Lämpögeneraattorit: kuinka "hitsata" sähköä kaasuliesi kanssa

Yksi sähköfoorumista kysyi seuraavaa: "Kuinka saan sähköä tavallisella kotitalouskaasulla?" Tätä motivoi se, että tämän toverin kaasu, kuten monetkin, maksetaan yksinkertaisesti normeilla ilman mittaria.

Maksat kiinteän summan riippumatta siitä, kuinka paljon käytät, ja miksi et muuta jo maksettua, mutta käyttämätöntä kaasua itsenäiseksi sähköksi? Joten foorumiin ilmestyi uusi aihe, jonka muut osallistujat ottivat esiin: intiimi keskustelu auttaa paitsi vähentämään työpäivää myös tappamaan vapaa-aikaa.

Monia vaihtoehtoja on ehdotettu. Osta vain bensiinigeneraattori ja täytä se bensiinillä, joka on saatu tislaamalla kotimaista kaasua, tai tee uusi generaattori toimimaan heti kaasun kanssa, kuten auto.

Polttomoottorin sijasta ehdotettiin Stirling-moottoria, joka tunnetaan myös nimellä ulkoinen polttomoottori. Tässä on vain huippukäyttäjä (se, joka loi uuden teeman) väitti, että generaattoriteho oli vähintään 1 kilowattia, mutta se järkiperäistettiin sanomalla, että tällainen sekoittaminen ei sovi edes pienen ruokasalin keittiöön. Lisäksi on tärkeää, että generaattori on hiljainen, muuten, no, tiedät itse mitä.

Monien ehdotusten jälkeen joku muisti nähneensä kirjassa kuvan, jossa oli petrolilamppu monisäteisellä tähtilaitteella transistorin vastaanottimen virran saamiseksi. Mutta tästä keskustellaan vähän pidemmälle, mutta toistaiseksi ...

Lämpömittarilla generaattori. Historia ja teoria

Lämpögeneraattoreita käytetään sähkön vastaanottamiseksi suoraan kaasupolttimelta tai muulta lämmönlähteeltä. Aivan kuten termoelementti, niiden toimintaperiaate perustuu Seebeck-vaikutusavattiin vuonna 1821.

Mainittu vaikutus on, että kahden erilaisen johtimen suljetussa piirissä EMF ilmestyy, jos johtimien liitokset ovat eri lämpötiloissa. Kuuma liitoskohta on esimerkiksi kiehuvan veden astiassa ja toinen kupissa sulavaa jäätä.

Vaikutus syntyy siitä, että vapaiden elektronien energia riippuu lämpötilasta. Tässä tapauksessa elektronit alkavat liikkua johtimesta, missä niiden johtimessa on suurempi energia, missä varausten energia on pienempi. Jos yksi risteyksistä lämmitetään enemmän kuin toinen, niin siinä olevien varausten energiaero on suurempi kuin kylmässä. Siksi, jos piiri on suljettu, siihen syntyy virta, täsmälleen sama lämpövoima.

Lämpövoiman suuruus voidaan määrittää yksinkertaisella kaavalla:

E = a * (T1 - T2). Tässä α on termoelektrinen kerroin, joka riippuu vain metalleista, joista termoelementti tai termoelementti koostuu. Sen arvo ilmaistaan ​​yleensä mikrovolteina astetta kohti.

Yhdisteiden lämpötilaero tässä kaavassa (T1 - T2): T1 on kuuman liitoksen lämpötila ja vastaavasti T2 kylmän lämpötila. Edellä oleva kaava on selvästi havainnollistettu kuviossa 1.

Kuva 1. Lämpöparin periaate

Tämä piirustus on klassinen, se löytyy mistä tahansa fysiikan oppikirjasta. Kuvassa on rengas, joka koostuu kahdesta johtimesta A ja B. Johtimien liitosta kutsutaan liitoksiksi. Kuten kuvassa esitetään, lämpimässä risteyksessä T1 lämpövoimalla on suunta metallista B metalliin A. A kylmässä risteyksessä T2 metallista A metalliin B. Kuvassa ilmoitettu lämpövoiman suunta pätee tapaukseen, jossa metallin A lämpövoima on positiivinen suhteessa metalliin B. .

Kuinka määrittää metallin lämpöä

Metallin termosähköinen teho määritetään suhteessa platinaan. Tätä lämpöparia varten, jonka toinen elektrodista on platina (Pt), ja toinen on koetalli, se kuumennetaan 100 ° C: seen. celsiusastetta. Joidenkin metallien saatu millivolttarvo on esitetty alla.Lisäksi on huomattava, että lämpövoiman suuruuden muutosten lisäksi myös sen merkki platinan suhteen.

