучения для получения электрической энергии, обеспечения горячего водоснабжения и естественного освещения помещений различного назначения, содержащая оптически активный прозрачный купол, представляющий собой двояковыпуклую прямоугольную линзу, фотоэлектрическую панель, солнечный коллектор, круглые плоские горизонтальные заслонки полых световодов, полые световодные трубы, теплоприемную медную пластину солнечного коллектора, рассеиватель солнечного света, микродвигатели круглых плоских горизонтальных заслонок полых световодных труб, круговые светодиодные лампы, аккумуляторные батареи, датчики света и температуры, электронный блок управления, пульт управления, бак-аккумулятор, теплообменник, насос, обратный клапан, шестигранные медные трубопроводы, инвертор и опору с опорными стойками для поддержания конструкции МСЭУ.

Изобретение относится к преобразованию тепловой энергии в электрическую и может применяться в качестве автономного источника электрической энергии, используя для нагрева, например, солнечную тепловую энергию или любой другой источник тепла. Устройство для реализации способа содержит нагреватель-испаритель 1 с теплообменными ребрами 2, аэролифт 3, конденсатор 4, эжектор 5, преобразователь энергии 6, патрубок 7. Внутри устройства циркулирует жидкость 8. Технический результат состоит в упрощении реализации способа, конструкции, повышении надежности, долговечности, экологичности и экономичности, расширении области применения. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

При прохождении тока в проводнике с сопротивлением происходит столкновение электрически заряженных частиц с ионами и молекулами вещества. При этом кинетическая энергия движущихся частиц передается ионам и молекулам, что и приводит к нагреванию проводника.

Э.Х. Ленц (1804-1865).

Скорость рассмотренного преобразования электрической энергии в тепловую характеризуется мощностью

имея в виду, что получаем:

Количество электрической энергии, переходящей в тепловую за время t,

Так как в системе СИ единицей энергии и единицей количества тепла является джоуль, то выделенное током в сопротивлении тепло

Полученная зависимость была установлена опытным путем в 1844 г. русским академиком Э. X. Ленцем и одновременно английским ученым Джоулем и называется законом Джоуля - Ленца: количество тепла, выделенное током в проводнике, пропорционально квадрату силы тока сопротивлению проводника и времени прохождения тока.

Преобразование электрической энергии в тепловую в электрических печах и различных нагревательных приборах имеет полезное применение. В электрических машинах и аппаратах преобразование электрической энергии в тепловую является непроизводительным расходом энергии т. е. потерями энергии, снижающими их к. п. д. Тепло, вызывая нагрев этих устройств, ограничивает их нагрузку; при перегрузке повышение температуры может вызвать повреждение изоляции или сокрщцение срока службы установки.

Добавить сайт в закладки

Как происходит преобразование тепловой энергии в электрическую

Непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую можно осуществить, используя явления в контакте двух металлов или полупроводников, где действуют сторонние силы, которыми обусловлена диффузия заряженных частиц.

Величина контактной разности потенциалов зависит не только от свойств контактирующих материалов, но и от температуры контакта, так как с температурой связаны энергия свободных электронов и их концентрация.

Рассматривая замкнутую цепь из двух разных металлов (рис. 1а), можно убедиться в том, что при одинаковой температуре контактов 1 и 2 электрический ток в цепи не получится, так как контактные разности потенциалов, определяемые формулой

U k = (A 1 – A 2) : e 0

в обоих контактах одинаковы, но направлены в противоположные стороны по цепи:

U k 1 - U k 2 = (A 1 – A 2) + (A 2 - A 1) : e 0 = 0

Если один из контактов, например 1, нагреть (t 1 > t 2), то равновесие нарушится - в контакте 1 появится дополнительный скачок потенциала, связанный с нагревом. В этом случае U k1 > U K2 . В цепи образуется термоэлектродвижущая сила (термо-э. д. с.), абсолютное значение которой пропорционально разности температур контактов:

E т = U Kl - U K2 = E 0 (t 1 - t 2),

где Е 0 - величина, зависящая от свойств металлов, образующих контакт.

Рисунок 1 . а) замкнутая цепь из двух разных металлов, б) цепь с измерителем термо-э. д. с.

Таким образом, термо-э. д. с. возникает в цепи, состоящей из разных металлов, при разной температуре мест соединения.

Термо-э. д. с. в рассматриваемой цепи поддерживается благодаря нагреванию спая 1, т. е. при постоянном расходе тепловой энергии. В свою очередь, термо-э. д. с. является причиной электрического тока.

Однако концентрация свободных электронов в металлах велика и при переходе из одного металла в другой меняется очень мало. В связи с этим контактная разность потенциалов оказывается незначительной и мало зависит от температуры. По этой причине металлические термоэлементы имеют очень малые э. д. с. (в спае платины и железа - 1,9 мВ при разности температур горячего и холодного спаев 100° С), а к. п. д. их не превышает 0,5%. Такие термоэлементы применяют для измерения температур (термопары).

Для этого в цепь термопары включается измеритель термо-э. д. с. - милливольтметр (рис. 1, 6). Термопара в этом случае является источником электрической энергии, а измерительный прибор - приемником.

Кроме контакта 1 основных металлов термопары между собой образуются контакты их с соединительными проводами (Рис. 1 - 2, 3). В этих контактах тоже имеются контактные разности потенциалов, но они не изменяют термо-э. д. с., если их температура поддерживается одинаковой.

При наличии произвольного числа контактов разных металлов сумма контактных разностей потенциалов в замкнутой цепи остается равной нулю, если все контакты имеют одинаковую температуру. В этом можно убедиться, составив уравнение, аналогичное вышеприведенному. Независимо от числа контактов, термо-э. д. с. пропорциональна разности температур более нагретого контакта и всех других контактов, находящихся при одинаковой температуре.

Рисунок 2. n,p- полупроводники.

В отличие от металлов, в полупроводниках при увеличении температуры сильно увеличиваются концентрации свободных электронов и дырок. Это свойство полупроводников позволяет получить более высокие термо-э. д. с. (до 1 мВ на 1° С разности температур) и к. п. д. термоэлементов до 7%.

Полупроводниковый термоэлемент состоит из двух полупроводников (п и р на рис. 2). Один из них имеет электронную, а другой дырочную электропроводность. При нагревании полупроводников в месте соединения их металлической пластинкой сильно увеличивается концентрация свободных носителей заряда. Поэтому в полупроводниках возникает диффузия их от горячего конца к холодному. В полупроводнике с электронной электропроводностью к холодному концу перемещаются электроны, в результате чего этот конец заряжается отрицательно. В другом полупроводнике к холодному концу перемещаются дырки, образуя положительный заряд. Возникшая разность потенциалов противодействует диффузии, и при некотором значении ее устанавливается равновесие сил электрического поля и сторонних сил, под действием которых идет процесс диффузии носителей заряда. Эта разность потенциалов и является термо-э. д. с. полупроводникового термоэлемента.

Если к холодным концам полупроводников подключить токопроводящий элемент, например, резистор, то образуется замкнутая цепь и электрический ток в ней.