Термогенератори: како „заварити“ струју на плинској пећи

Један од електричних форума поставио је следеће питање: „Како могу да добијем струју користећи обични гас за домаћинство?“ То је мотивисано чињеницом да се гас од овог другара, и заиста, као и многи, плаћа једноставно стандардима без бројила.

Без обзира колико користите, ионако плаћате фиксни износ, а зашто не већ преплаћени али неискориштени гас не претворите у слободностојећу струју? Тако се на форуму појавила нова тема коју су покупили остали учесници: интимни разговор помаже не само да се смањи радни дан, већ и да се убије слободно време.

Многе опције су предложене. Довољно је да купите бензински генератор и напуните га бензином добијеним дестилацијом домаћег гаса или поново направите да мотор одмах ради на бензину, попут аутомобила.

Уместо мотора са унутрашњим сагоревањем предложен је Стирлингов мотор, познат и као мотор са спољним сагоревањем. Овде је само врхунски покретач (онај који је створио нову тему) тврдио да снага агрегата износи најмање 1 киловат, али је рационализована, рекавши да такво мешање неће стати ни у кухињи мале трпезарије. Поред тога, важно је да генератор ћути, јер, у супротном, и сами знате шта.

Након многих сугестија, неко се сетио да је видео слику у књизи на којој се види керозинска лампица са звездастим уређајем са више снопа за напајање транзисторским пријемником. Али о томе ће се расправљати мало даље, али за сада ...

Термогенератори. Историја и теорија

За примање електричне енергије директно из гасног горионика или другог извора топлоте користе се генератор топлоте. Баш као што је термоелемент, њихов принцип рада заснован је Сеебецк ефекатотворена 1821. године

Споменути ефекат је да се у затвореном кругу два различита водича појави емф ако су спојеви проводника на различитим температурама. На пример, врући спој је у посуди са кључалом водом, а други у шољи леда за топљење.

Ефекат произилази из чињенице да енергија слободних електрона зависи од температуре. У овом случају, електрони почињу да се крећу из проводника, где имају већу енергију у проводнику, где је енергија наелектрисања мања. Ако се један од спојева загрева више од другог, тада је разлика у енергији набоја на њему већа него на хладном. Стога, ако је круг затворен, у њему настаје струја, потпуно иста термоелектрана.

Приближна величина термоелектране може се одредити једноставном формулом:

Е = α * (Т1 - Т2). Овде је α термоелектрични коефицијент, који зависи само од метала од којих је термоелемент или термопар. Његова вредност се обично изражава у микроволтима по степену.

Температурна разлика спојева у овој формули (Т1 - Т2): Т1 је температура врућег спајања, а Т2 хладног. Горња формула је јасно приказана на слици 1.

Слика 1. Принцип термоелемента

Овај је цртеж класичан, може се наћи у било којем уџбенику физике. На слици је приказан прстен сачињен од два проводника А и Б. Спој проводника назива се спојница. Као што је приказано на слици, у врелом споју Т1, термоелектрана има правац од метала Б до метала А. А у хладном споју Т2 од метала А до метала Б. Смјер термоелектране наведен на слици важи за случај када је термо снага метала А позитивна у односу на метал Б .

Како одредити термоелектричну снагу метала

Термоелектрична снага метала одређена је у односу на платину. За то се термоелемент, чија је једна електрода платина (Пт), а друга је тест метал, загрева на 100 степени Целзијуса. Добијена вредност миливолта за неке метале је приказана доле.Штавише, треба напоменути да се не мијења само величина термоелектране, већ и њен знак у односу на платину.

У овом случају, платина игра исту улогу као 0 степени на температурној скали, а цела скала вредности термоелектрана је следећа:

Антимон +4.7, гвожђе +1.6, кадмијум +0.9, цинк +0.75, бакар +0.74, злато +0.73, сребро +0.71, кала +0.41, алуминијум + 0,38, жива 0, платина 0.

После платине су метали са негативном термоелектричном снагом:

Кобалт -1,54, никл -1,64, константан (легура бакра и никла) -3,4, бизмут -6,5.

Помоћу ове скале врло је једноставно одредити вредност термоелектричне снаге коју развија термоелемент састављен од различитих метала. Да бисте то учинили, довољно је израчунати алгебарску разлику у вредностима метала од којих су направљени термоелектроди.

На пример, за пар антимон-бизмут, ова вредност ће бити +4,7 - (- 6,5) = 11,2 мВ. Ако се као електрода користи пар гвожђе-алуминијум, та вредност ће бити само +1,6 - (+0,38) = 1,22 мВ, што је скоро десет пута мање него код првог пара.

Ако се хладни спој одржава на константној температури, на пример, 0 степени, тада ће термо снага врућег спајања бити пропорционална промени температуре, која се користи у термоелементима.

Како су створени термогенератори

Већ средином 19. века извршени су бројни покушаји да се створи генератор топлоте - уређаји за производњу електричне енергије, односно за напајање различитих потрошача. Као такви извори требало је користити батерије из серијски повезаних термопарова. Дизајн такве батерије приказан је на слици 2.

Слика 2. Термичка батерија, шема

Прва термоелектрична батерија који су средином 19. века створили физичари Оерстед и Фоуриер. Висмот и антимон коришћени су као термоелектроди, исти пар чистих метала са највећом термоелектричном снагом. Врући прикључци су загревани гасним горионицима, док су хладни чворови смештени у посуди са ледом.

У експериментима са термоелектричношћу, касније су пронађени термопилови, погодни за употребу у неким технолошким процесима, па чак и за осветљење. Пример је Цламоне-ова батерија, развијена 1874. године, чија је снага била сасвим довољна за практичне сврхе: на пример, за галванско позлаћивање, као и за употребу у штампаријама и радионицама хелио-гравирања. Отприлике у исто време, научник Ное је такође био укључен у истраживање термопилова, његови термопилеси су такође били прилично раширени у то време.

Али сви ови експерименти, иако успешни, били су осуђени на неуспех, јер су термопилови створени на основу термоелемената од чистих метала имали врло малу ефикасност, што је ометало њихову практичну примену. Чисто метални гаси имају ефикасност од само неколико десетина процента. Полупроводнички материјали имају много већу ефикасност: неки оксиди, сулфиди и интерметална једињења.

Полупроводничке термопарове

Истинску револуцију у стварању термоелемената направила су дела академика А.И. Јоффе. Почетком 30-их година КСКС века изнио је идеју да је коришћењем полуводича могуће претворити топлотну енергију, укључујући и соларну, у електричну. Захваљујући истраживању већ 1940. године, створена је полуводичка фотоћелија за претварање сунчеве светлосне енергије у електричну.

Прва практична примена полуводичке термопарове требало би га сматрати „партизанским кугларом“, који је омогућавао напајање неким преносним партизанским радио станицама.

Основа термогенератора били су елементи константана и СбЗн. Температура хладних спојева је стабилизована кључалом водом, док је вруће чворове загревао пламен ватре, док је обезбеђена температурна разлика од најмање 250 ... 300 степени. Ефикасност таквог уређаја није била већа од 1,5 ... 2,0%, али снага за напајање радио станица била је сасвим довољна.Наравно, у тим ратним временима, дизајн „кугле“ је био државна тајна, па чак и о његовом дизајну се расправља на многим Интернет форумима.

Генератори топлоте за домаћинство

Већ у послератним педесетим годинама совјетска индустрија је започела производњу термички агрегати ТГК - 3. Његова главна сврха била је напајање радио-станица на батерије у неелектрификованим руралним срединама. Снага генератора била је 3 В, што је омогућило напајање пријемника батерија, као што су Тула, Искра, Таллинн Б-2, Родина 47, Родина 52 и неки други.

Изглед термогенератора ТГК-3 приказан је на слици 3.

Слика 3. Термички генератор ТГК-3

Дизајн топлотног генератора

Као што је већ поменуто, генератор топлоте био је предвиђен за употребу у руралним срединама, где се користила расвета керозинске лампе "муње". Таква лампа, опремљена топлотним генератором, постала је не само извор светлости, већ и електричне енергије.

У исто време, додатни трошкови горива нису били потребни, јер се управо тај део керозина који је једноставно улетео у цев претворио у електричну енергију. Штавише, такав генератор је увек био спреман за рад, његов дизајн је био такав да једноставно није било шта да се провали у њега. Генератор је могао једноставно лежати у празном ходу, радити без оптерећења, није се бојао кратког споја. Живот генератора, у поређењу с галванским батеријама, чинио се просто вечним.

Улогу издувне цеви керозинске лампе „муње“ игра издужени цилиндрични део чаше. Када се користи лампа заједно са генератором топлоте, стакло је скраћено и у њега је убачена метална јединица за пренос топлоте 1, као што је приказано на слици 4.

Слика 4. Керозинска лампа са термоелектричним генератором

Спољни део преносника топлоте је у облику вишеслојне призме на коју су монтиране термопиле. Да би повећао ефикасност преноса топлоте, преносник топлоте унутра је имао неколико уздужних канала. Пролазећи кроз ове канале, врући гасови су ушли у издувну цев 3, истовремено загревајући термопиле, тачније, његове топле спојеве.

За хлађење хладних спојница коришћен је ваздушни хладњак. То је метално ребро, причвршћено на спољне површине термопилних блокова.

Термогенератор - ТГК3 састојао се од два независна одељења. Један од њих генерирао је напон од 2В при струји оптерећења до 2А. Овај одељак је коришћен за добијање анодног напона сијалица помоћу вибрационог претварача. Још један одељак са напоном од 1,2 В и струјом оптерећења од 0,5 А коришћен је за напајање жаруља сијалица.

Лако је израчунати да снага овог генератора топлоте није прелазила 5 вата, али је било довољно за пријемник, који је омогућавао осветљење дугих зимских вечери. Ово се, наравно, чини смешним, али у те дане је такав уређај несумњиво био чудо технологије.

Године 1834., Француз Жан Чарлс Атаназ Пелтијер открио је ефекат супротан Сеебиковом ефекту. Значење открића је у томе што се током проласка струје кроз спој из различитих материјала (метала, легура, полуводича) топлота ослобађа или апсорбује, што зависи од правца струје и врста материјала. Ово је овде детаљно описано: Пелтиеров ефекат: магични ефекат електричне струје