Categories: Articles destacats » Fets interessants
Nombre de visualitzacions: 161.925
Comentaris sobre l'article: 10
Termogeneradors: com “soldar” l’electricitat en una estufa de gas
Un dels fòrums elèctrics va fer la següent pregunta: "Com puc obtenir electricitat amb gas domèstic habitual?" Això va ser motivat pel fet que el gas d’aquest camarada i, de fet, com molts, es paga simplement segons les normes sense mesurador.
Per molt que utilitzeu, pagueu una quantitat fixa de totes maneres, i per què no convertiu el gas ja pagat però no utilitzeu gas en electricitat independent? De manera que va aparèixer un tema nou al fòrum, que va ser recollit per la resta de participants: una conversa íntima ajuda no només a reduir la jornada laboral, sinó a matar el temps lliure.
S'han suggerit moltes opcions. Només has de comprar un generador de benzina i omplir-lo amb la gasolina obtinguda per destil·lació de gas domèstic, o tornar a generar el generador perquè funcioni immediatament amb gas, com un cotxe.
En lloc d’un motor de combustió interna, es va proposar un motor Stirling, també conegut com a motor de combustió externa. Això és només el primer element inicial (el que va crear el nou tema) va reclamar una potència generadora d’almenys 1 quilowatt, però es va racionalitzar, segons diuen, una remenada no s’ajustarà ni tan sols a la cuina d’un menjador petit. A més, és important que el generador estigui en silenci, si no, bé, tu mateix saps què.
Després de molts suggeriments, algú va recordar haver vist una imatge en un llibre que mostrava una làmpada de querosè amb un dispositiu estel·lar de diversos raigs per alimentar un receptor de transistors. Però això es parlarà una mica més, però de moment ...
Termogeneradors. Història i teoria
Per obtenir electricitat directament d’un cremador de gas o d’una altra font de calor s’utilitzen generadors de calor. Igual que un termopar, el seu principi de funcionament es basa en Efecte seebeckinaugurat el 1821.
L’efecte esmentat és que en un circuit tancat de dos conductors diferents, apareix una emf si les juntes dels conductors es troben a temperatures diferents. Per exemple, una unió calenta es troba en un recipient d’aigua bullent i l’altra en una tassa de gel que es fon.
L’efecte neix del fet que l’energia dels electrons lliures depèn de la temperatura. En aquest cas, els electrons comencen a moure’s del conductor, on tenen una energia més elevada al conductor, on l’energia de les càrregues és menor. Si una de les juntes s’escalfa més que l’altra, aleshores la diferència de les energies de les càrregues sobre ella és més gran que la freda. Per tant, si el circuit es tanca, sorgeix un corrent en ell, exactament el mateix termopoder.
Aproximadament la magnitud del termoprotector pot determinar-se mitjançant una fórmula senzilla:
E = α * (T1 - T2). Aquí, α és el coeficient termoelèctric, que només depèn dels metalls dels quals es compon el termopar o el termopar. El seu valor s’expressa normalment en microvolts per grau.
La diferència de temperatura de les juntes d'aquesta fórmula (T1 - T2): T1 és la temperatura de la unió calenta i T2, respectivament, del fred. La fórmula anterior es mostra clarament a la figura 1.
Figura 1. Principi del termopar
Aquest dibuix és clàssic, es pot trobar a qualsevol llibre de text de física. La figura mostra un anell format per dos conductors A i B. La unió dels conductors s’anomena unions. Tal com es mostra a la figura, en una unió calenta T1, la tèrmica té una direcció des del metall B al metall A. A en la unió freda T2 del metall A al metall B. La direcció de la termoprotecció indicada a la figura és vàlida per al cas quan la termoprotectora del metall A és positiva respecte al metall B .
Com determinar la potència termoelèctrica d’un metall
La potència termoelèctrica d’un metall es determina respecte al platí. Per això, un termopar, un dels elèctrodes dels quals és platí (Pt), i l'altre metall de prova, s'escalfa a 100 graus centígrads. A continuació, es mostra el valor millivolts obtingut per a alguns metalls.A més, cal destacar que no només canvia la magnitud de la potència tèrmica, sinó també el seu signe respecte al platí.
En aquest cas, el platí juga el mateix paper que 0 graus a l'escala de temperatura, i l'escala completa dels valors de la termoprotecció és la següent:
Antimoni +4,7, ferro +1,6, cadmi +0,9, zinc +0,75, coure +0,74, or +0,73, plata + 0,71, estany + 0,41, alumini + 0,38, mercuri 0, platí 0.
Després del platí, hi ha metalls amb una potència termoelèctrica negativa:
Cobalt -1,54, níquel -1,64, constantan (un aliatge de coure i níquel) -3,4, bismut -6,5.
Utilitzant aquesta escala, és molt senzill determinar el valor de la potència termoelèctrica desenvolupada per un termopar compost per diversos metalls. Per fer-ho, n’hi ha prou amb calcular la diferència algebraica en els valors dels metalls dels quals estan fets els termoelectrodes.
Per exemple, per a una parella antimoni-bismut, aquest valor serà de +4,7 - (- 6,5) = 11,2 mV. Si s'utilitza un parell ferro-alumini com a elèctrodes, aquest valor serà només de +1,6 - (+0,38) = 1,22 mV, que és gairebé deu vegades menys que el del primer parell.
Si la unió freda es manté a una temperatura constant, per exemple, 0 graus, la termoprotecció de la unió calenta serà proporcional al canvi de temperatura, que s’utilitza en les termoparells.
Com es van crear els termogeneradors
Ja a mitjan segle XIX, es van fer nombrosos intents de crear generadors de calor - aparells per a generar energia elèctrica, és a dir, per alimentar diversos consumidors. Com a fonts, se suposa que havia d'utilitzar bateries de termoparells connectats en sèrie. A la figura 2 es mostra el disseny d'aquesta pila.
Figura 2. Bateria tèrmica, esquemàtica
El primer bateria termoelèctrica creada a mitjan segle XIX pels físics Oersted i Fourier. El bismut i l’antimoni es van utilitzar com a termoelectrodes, exactament el mateix parell de metalls purs amb la màxima potència termoelèctrica. Les cremades calentes eren escalfades per cremadors de gas, mentre que les juntes fredes eren col·locades en un vas amb gel.
En experiments amb termoelectricitat, es van inventar els termòfils, adequats per a ús en alguns processos tecnològics i fins i tot per a la il·luminació. Un exemple és la bateria Clamone, desenvolupada el 1874, la potència de la qual era suficient per a propòsits pràctics: per exemple, per a daurat galvànic, com per a la impressió i tallers de gravat d’heli. Al mateix temps, el científic Noé també es va implicar en l'estudi dels termòfils, i els seus termòfils també estaven força estès en aquell moment.
Però tots aquests experiments, tot i que van tenir èxit, estaven condemnats al fracàs, ja que els termòfils basats en termocopis fets de metalls purs tenien una eficiència molt baixa, cosa que va dificultar la seva aplicació pràctica. Els fums purament metàl·lics tenen una eficiència de només unes dècimes per cent. Els materials semiconductors tenen una eficiència molt més gran: alguns òxids, sulfurs i compostos intermetàl·lics.
Termocopis de semiconductor
Una autèntica revolució en la creació de termoparells la va fer l’obra de l’acadèmic A.I. Joffe. A principis dels anys 30 del segle XX, va plantejar la idea que mitjançant semiconductors és possible convertir energia tèrmica, inclosa la solar, en energia elèctrica. Gràcies a la investigació realitzada el 1940, es va crear una fotocèl·lula semiconductora per convertir l’energia solar de la llum en energia elèctrica.
Primera aplicació pràctica termocopis de semiconductor hauria de considerar-se, aparentment, un "boletaire partidista", que va permetre subministrar energia a algunes estacions de ràdio partidàries portàtils.
