Преобразование тепловой энергии в механическую и электрическую. Способ преобразования тепловой энергии в механическую (электрическую). Преобразование тепловой энергии в электрическую и термоэлектрическую энергию

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 предназначено для поддержания комфортных параметров воздуха в малоэтажных зданиях, преимущественно на животноводческих фермах. Система гелиотеплохладоснабжения и качественного воздухообмена в зданиях 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 воздухопроводом, 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, а теплообменный воздухопровод снабжен всасывающим фильтром, который установлен в помещении и выполнен в виде узла очистки внутреннего воздуха, состоит из диффузора с винтообразными продольно размещенными канавками, входящими в круговую канавку, соединенную со сборником загрязнений, в котором размещено осушивающее устройство в виде емкости с адсорбирующим веществом.

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.

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.

Они являются устройствами непосредственного превращения тепловой энергии в электрическую. Принцип действия ТЭГ основан на применении эффекта Зеебека. С помощью такого эффекта во многих энергетических системах (например, в двигателях внутреннего сгорания) можно преобразовывать бесполезно теряемую (сбросовую) тепловую энергию от двигателя в электрическую и использовать ее для питания различных устройств в автомобиле. Термоэлектрические генераторы могут найти применение также на некоторых электростанциях, где используется метод когенерации, т.е. в дополнение к произведенной электроэнергии вырабатывается тепло, которое применяется в альтернативных целях. Термоэлектричество может использоваться также в системах преобразования солнечной энергии.

Простейший полупроводниковый термоэлектрогенератор (термоэлемент) состоит из отрицательной (н-типа проводимости) и положительной (р-типа проводимости) ветвей. Материал с электронной проводимостыо имеет отрицательную ТЭДС, а с дырочной проводимостью - положительную, поэтому можно получить большее значение термо-ЭДС (а следовательно, повышенное 77).

Рис. 4.54.

Электрическая цепь работающего ТЭГ состоит из р- и и-ветвей одного или нескольких термоэлементов (рис. 4.54), коммутационных пластин горячего (при температуре Т г) и холодного (при температуре Г) спаев и активной нагрузки 7?.

При нагреве горячих спаев термоэлемента до температуры Т г и рассеивании тепла О на холодных спаях, поддерживаемых при температуре Т, а также при разомкнутой цепи 7?, между спаями стационарно устанавливается разность температур (Г г - Г х). Тепловой поток через термоэлемент, в данном случае после некоторых упрощений, можно записать как

где к - среднее значение теплопроводностей ветвей в интервале температур Г г - Г х; А и / - площадь поперечного сечения и длина р- и я-ветвей соответственно.

Разность температур па спаях термоэлемента вызывает термодиффузию носителей, в результате чего горячие спаи ветвей обедняются электронами и дырками, которые концентрируются на холодных спаях. Нарушение электрической нейтральности создает поле, направленное от холодных участков к горячим, которое препятствует дальнейшей термодиффузии носителей. Поле и создает термоэлектродвижущую силу V, возникающую на концах разомкнутой цепи термоэлемента. Возникающая ЭДС пропорциональна разности температур и разности коэффициентов ТЭДС каждой ветви:

В момент замыкания термоэлемента на внешнюю нагрузку 7? в цепи потечет обусловленный эффектом Зеебека постоянный ток:

(ЯРТЭГ), солнечные концентраторы различного исполнения (СТЭГ). Ориентировочно полагается, что при электрических мощностях от 1 до 10 кВт на космическом летательном аппарате целесообразны РИТЭГ и СТЭГ, а при повышенных уровнях мощности (в особенности, в дальнем космосе) - ЯРТЭГ.