Tässä tapauksessa platinalla on sama rooli kuin 0 astetta lämpötila-asteikolla, ja koko lämpövoima-arvojen asteikko on seuraava:

Antimoni +4,7, rauta +1,6, kadmium +0,9, sinkki +0,75, kupari +0,74, kulta +0,73, hopea +0,71, tina +0,41, alumiini + 0,38, elohopea 0, platina 0.

Platinan jälkeen ovat metalleja, joiden termosähkö on negatiivinen:

Koboltti -1,54, nikkeli -1,64, vakio (kuparin ja nikkelin seos) -3,4, vismutti -6,5.

Tätä asteikkoa käyttämällä on hyvin yksinkertaista määrittää eri metalleista koostuvan termoelementin tuottaman termoelektrisen arvon arvo. Tätä varten riittää, kun lasketaan algebrallinen ero niiden metallien arvoissa, joista termoelektrodit on valmistettu.

Esimerkiksi antimon-vismuttiparilla tämä arvo on +4,7 - (- 6,5) = 11,2 mV. Jos elektrodina käytetään rauta-alumiini-paria, tämä arvo on vain +1,6 - (+0,38) = 1,22 mV, mikä on melkein kymmenen kertaa pienempi kuin ensimmäisen parin.

Jos kylmä risteys pidetään vakiona lämpötilassa, esimerkiksi 0 astetta, niin kuuman risteyksen lämpövoima on verrannollinen lämpöpariin käytettävään lämpötilan muutokseen.

Kuinka lämpögeneraattorit luotiin

Jo 1800-luvun puolivälissä luomiseen tehtiin lukuisia yrityksiä lämpögeneraattorit - laitteet sähköenergian tuottamiseksi, ts. erilaisten kuluttajien virran tuottamiseksi. Sellaisina lähteinä sen piti käyttää paristoja sarjaan kytketyistä termoelementeistä. Tällaisen akun rakenne on esitetty kuvassa 2.

Kuva 2. Lämpöparisto, kaavamainen

Ensimmäinen termoelektrinen akku Fysikaalit Oersted ja Fourier loivat 1800-luvun puolivälissä. Vismuttia ja antimonia käytettiin termoelektrodina, juuri sama pari puhtaita metalleja, joilla oli suurin termoelektrinen teho. Kuumat liitoskohdat lämmitettiin kaasupolttimilla, kun taas kylmät liitoskohdat sijoitettiin astiaan, jossa oli jäätä.

Lämpöelektrisyyttä koskevissa kokeissa keksittiin myöhemmin lämpöpiilejä, jotka sopivat käytettäväksi joissakin teknologisissa prosesseissa ja jopa valaistamiseen. Esimerkki on vuonna 1874 kehitetty Clamone-akku, jonka teho riitti käytännöllisiin tarkoituksiin: esimerkiksi galvaaniseen kultaukseen, samoin kuin käytettäväksi painotaloissa ja helio-kaiverruspajoissa. Samoihin aikoihin tutkija Noé oli mukana myös termopolejen tutkimuksessa, ja hänen termopillinsa olivat myös tuolloin melko yleisiä.

Mutta kaikki nämä kokeet, vaikka ne olivat onnistuneita, oli tuomittu epäonnistumiseen, koska puhtaan metallin termoelementteihin perustuvilla termopoleilla oli erittäin alhainen hyötysuhde, mikä haittasi niiden käytännön soveltamista. Puhtaasti metallisten höyryjen hyötysuhde on vain muutama kymmenesosa prosenttia. Puolijohdemateriaaleilla on paljon suurempi tehokkuus: jotkut oksidit, sulfidit ja metallien väliset yhdisteet.

Puolijohdetermoelementit

Todellinen vallankumous lämpöparien luomisessa tehtiin akateemikon A.I. Joffe. XX-luvun 30-luvun alkupuolella hän esitti ajatuksen, että puolijohteita käyttämällä on mahdollista muuntaa lämpöenergia, mukaan lukien aurinko, sähköenergiaksi. Jo vuonna 1940 tehdyn tutkimuksen ansiosta luotiin puolijohdevalokenno, joka muuntaa aurinkovalon energian sähköenergiaksi.

Ensimmäinen käytännön sovellus puolijohdetermoelementit sitä olisi pidettävä ilmeisesti ”partisanikehittäjänä”, joka antoi mahdolliseksi antaa virtaa joillekin kannettaville partisanien radioasemille.

