Termogeneratori: kako zavariti struju na plinskoj peći

Jedan od električnih foruma postavio je sljedeće pitanje: "Kako mogu dobiti električnu energiju pomoću kućnog plina?" To je bilo motivirano činjenicom da se plin iz ovog drugova, i doista, kao i mnogi, plaća jednostavno prema standardima bez brojila.

Bez obzira koliko koristili, ionako plaćate fiksni iznos, a zašto ne biste već plaćeni, ali neiskorišteni plin pretvorili u slobodnostojeću struju? Tako se na forumu pojavila nova tema koju su pokupili ostali sudionici: intimni razgovor pomaže ne samo smanjiti radni dan, već i ubiti slobodno vrijeme.

Predložene su mnoge mogućnosti. Dovoljno je kupiti benzinski generator i napuniti ga benzinom dobivenim destilacijom domaćeg plina, ili ponovno prilagoditi generator da odmah djeluje na plin, poput automobila.

Umjesto motora s unutarnjim izgaranjem, predložen je Stirlingov motor, poznat i kao motor s vanjskim sagorijevanjem. Ovdje je samo vrhunski pokretač (onaj koji je stvorio novu temu) tvrdio da snaga generatora iznosi najmanje 1 kilovat, ali je racionalizirana, rekavši da takvo miješanje neće stati ni u kuhinji male blagovaonice. Osim toga, važno je da je generator tih, inače, dobro, i sami znate što.

Nakon mnogih prijedloga, netko se sjetio vidjeti sliku u knjizi koja prikazuje kerozinsku svjetiljku sa zvjezdastim uređajem s više snopa za napajanje tranzistorskim prijemnikom. Ali o tome će se raspravljati malo dalje, ali za sada ...

Termo generatora. Povijest i teorija

Za primanje električne energije izravno iz plinskog plamenika ili drugog izvora topline koriste se generatori topline. Baš kao i termoelement, njihovo se načelo rada temelji Seebeckov efektotvorena 1821. godine.

Spomenuti učinak je da se u zatvorenom krugu dva različita vodiča pojavljuje emf ako su spojevi vodiča na različitim temperaturama. Na primjer, vrući spoj nalazi se u posudi s kipućom vodom, a drugi u šalici leda za topljenje.

Učinak proizlazi iz činjenice da energija slobodnih elektrona ovisi o temperaturi. U ovom se slučaju elektroni počinju kretati iz vodiča, gdje imaju veću energiju u vodiču, gdje je energija naboja manja. Ako se jedan od spojeva zagrijava više od drugog, tada je razlika u energiji naboja na njemu veća nego na hladnom. Stoga, ako je krug zatvoren, u njemu nastaje struja, potpuno iste termoelektrane.

Otprilike se veličina termoelektrane može odrediti jednostavnom formulom:

E = α * (T1 - T2). Ovdje je α termoelektrični koeficijent, koji ovisi samo o metalima od kojih se sastoji termoelement ili termoelement. Njegova se vrijednost obično izražava u mikrovoltima po stupnju.

Temperaturna razlika spojeva u ovoj formuli (T1 - T2): T1 je temperatura vrućeg spajanja, a T2 hladnog. Gornja formula jasno je prikazana na slici 1.

Slika 1. Princip termoelementa

Ovaj je crtež klasičan, može se naći u bilo kojem udžbeniku fizike. Na slici je prikazan prsten sastavljen od dva vodiča A i B. Spoj vodiča naziva se spojnicama. Kao što je prikazano na slici, u vrućem spoju T1, termoelektrana ima smjer od metala B do metala A. A u hladnom spoju T2 od metala A do metala B. Smjer termoelektrane naveden na slici vrijedi za slučaj kada je termo snaga metala A pozitivna u odnosu na metal B ,

Kako odrediti termo snagu metala

Termoelektrična snaga metala određena je u odnosu na platinu. Za to se termoelement, čija je jedna elektroda platina (Pt), a druga je testni metal, zagrijava na 100 stupnjeva Celzijusa, Dobivena vrijednost milivolta za neke metale prikazana je dolje.Štoviše, valja napomenuti da se ne mijenja samo veličina termoelektrane, nego i njezin znak u odnosu na platinu.

U ovom slučaju platina ima istu ulogu kao 0 stupnjeva na temperaturnoj ljestvici, a cijela skala vrijednosti termoelektrana je sljedeća:

Antimon +4.7, željezo +1.6, kadmij +0.9, cink +0.75, bakar +0.74, zlato +0.73, srebro +0.71, kositar +0.41, aluminij + 0,38, živa 0, platina 0.

Nakon platine su metali s negativnom termoelektričnom snagom:

Kobalt -1,54, nikal -1,64, konstantan (legura bakra i nikla) ​​-3,4, bizmut -6,5.

Pomoću ove ljestvice vrlo je jednostavno odrediti vrijednost termoelektrične snage koju razvija termoelement sastavljen od različitih metala. Da biste to učinili, dovoljno je izračunati algebarsku razliku u vrijednostima metala od kojih su izrađeni termoelektrodi.

Na primjer, za par antimon-bizmut, ta vrijednost će biti +4,7 - (- 6,5) = 11,2 mV. Ako se kao elektroda upotrebljava par željezo-aluminij, tada će ta vrijednost biti samo +1,6 - (+0,38) = 1,22 mV, što je gotovo deset puta manje od vrijednosti prvog para.

Ako se hladni spoj održava na konstantnoj temperaturi, na primjer, 0 stupnjeva, tada će termo snaga vrućeg spajanja biti proporcionalna promjeni temperature, koja se koristi u termoparovima.

Kako su stvoreni termogeneratori

Već sredinom 19. stoljeća pokušani su stvoriti brojni pokušaji generatori topline - uređaji za proizvodnju električne energije, odnosno za napajanje raznih potrošača. Kao takvi izvori trebali su koristiti baterije iz serijski spojenih termoelemenata. Dizajn takve baterije prikazan je na slici 2.

Slika 2. Termička baterija, shematski

Prvi termoelektrična baterija stvoreni sredinom 19. stoljeća fizičari Oersted i Fourier. Bizmut i antimon korišteni su kao termoelektrodi, isto isti par čistih metala s najvećom termoelektričnom snagom. Vrući čvorovi grijali su se plinskim plamenicima, dok su hladni čvorovi bili stavljeni u posudu sa ledom.

U eksperimentima sa termoelektričnošću, kasnije su izumljeni termopilovi, pogodni za upotrebu u nekim tehnološkim procesima, pa čak i za osvjetljenje. Primjer je baterija Clamone, razvijena 1874. godine, čija je snaga bila sasvim dovoljna za praktične svrhe: na primjer, za galvansko pozlaćivanje, kao i za uporabu u tiskarnicama i radionicama solarnog graviranja. Otprilike u isto vrijeme, znanstvenik Noé također je bio uključen u istraživanje termopila, a njegove su termopile bile tada prilično raširene.

No svi su ti eksperimenti, iako uspješni, bili osuđeni na neuspjeh, budući da su termopili na osnovi termoparova od čistog metala imali vrlo malu učinkovitost, što je ometalo njihovu praktičnu primjenu. Čisto metalne pare imaju učinkovitost od samo nekoliko desetina posto. Poluvodički materijali imaju mnogo veću učinkovitost: neki oksidi, sulfidi i intermetalni spojevi.

Poluvodičke termoelemente

Istinsku revoluciju u stvaranju termoelemenata napravila su djela akademika A.I. Joffe. Početkom 30-ih godina XX. Stoljeća iznio je ideju da je pomoću poluvodiča moguće pretvoriti toplinsku energiju, uključujući i solarnu, u električnu. Zahvaljujući istraživanju već 1940. godine, stvorena je poluvodička fotoćelija za pretvaranje sunčeve svjetlosne energije u električnu.

Prva praktična primjena poluvodičke termoelemente trebalo bi ga smatrati „partizanskim kuglarom“ koji je omogućio napajanje nekih prijenosnih partizanskih radio postaja.

Osnova termogeneratora bili su elementi iz konstantana i SbZn. Temperatura hladnih čvorova stabilizirana je kipućom vodom, dok su vruće spojeve grijali plamenom vatre, dok je bila osigurana temperaturna razlika od najmanje 250 ... 300 stupnjeva. Učinkovitost takvog uređaja nije bila veća od 1,5 ... 2,0%, ali snaga za napajanje radio stanica bila je sasvim dovoljna.Naravno, u tim ratnim vremenima, dizajn „kuglača“ bio je državna tajna, pa čak i sada se o njegovom dizajnu raspravlja na mnogim internetskim forumima.

Generatori topline za kućanstvo

Već u poslijeratnim pedesetima sovjetska industrija započela je s proizvodnjom termički generatori TGK - 3, Njegova glavna svrha bila je napajanje radioakumulatora u neelektrificiranim ruralnim područjima. Snaga generatora bila je 3 W, što je omogućilo napajanje prijemnika baterija, poput Tula, Iskra, Tallinn B-2, Rodina 47, Rodina 52 i nekih drugih.

Izgled termogeneratora TGK-3 prikazan je na slici 3.

Slika 3. Termički generator TGK-3

Dizajn toplinskog generatora

Kao što je već spomenuto, generator topline bio je namijenjen uporabi u ruralnim područjima, gdje se koristila rasvjeta kerozinske svjetiljke "munje", Takva svjetiljka, opremljena toplinskim generatorom, postala je ne samo izvor svjetlosti, već i električne energije.

U isto vrijeme nisu bili potrebni dodatni troškovi goriva, jer se upravo onaj dio kerozina koji je jednostavno uletio u cijev pretvorio u električnu energiju. Štoviše, takav je generator uvijek bio spreman za rad, njegov je dizajn bio takav da se jednostavno nije moglo ništa probiti. Generator je mogao jednostavno ležati u praznom hodu, raditi bez opterećenja, nije se bojao kratkog spoja. Život generatora, u usporedbi s galvanskim baterijama, činio se jednostavno vječnim.

Ulogu ispušne cijevi kerozinske lampe „munja“ igra izduženi cilindrični dio čaše. Kad se svjetiljka koristi zajedno s generatorom topline, staklo se skrati i u njega se umetne metalna jedinica za prijenos topline, kao što je prikazano na slici 4.

Slika 4. Kerozinska žarulja s termoelektričnim generatorom

Vanjski dio odašiljača topline je u obliku višeslojne prizme na koju su montirani termopile. Kako bi se povećala učinkovitost prijenosa topline, prijenosnik topline unutra je imao nekoliko uzdužnih kanala. Prolazeći kroz te kanale, vrući plinovi ušli su u ispušnu cijev 3, istovremeno zagrijavajući termopile, točnije, njegove vruće spojeve.

Za hlađenje hladnih čvorova korišten je zračni radijator. To je metalno rebro pričvršćeno na vanjske površine termopilnih blokova.

Termogenerator - TGK3 sastojao se od dva neovisna odjeljenja. Jedan od njih stvorio je napon od 2V pri struji opterećenja do 2A. Ovaj se odjeljak koristio za dobivanje anodnog napona svjetiljki pomoću vibracijskog pretvarača. Drugi dio s naponom od 1,2 V i strujom opterećenja od 0,5 A korišten je za napajanje žarulja sa žarnom niti.

Lako je izračunati da snaga ovog generatora topline nije prelazila 5 vata, ali bilo je dovoljno za prijemnik, koji je omogućio uljepšavanje dugih zimskih večeri. E sad, naravno, to se čini baš smiješnim, ali u te dane je takav uređaj nesumnjivo bio čudo tehnologije.

Godine 1834. Francuz Jean Charles Atanaz Peltier otkrio je učinak suprotan Seebickovom učinku. Značenje otkrića je u tome što se tijekom prolaska struje kroz spoj iz različitih materijala (metala, legura, poluvodiča) toplina oslobađa ili apsorbira, što ovisi o smjeru struje i vrstama materijala. Ovdje je detaljno opisano: Peltierov učinak: magični učinak električne struje