Материал: Белозеров В.И. Учебное пособие по курсу Техническая термодинамика (оригинал)

Глава 16

ТЕПЛОСИЛОВЫЕ ЦИКЛЫ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛА

В ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЮ

Установки, в которых преобразование тепла в электроэнергию происходит, минуя такие промежуточные стадии как превращение тепла в кинетическую энергию потока рабочего тела и кинетическую энергию вращения ротора турбины и связанного с ним ротора электрогенератора, называются установками прямого преобразования тепла в электроэнергию. К ним относятся термоэлектри- ческие установки и термоэлектронные преобразователи, а также установки с магнитогидродинамическими генераторами, хотя это в известной степени условно.

16.1.Цикл термоэлектрической установки

Â1821 г. немецкий физик Т.И. Зеебек обнаружил, что в электри- ческой цепи, составленной из двух разнородных проводников, возникает разность электрических потенциалов, если точки спаев этих двух проводников помещены в среды с разными тем-

Воздушные холодильные установки с поршневым компрессором были распространены во второй половине XIX в., однако уже с нача- ла XX в. они практически перестали применяться в промышленности в связи с их малой экономичностью. В настоящее время широко применяются установки с турбокомпрессорами и регенерацией, благодаря чему возрастает экономичность воздушных холодильных установок и расширяется область их применения.

15.3. Цикл парокомпрессионной холодильной

установки

Осуществить в холодильной установке подвод и отвод тепла по изотермам удается в том случае, если в качестве хладагента используется влажный пар какой-либо легкокипящей жидкости, т.е. жидкости, у которой температура кипения при атмосферном давлении

t d 0°C.

S

Схема холодильной установки, осуществляющей цикл с влажным паром, представлена на рис. 15.3.1, а цикл на TS-диаграмме изображен на рис. 15.3.2.

Сжатый в компрессоре 3 до давления P

1

влажный пар поступает в охладитель (конденсатор) 4, где за счет отдачи тепла охлаж-

4дающей воде происходит конденсация пара.

2ре – изотерме 4-1, так что из конденсатора

выходит жидкость в состоянии насыщения,

соответствующего точке 1 на TS-диаграмме

(ðèñ. 15.3.2).

Ðèñ. 15.3.1

T

Количество тепла QΟ, передаваемое теплопроводностью по двум термоэлектродам, определяется выражением

где l – длина термоэлектрода; O – коэффициент теплопроводности материала, из которого сделан термоэлектрод; S – площадь его поперечного сечения, а индексы 1 и 2 относятся к двум термоэлектродам.

Величина Q определяется выражением

äæ

где r – сопротивление термоэлектродов. Введем обозначения:

Y O1S1 O2 S2 ,

l

Y r

Перспективы создания эффективных термоэлектрогенераторов определяются возможностью получения материалов термоэлектродных пар с высоким значением z. При этом важно, чтобы эти материалы были устойчивы при высоких температурах. Чистые металлы и сплавы имеют невысокие значения z. Более высокие значения z имеют полупроводники. В качестве полупроводниковых материалов наиболее распространены соединения на основе теллура.

Вероятно, еще более перспективными окажутся высокотемпературные термоэлектродные материалы на основе боридов и карбидов. Можно предположить, что применение этих материалов позво-

лит создать термоэлектрогенераторы с K = 15y20%, однако полу-

t

проводники этого типа изучены пока слишком мало.

16.2. Цикл термоэлектронного преобразователя

В основе термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) лежит явление термоэлектронной эмиссии, которое состоит в том, что если какой-либо металл, нагретый до некоторой температуры T поместить

где E – термоэдс, D – коэффициент пропорциональности.

Из (16.1.1, а) следует, что D численно равен величине термоэдс, возникающей в цепи при разности температур спаев, равной одному градусу:

Величина D является функцией температуры, но для упрощения будем считать, что D не зависит от температуры.

Интегрируя уравнение (16.1.1, а) и считая, что D z f (T), получа-

åì

где индексы 1 и 2 относятся к горячему и холодному спаям термоэлектрической цепи.

Понятно, что если замкнуть эту цепь через

T

Эффект Зеебека используется в измерительной технике. Термоэлектрический эффект может быть использован и для целей производства электроэнергии. В 1929 г. А.Ф. Иоффе указал на большую перспективность использования в термоэлектрогенераторах полупроводниковых термоэлектродов. В последующем ученые подтвердили этот вывод.

Остановимся на эффекте, открытом в 1834 г. французским физиком Ж. Пельтье. Если через цепь, составленную из двух разнородных проводников, пропускать ток от внешнего источника электроэнергии, то один из спаев цепи поглощает тепло, а другой выделяет тепло; при изменении направления тока – наоборот. При этом количе- ство тепла Q, поглощаемого или выделяющегося в спае, оказывает-

247

в вакуум, то некоторое количество его электронов перейдет в вакуум. При этом переходе электроны должны преодолеть энергетический барьер, называемый работой выхода Μ, составляющий обыч- но от одного до нескольких электронвольт.

В результате эмиссии электронов их плотность за пределами металла возрастает, и появляется возможность отобрать некоторый электрический ток. Это явление используется в электронных лампах, в ускорителях электронов и т.п.

Между металлическим телом в вакууме и электрическим облаком устанавливается разность потенциалов, прекращающая дальнейшую эмиссию электронов (сколько испаряется, столько возвращается).

Равновесная разность потенциалов между металлом и электронным облаком равна работе выхода металла. Электроны, эмиттируемые (испускаемые) телом (катод, эмиттер), можно отбирать, размещая рядом анод и прикладывая между этими электродами напряжение соответствующего знака. Максимальное количество электронов, которое можно отобрать в единицу времени с единицы поверхности эмиттера, называется током насыщения.

Плотность этого тока может быть вычислена теоретически с помощью формулы Ричардсона