Lämpögeneraattorin perusta oli elementtejä vakio- ja SbZn-yhdisteistä. Kylmien liitoskohtien lämpötila stabiloitiin kiehuvalla vedellä, kun taas kuumia liitoksia lämmitettiin tulen liekillä, samalla kun lämpötilaero oli vähintään 250 - 300 astetta. Tällaisen laitteen hyötysuhde ei ollut enempää kuin 1,5 ... 2,0%, mutta radioasemien virrankulutus riitti.Tietenkin noina sodan aikoina "keilan" suunnittelu oli valtiosalaisuus, ja jopa sen suunnittelusta keskustellaan monilla Internet-foorumeilla.

Kotitalouksien lämpögeneraattorit

Neuvostoliiton teollisuus aloitti tuotannon jo sodan jälkeisen viidenkymmenenluvun aikana lämpögeneraattorit TGK - 3. Sen päätarkoitus oli virrata akkukäyttöisiä radiopuhelimia sähköttömillä maaseutualueilla. Generaattorin teho oli 3 W, mikä mahdollisti akkuvastaanottimien virran, kuten Tula, Iskra, Tallinn B-2, Rodina 47, Rodina 52 ja jotkut muut.

TGK-3-lämpögeneraattorin ulkonäkö on esitetty kuvassa 3.

Kuva 3. Lämpögeneraattori TGK-3

Lämpögeneraattorin suunnittelu

Kuten jo mainittiin, lämpögeneraattori oli tarkoitettu käytettäväksi maaseutualueilla, joissa käytettiin valaistusta petrolilamput "salama". Tällaisesta lämpögeneraattorilla varustetusta lampusta tuli paitsi valon, myös sähkön lähde.

Samanaikaisesti ylimääräisiä polttoainekustannuksia ei vaadittu, koska juuri se osa petrolia, joka vain lensi putkeen, muuttui sähköksi. Lisäksi tällainen generaattori oli aina käyttövalmis, sen rakenne oli sellainen, että siihen ei yksinkertaisesti ollut mitään murtautua. Generaattori voi yksinkertaisesti olla joutokäynnillä, toimia ilman kuormaa, ei pelännyt oikosulkuja. Generaattorin käyttöikä verrattuna galvaanisiin akkuihin näytti yksinkertaisesti ikuiselta.

Kerosiinilampun pakoputken ”salama” -aseman rooli on lasin pitkänomaisella lieriömäisellä osalla. Kun lamppua käytettiin yhdessä lämpögeneraattorin kanssa, lasia lyhennettiin ja siihen työnnettiin metallinen lämmönsiirtoyksikkö 1, kuten kuvassa 4 esitetään.

Kuva 4. Terosähkögeneraattorilla varustettu petrolilamppu

Lämpölähettimen ulkoinen osa on monipuolinen prisma, johon termopiilit on asennettu. Lämmönsiirron tehokkuuden lisäämiseksi lämmönlähettimellä oli useita pitkittäiskanavia. Näiden kanavien läpi kuumat kaasut menivät pakoputkeen 3, lämmittäen samanaikaisesti termopiilia, tarkemmin sanottuna, sen kuumia liitoksia.

Ilmajäähdytteistä jäähdytinä käytettiin kylmien liitosten jäähdyttämiseen. Se on metalliharja, joka on kiinnitetty lämpölaattojen lohkojen ulkopinnoille.

Lämpögeneraattori - TGK3 koostui kahdesta itsenäisestä osastosta. Yksi heistä tuotti 2V: n jännitteen kuormitusvirralla jopa 2A: iin. Tätä osaa käytettiin lamppujen anodijännitteen saamiseksi värähtelyanturia käyttämällä. Toista osaa, jonka jännite oli 1,2 V ja kuormitusvirta oli 0,5 A, käytettiin lamppujen hehkulangan syöttämiseen.

On helppo laskea, että tämän lämpögeneraattorin teho ei ylittänyt 5 wattia, mutta se riitti vastaanottimeen, mikä antoi mahdolliseksi kirkastaa pitkiä talvi-iltoja. Nyt tietenkin tämä vaikuttaa naurettavalta, mutta noina päivinä sellainen laite oli epäilemättä tekniikan ihme.

Vuonna 1834 ranskalainen Jean Charles Atanaz Peltier löysi vaikutelman, joka oli Seebick-efektin vastainen. Löytön tarkoitus on, että virran kulkiessa ristikkäiden läpi erilaisista materiaaleista (metallit, seokset, puolijohteet) lämpöä vapautuu tai absorboituu, mikä riippuu virran suunnasta ja materiaalityypeistä. Tätä kuvataan yksityiskohtaisesti täällä: Peltier-vaikutus: sähkövirran maaginen vaikutus