La base del termogenerador eren els elements de Constantan i SbZn. La temperatura de les juntes fredes es va estabilitzar amb aigua bullent, mentre que les juntes calentes s’escalfaven per la flama d’un foc, alhora que s’assegurava una diferència de temperatura d’almenys 250 ... 300 graus. L’eficiència d’aquest dispositiu no era superior a l’1,5… 2,0%, però la potència per alimentar les emissores de ràdio era bastant.Per descomptat, en aquells temps de guerra, el disseny de la "bolera" era un secret d'estat, i fins i tot ara, el seu disseny s'està discutint en molts fòrums d'Internet.
Generadors de calor de les llars
Ja als anys cinquanta de la postguerra, la indústria soviètica va començar la producció generadors tèrmics TGK - 3. El seu objectiu principal era alimentar ràdios amb bateria en zones rurals no electrificades. La potència del generador era de 3 W, cosa que va permetre alimentar receptors de bateries, com Tula, Iskra, Tallinn B-2, Rodina 47, Rodina 52 i alguns altres.
L'aparició del termogenerador TGK-3 es mostra a la figura 3.
Figura 3. Generador tèrmic TGK-3
Disseny de generador tèrmic
Com s'ha comentat anteriorment, el generador de calor es destinava a les zones rurals, on s'utilitzava la il·luminació làmpades de querosè "llamp". Tal làmpada, equipada amb un generador tèrmic, va esdevenir no només una font de llum, sinó també electricitat.
Al mateix temps, no es van requerir costos addicionals de combustible, perquè exactament aquella part del querosè que simplement va volar a la canonada es va convertir en electricitat. A més, aquest generador sempre estava a punt per funcionar, el seu disseny era tal que simplement no hi havia res per entrar-hi. El generador simplement podia mentir al ralentí, treballar sense càrrega, no tenia por dels curtcircuits. La vida del generador, en comparació amb les bateries galvàniques, semblava simplement eterna.
El paper del tub d'escapament de la làmpada de querosè "raig" el juga la part cilíndrica allargada del vidre. Quan s'utilitza la làmpada juntament amb el generador de calor, el got es va escurçar i es va inserir una unitat de transferència de calor metàl·lica 1, tal com es mostra a la figura 4.
Figura 4. Llum de querosè amb generador termoelèctric
La part externa del transmissor de calor és en forma d’un prisma polifacètic sobre el qual es munten els termòfils. Per augmentar l’eficiència de la transferència de calor, el transmissor de calor a l’interior tenia diversos canals longitudinals. Al passar per aquests canals, els gasos calents entraven a la canonada d’escapament 3, escalfant simultàniament el termopile, més precisament, les seves juntes calentes.
Es va utilitzar un radiador refrigerat per aire per refredar les juntes fredes. És una costella metàl·lica unida a les superfícies exteriors dels blocs termòfils.
Termogenerador - TGK3 constava de dues seccions independents. Un d’ells va generar un voltatge de 2V a un corrent de càrrega de fins a 2A. Aquesta secció es va utilitzar per obtenir la tensió d'ànode de les làmpades mitjançant un traductor de vibració. Es va utilitzar una altra secció amb un voltatge d’1,2 V i un corrent de càrrega de 0,5 A per alimentar el filament de les làmpades.
És fàcil calcular que la potència d’aquest generador de calor no superava els 5 watts, però era suficient per al receptor, cosa que va permetre amenitzar llargues tardes d’hivern. Ara, per descomptat, això sembla ridícul, però, en aquells dies, aquest dispositiu era, sens dubte, un miracle de la tecnologia.
El 1834, el francès Jean Charles Atanaz Peltier va descobrir l'efecte contrari a l'efecte Seebick. El significat del descobriment és que quan el corrent flueix a través de la unió a partir de materials diferents (metalls, aliatges, semiconductors), s’allibera o s’absorbeix calor, que depèn de la direcció del corrent i dels tipus de materials. Això es descriu en detall aquí: Efecte peltier: l’efecte màgic del corrent elèctric
Consulteu també a electro-ca.tomathouse.com
: