Термомагнитные преобразователи

В основе термомагнитного способа получения электрической энергии лежит эффект Нериста. Он заключается в том, что при протекании теплового потока на пластине, помещенной в электромагнитное поле, перпендикулярное ее плоскости, на краях пластины протекает ЭДС (рис. 4.5.1).

,

где Q – постоянная Нериста, является материальной константой вещества; b – ширина пластины; – градиент температуры, создаваемый тепловым потоком; J – намагниченность.

Рис. 4.5.1. Схема термомагнитного генератора: 1 – обмотка;

2 – постоянный магнит; 3 – магнитный шунт

Термомагнитный генератор работает более экономично, если применяемый материал обладает собственной проводимостью. В этом случае на горячем конце блока из полупроводника генерируются пары электрон – дырка и устремляются к холодному концу. Магнитное поле отклоняет поток электронов и дырок на противоположные грани блока и на одной из них накладывается положительный заряд, на другой – отрицательный.

Эффективность преобразования тепла в электрическую энергию тем выше, чем выше у используемого материала термомагнитный показатель добротности.

,

где Н – напряженность магнитного поля; – электропроводность; – теплопроводность.

Из этого выражения следуют основные требования к материалу для термомагнитных генераторов: больший коэффициент Нериста, малый коэффициент теплопроводности, малое сопротивление, которое не должно сильно увеличиваться при наложении сильного магнитного поля. Этим требованиям наиболее всего удовлетворяют полупроводники с узкой запрещенной зоной и материалы с перекрытием зон – полуметаллы.

Тепловые двигатели

Турбинами (от латинского слова turbo – вихрь, вращение) называют тепловой двигатель, в котором кинетическая и потенциальная энергии потока рабочего тела преобразуются в механическую энергию вращения вала. В зависимости от типа рабочего тела турбины разделяют на паровые, газовые и гидравлические. В паровых турбинах рабочим телом, как правило, служит водяной пар. Паровая турбина является одним из основных элементов тепловой (ТЭС) и атомной (АЭС) электрических станций. Тепловые электрические станции, предназначенные для производства электроэнергии, называют конденсационными электростанциями (КЭС). Если на ТЭС водяной пар используется не только для выработки электроэнергии, но и для теплоснабжения, такую электростанцию называют теплоэлектроцентралью (ТЭЦ). Преобразование тепловой энергии в электрическую на ТЭС происходит в паротурбинной установке (ПТУ), основными элементами которой являются котел, турбина, конденсатор и электрический генератор.

Разнообразие тепловых двигателей в соответствии с выполняемыми ими функциями очень велико. Их можно разделить на два больших класса – стационарные и транспортные.

Стационарная энергетика, задачей которой является производство электроэнергии, базируется практически исключительно на установках с паровыми турбинами. В малом масштабе на так называемых пиковых электростанциях используются газовые турбины. В качестве топлива для электростанций используются все виды органического топлива (уголь, газ, мазут), ядерное топливо, возобновляемые источники тепла (геотермальная энергия, Солнце, ветер, энергия приливов и т. д.). Часто тепловым двигателем на электростанции называют собственную паровую турбину. Наиболее правильно считать тепловым двигателем всю паросило-вую установку, включающую турбину лишь как один из элементов.

Упрощенная схема паросиловой установки представлена на рис. 4.6.1. По такой же схеме работают и современные атомные электростанции, на которых функцию котла выполняет ядерный реактор, он передает теплоту воде и пару либо непосредственно, либо через промежуточный теплоноситель. Рабочим телом в паросиловой установке обычно служит вода.

Общим для всех паросиловых установок является то, что они работают по циклу Ренкина, т. е. по циклу, в котором рабочее тепло при высоких температурах является паром и в виде пара совершает работу в турбинах, а при низких температурах – жидкостью. Поскольку жидкость практически не сжимаема, то насос 4, служащий для подъема давления и циркуляции рабочего тела, потребляет относительно мало работы, что является большим преимуществом цикла Ренкина.

Рис. 4.6.1. Упрощенная схема паросиловой установки: 1 – котел;

2 – паровая турбина; 3 – конденсатор; 4 – насос

Термический КПД цикла, преобразующего теплоту в работу, тем выше, чем выше температура, при которой подводится теплота Q₁, и чем ниже температура, при которой отводится теплота Q₂. В современных паротурбинных установках, применяемых на электростанциях, наивысшая температура водяного пара, которую он приобретает в котле, составляет 830 К. Эта температура существенно ниже, чем температура сгорания в топке котла. Однако дальнейшее повышение начальной температуры пара требует применения более дорогих и качественных сталей, усложняет конструкцию турбины, делает всю установку более дорогой и менее надежной.

Пар, поступающий в турбину, имеет более высокое давление. Для крупных турбинных установок начальное давление составляет 16 или 24 МПа. В турбине пар расширяется, за счет чего паровая струя приобретает большую кинетическую энергию. Эта энергия при прохождении пара по криволинейным каналам, образованным рабочими лопатками турбины, превращается в энергию вращения ротора турбины. Пар в турбине расширяется до температуры около 300 К и давления около 4 кПа. Сама турбина является достаточно совершенной машиной. В ней превращается в работу 80 % и даже более работы потока пара. Далее пар поступает в конденсатор, где за счет отдачи теплоты охлаждающей воде конденсируется. Так как по условиям охлаждения окружающей среды охлаждающую воду, которая срабатывается в естественные водоемы, нельзя нагреть более чем на несколько градусов, то необходимое количество охлаждающей воды оказывается чрезвычайно большим. Кроме того, увеличение количества циркулирующей воды позволяет при одной и той же температуре снизить температуру Т₂, а значит, повысить КПД установки. В результате технико-экономической оптимизации на тепловых электростанциях обычно на каждый килограмм циркулирующего в установке пара в конденсатор попадает 50–60 кг охлаждающей воды. Это означает, что, например, через конденсатор электростанции мощностью 1000000 кВт необходимо прокачивать около 250000 т воды в час.

Эффективный КПД лучшей тепловой электростанции составляет 40–42 %. Этот КПД обычно представляют как произведение ряда отдельных КПД, характеризующих совершенство используемого термодинамичес-кого цикла и отдельных элементов схемы:

,

где – эффективный КПД; – КПД котла; – термический КПД цикла; – внутренний относительный КПД турбины; – механический КПД турбины; – КПД электрогенератора.

Значение каждого из этих КПД позволяет выяснить пути и средства, с помощью которых можно добиться общей эффективности электро-станции.

В транспортной энергетике, особенно в авиации, большое применение находят газотурбинные установки, работающие по циклу Брайтона. Простейшая схема такой установки изображена на рис. 4.6.2. Компрессор 1 засасывает атмосферный воздух и повышает его давление. Сжатый воздух подается в камеру сгорания 2, куда топливным насосом 4 подается жидкое топливо. Продукты сгорания с высоким давлением и температурой (1100–1200 К) поступают в газовую турбину 3, где, расширяясь, совершают работу, частично затрачиваемую на привод компрессора – L_к, а частично отдаваемую вовне – L. После турбины продукты сгорания выбрасываются в атмосферу с давлением, близким к атмосферному. По той же схеме, но несколько усложненной, работают газовые турбины пиковых электростанций.

Рис. 4.6.2. Упрощенная схема газотурбинной установки: 1 – компрессор;

2 – камера сгорания; 3 – газовая турбина

Термический КПД простейшего типа Брайтона определяется формулой:

,

где представляет собой отношение на выходе из компрессора к давлению на входе; к – показатель характеристики адиабаты.

Автомобильные двигатели также являются тепловыми двигателями поршневого типа. Большинство из них называются двигателями внутреннего сгорания (ДВС), работающими по циклам Отто и Дизеля. В двигателях внутреннего сгорания в отличие от паросиловых установок рабочим телом являются непосредственно продукты сгорания топлива. В таких двигателях не нужен теплообменник, передающий теплоту от первичного источника энергии к рабочему телу. Это делает установку более легкой и компактной, в связи с чем двигатели внутреннего сгорания очень быстро стали основой транспортной энергетики.