Для катодной защиты магистральных газо- и нефтепроводов от коррозии, при отсутствии вдоль трассы линии электропередачи используются ТЭГ, работающие на газообразном топливе. Для работы автоматики газовых буровых скважин применяются ТЭГ, использующие перепад температур окружающей среды и газа из скважины. Недостатками ТЭГ являются сравнительно низкий (3-5%) КПД преобразования энергии и значительная (10-15 кг/кВт) удельная масса. Поверхностная плотность мощности ТЭГ достигает 10 кВт/м 2 (па единицу поперечного сечения элемента), а объемная плотность мощности равна 200-400 кВт/м 3 .

Для получения в ТЭГ стандартного рабочего напряжения в 30 В при значении ТЭДС одного термоэлемента 0,1-0,3 В требуется последовательно соединить в батарею до 100 элементов. Для космических аппаратов создаются ТЭГ мощностью от единиц до сотен ватт. Каскадное соединение ТЭГ позволяет повысить КПД преобразования энергии до 13%.

Термоэлектрические генераторы бывают низкотемпературные, среднетемпературные и высокотемпературные. Максимальная рабочая температура низкотемпературных (самых распространенных) ТЭГ с типовыми размерами 3x3 и 4x4 см 2 достигает 470-520 К. Напряжение, ток и мощность подобных ТЭГ при температурах холодного и горячего спаев 323 и 423 К равны соответственно 2 В, 1 А и 2 Вт.

• Рис. 4.55. Вид промышленного ТЭГ (о) и его принципиальное устройство (б) где г - внутреннее сопротивление термоэлемента. Этот же токвызовет выделение и поглощение тепла Пельтье на спаях р- и/7-ветвей термоэлемента с металлическими пластинами. Движение носителей будет происходить от горячих спаев к холодным, что соответствует поглощению на горячих спаях теплотыПельтье. Другими словами, вся электрическая мощность, вырабатываемая термоэлементом, есть разница теплот Пельтьеего горячего и холодного спаев. Эффективность термоэлементов для термоэлектрических генераторов оценивается соотношением Иоффе (4.13). Принципиальные преимущества ТЭГ (рис. 4.55) перед другими источниками электропитания состоят в следующем: длительный срок службы, не требующий специальногообслуживания, и практически неограниченный срок храненияпри полной готовности к работе в любое время; устойчивость в работе, стабильное напряжение, невозможность короткого замыкания и режима холостого хода, высокая надежность, стабильность параметров;
• полная бесшумность в работе (из-за отсутствия движущихся частей)и вибростойкость. Благодаря перечисленным свойствам ТЭГ находят применение в областях, где необходимы сверхнадежные источникиэлектроэнергии, обладающие длительным сроком эксплуатации и не требующие обслуживания. Они используются для питания электричеством аппаратуры в труднодоступных объектах, которые монтируются в отдаленных районах Земли, - автоматических метеостанциях, морских маяках, космическихлетательных аппаратах. В перспективе такие объекты могутмонтироваться на Луне или на других планетах. В качествеисточников тепла для подвода к горячим спаям ТЭГ применяются радиоактивные изотопы (РИТЭГ), ядерные реакторы

Известные способы прямого преобразования тепловой энергии в электрическую

подразделяются на три вида:

Магнитогидродинамические,

Термоэлектрические,

Термоэмиссионные.

МГД-метод и МГД-генератор. Магнитогидродинамический способ прямого преобра-

зования тепловой энергии в электрическую является наиболее разработанным для получения

больших количеств электроэнергии и лежит в основе МГД-генератора, опытные и опытно-

промышленные образцы которого были созданы в Советском Союзе.

Сущность МГД-метода заключается в следующем.

В результате сжигания органического топлива, например, природного газа, образуются

продукты сгорания. Их температура должна быть не ниже 2500 °С. При этой температуре

газ становится электропроводным , переходит в плазменное состояние. Это означает, что

происходит его ионизация. Плазма при такой относительно низкой температуре (низкотемпе-

ратурная плазма) ионизирована лишь частично . Она состоит не только из продуктов иониза-

ции - электрически заряженных свободных электронов и положительно заряженных ионов,

но и из сохранившихся целыми, еще не подвергшихся ионизации молекул. Для того чтобы

низкотемпературная плазма продуктов сгорания имела достаточную электропроводность при

температуре около 2500 °С, к ней добавляют присадку - легкоионизирующееся вещество

(натрий, калий или цезий). Ее пары ионизируются при более низкой температуре.

В основе работы МГД-генератора лежит закон Фарадея об электромагнитной индук-

ции: в проводнике, движущемся в магнитном поле, индуцируется ЭДС . В МГД-генераторе

роль движущегося проводника выполняет движущийся поток низкотемпературной плазмы,

т. е. поток ионизированного токопроводящего газа. На рис. 2.12 приведена принципиальная

схема МГД-генератора: между полюсами постоянного магнита расположен расширяющийся

канал, на противоположных стенках которого размещены электроды, замкнутые на внеш-

нюю цепь. Плазма с небольшой добавкой легкоионизирующегося вещества при температу-

ре около 2700-2500 °С поступает в канал МГД-генератора и за счет уменьшения ее тепловой

энергии разгоняется там до скорости, близкой к звуковой и даже более высокой (до 2000 м/с и более). Протекая по каналу, электропроводная плазма пересекает силовые линии специально

созданного магнитного поля, имеющего большую индукцию. Если направление движения

потока перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, а электропроводность плаз-

мы, скорость потока и индукция магнитного поля достаточно велики, то в направлении,

перпендикулярном движению потока и силовым линиям магнитного поля, от одной стенки

канала к другой возникнет ЭДС и электрический ток, протекающий через плазму. Взаимодействие этого электрического тока с магнитным потоком создает силу, тормозящую движение плазмы по каналу. Таким образом, кинетическая энергия потока плазмы превращается в электрическую энергию. На выходе температура плазмы равна примерно 300 °С. В

МГД-генераторе осуществляется следующая цепь преобразований энергии:

тепловая кинетическая энергия электрическая

Электрический ток представляет собой направленное движение электрических частиц. При столкновении движу­щихся частиц с ионами или молекулами кинети­ческая энергия движущихся частиц частично передается ионам или молекулам, вследствие чего происходит нагре­вание проводника. Таким образом, электрическая энергия

преобразуется в тепловую, которая тратится на нагрев провода и рассеивается в окружающую среду.

Скорость преобразования электрической энергии в теп­ловую определяется мощностью:

Р =UI

или, учитывая, что U = Ir , получаем:

P=UI=I 2 r.

Электрическая энергия, переходящая в тепловую,

W = Pt = Prt.

Q = I 2 rt.

Полученное выражение, определяющее соотношение меж­ду количеством выделенного тепла, силой тока, сопротивлением и временем, было найдено в 1844 г. опытным путем русским академиком Э. X. Ленцем и одновре­менно английским ученым Джоулем. Оно известно теперь под названием за­кона Джоуля-Лен­ца: количество тепла,выделенного током в провод­нике,пропорцио­нально квадрату силы тока,сопро­тивлению проводника и времени прохождения то­к а.

Преобразование электрической энергии в тепло находит полезное применение в разнообразных нагревательных и осветительных приборах и устройствах.

В остальных приборах и устройствах преобразование электрической энергии в тепловую является непроизводи­тельным расходом энергии (потерями), снижающими к. п. д. их. Кроме того, тепло, вызывая нагревание этих устройств,

ограничивает их нагрузку, а при перегрузке повышение температуры может повести к повреждению изоляции или сокращению срока работы установки.

Пример 1 -7. Определить количество тепла, выделенное в нагрева­тельном приборе в течение 15 мин, если сопротивление прибора 22 ом, а напряжение сети 110в.

Сила тока

I = U : r = 110: 22 = 5a

Количество тепла, выделенное в приборе,

Q = I 2 r t = 5 2 22 15 60 = 49 500 дж.

Статья на тему Преобразование электрической энергии в тепловую