Принцип работы возвратно-поступательного (бензинного) четырех-тактного ДВС с искровым зажиганием следующий: при движении поршня вверх в цилиндре происходит сжатие смеси воздуха с парами бензина. Затем происходит зажигание, быстрое расширение газа и передача энергии коленчатому валу. Поршень начинает вновь перемещаться вверх. Происходит вытеснение отработанного газа из цилиндра, вследствие чего осуществляется перемещение поршня вниз, при котором в цилиндр поступает следующая порция топливо-воздушной смеси. После этого цикл повторяется снова.

Возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение приводного вала посредством кривошипно-шатунного механизма, связанного с коленным валом.

Величина носит название степени сжатия для данного двигателя. Чем больше степень сжатия, тем выше КПД. Из-за нагрева смеси при ее сжатии максимально допустимое значение R составляет около 10. При дальнейшем увеличении R возможно самовоспламенение топливо- воздушной смеси. Теоретический максимум КПД для ДВС составляет 58 %, в реальности же вдвое меньше.

Дизельные двигатели (ДД) – одна из альтернатив ДВС с искровым зажиганием. ДД имеют большую массу и габариты по сравнению с ДВС.

Принцип действия ДД следующий: камера сгорания в течение такта сжатия остается заполненной только воздухом. В определенный момент, когда воздух достаточно нагревается за счет сжатия, в камеру сгорания под высоким давлением (35 атм) вспрыскивается топливо. Происходит спонтанное зажигание и поршень выталкивается вниз, выполняя рабочий такт. При запуске двигателя температура может оказаться слишком низкой для спонтанного зажигания. В таких случаях используется запальная свеча. Допустимая степень сжатия у ДД значительно выше, поскольку сжимается только воздух и опасность преждевременного зажигания отсутствует.

Теоретический максимум КПД – 64 %, реально раза в два меньше. Тем не менее ДД оказывается экономичнее и надежнее, чем ДВС.

Двигатели внешнего сгорания (ДВиС) – двигатели, в которых сгорание топлива осуществляется с внешней стороны цилиндра, содержащего замкнутую газовую турбину и механические поршни.

Принцип действия ДВиС заключается в следующем: газ, нагретый от горелок, в горячей зоне цилиндра расширяется, проходя через генератор, охлаждается, затем попадает в пространство между двумя поршнями и толкает силовой поршень вниз. Силовой поршень связан механически с поршнем-вытеснителем так, что при движении силового поршня вниз последний движется вниз. При этом он выталкивает газ из горячей зоны через регенератор, в котором газ охлаждается, нагревая керамическую засыпку регенератора. Достигнув крайнего нижнего положения, силовой поршень движется вверх, вытесняя уже охлажденный газ в горячую зону, через регенератор, в котором тот нагревается. При этом поршень-вытеснитель достигает крайнего нижнего положения. В горячей зоне газ вновь разогревается и цикл повторяется.

В отличие от ДВС в ДВиС цикл горения идет непрерывно, а не вспышками. Вибрация и шум практически отсутствуют, вредных выбро-сов продуктов сгорания практически нет, однако цилиндр длительное время работает про высоких температурах и его стенки сильно нагреваются.

Совмещение функций первичного носителя энергии и рабочего тела в двигателях внутреннего сгорания наряду с преимуществами порождает и ряд недостатков. Важнейшим, особенно для поршневых машин, является то, что режим горения топлива оказывается подчиненным режиму горения поршня, задаваемому нагрузкой на двигатель. Поэтому, как правило, в двигателях внутреннего сгорания горение топлива, особенно в режимах малой нагрузки, происходит в неблагоприятных условиях. Для того чтобы сделать горение устойчивым, приходится использовать так называемую обогащенную горючую смесь, т. е. смесь топлива с воздухом, в которой топлива заведомо больше, чем может теоретически сгореть в этом воздухе. Выхлопные газы этих двигателей содержат несгоревшее топливо или, точнее, некоторые промежуточные соединения – продукты так называемого неполного горения. Среди этих продуктов и вредные для человека вещества, такие как окись углерода и некоторые тяжелые углероды, обладающие канцерогенными свойствами.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: