УТИЛИЗАЦИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ АЭС

Русская мебель XIX века
История мебели
ДИЗАЙН-ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОСТЮМА
Моделирование
Стиль
Ассортимент
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ДЕТСКОЙ ОДЕЖДЫ
ОБРАЗНО-АССОЦИАТИВНЫЙ ПОДХОД
К ПРЕКТИРОВАНИЮ КОСТЮМА
Ансамбль
КЛАССИФИКАЦИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ
И КОЛЛЕКЦИЙ
ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ В СОВРЕМЕННОМ
ДИЗАЙНЕ ОДЕЖДЫ
Художественное восприятие произведений
дизайна
Работа с деревом Советы мастера
Курс
лекций по ТОЭ и типовые задания
Источники электрической энергии
Расчет цепей постоянного тока по законам
Кирхгофа
Выполним расчет цепи по методу контурных токов
Реактивные сопротивления элементов цепи
Найдем комплексные амплитуды токов
Параметры элементов схем реактивных
двухполюсников
Амплитудный и фазовый спектры напряжения
Расчет переходных процессов в электрических
цепях
Найти токи во всех ветвях
Расчет переходных процессов при импупьсных
воздействиях

Атомная энергетика

Энергетический реактор на быстрых нейтронах
Принцип работы атомных электрических станций
Примеры курсового расчета по дисциплине
"Теоретическая механика"
Проекция силы на ось
Уравнения равновесия плоской системы
сходящихся сил
Момент сил относительно точки и оси
Сумма статических моментов
Ускорение точки
Кинематические пары и цепи
Работа и мощность при вращательном движении
Сила трения качения
Построение эпюр продольных сил
Расчеты на срез и смятие
Расчеты на прочность и жесткость
Понятие о сложном деформированном
состоянии
Понятие о теориях прочности
Основные требования к машинам и деталям
Классификация машин
Храповые механизмы
Ременные передачи
Шпоночные и зубчатые (шлицевые) соединения
Назначение и классификация муфт
Сварные соединения

 

Теплоэнергетические преобразователи.

Принцип работы теплоэлектрических преобразователей

В большинстве случаев нас в виде конечного вида энергии интересует электроэнергия. Наиболее распространенные сегодня электростанции (ТЭЦ, АЭС) вырабатывают электроэнергию путём многих последовательных ступеней преобразования, причём всякая ступень преобразования энергии характеризуется большими или меньшими потерями, и ясно, что число промежуточных ступеней преобразования желательно по возможности уменьшить до минимума.

Установки, преобразующие теплоту в электроэнергию, минуя стадию механической энергии, принято называть установками прямого преобразования энергии.

Основным достоинством этих установок является их статичность-отсутствие движущихся частей. Что же их тепловой экономичности, то в связи с термодинамическим несовершенством их КПД в подавляющем большинстве случаев ниже, чем у лучших теплосиловых установок, имеющих роторную природу.

Поэтому системы прямого преобразования энергии наиболее целесообразно применять там, где от установки требуется надёжность, безопасность, возможность работы в автономном режиме без какого-либо обслуживания.

Поскольку исходным видом энергии в установках прямого преобразования энергии является теплота, их КПД при получении электроэнергии подчиняется ограничениям второго закона термодинамики и, соответственно не может превосходить КПД цикла Карно , осуществляемого в том же интервале температур.

 Известны два основных типа теплоэлектрических преобразователей – термоэлектрические и термоэмиссионные.

Термоэлектрогенераторы.

Работа термоэлектрогенераторов (ТЭГ) основана на так называемых термоэлектрических эффектах: эффекте Пельтье, эффекте Зеебека и эффекте Томсона . Эффект Зеебека заключается в возникновении термоЭДС, являющейся функцией температур холодных и горячих спаев и свойств материалов электродов термопары. Эффект Пельтье заключается в том, что в цепи, состоящей из двух разнородных проводников, в местах их соединения при прохождении электрического тока выделяется или поглощается тепло. Эффект Томсона  заключается в выделении или поглощении тепла при прохождении тока в однородном проводнике, вдоль которого имеется изменение температуры.

Принцип действия термоэлектрических преобразователей основан на эффекте возникновения контактной разности потенциалов – термоЭДС в электрической цепи, составленной из двух термоэлектродов: разнородных проводников или разнородных полупроводников или проводника и полупроводника. Если внешняя цепь термопары замкнута и температуры обоих контактных соединений ( спаев) А и В одинаковы ( рис.3), то контактные разности потенциалов Еа и Ев уравновесят друг друга ( Еа=Ев) и ток в цепи будет отсутствовать .Если же спаи термопары находятся при разных температурах( Та≠Тв), то в цепи возникает результирующая термоЭДС Е и по цепи потечет ток.

Термоэлектрогенераторы

  Рис.3.

На рисунке 3 приведена принципиальная схема одного термоэлемента ТЭГ. Термоэлектроды 1 и 2, выполненные из различных материалов, электрически соединены в спаях А и В. Электрод 2 разорван, и в этот разрыв помещены ключ и нагрузка R. Если спаи А и В поддерживать при различных температурах Т 1 и Т2, то при разомкнутом ключе в цепи будет существовать некоторая разность потенциалов. Если ключ замкнуть, то в цепи потечёт электрический ток I. Эффект Пельтье гласит: при протекании тока I через спай разнородных проводников в этом спае поглощается или выделяется теплота. В спае Аток течёт от проводника 1 к проводнику 2, за счёт этого в этом спае поглощается теплота. В спае В ток течёт в обратном направлении из-за чего в нём выделяется теплота. Таким образом при протекании тока I в цепи, где действует ЭДС, будет произведена электрическая энергия.

Идеальный термоэлемент имеет КПД как и цикл Карно, т.е.

 η = .

В реальном термоэлементе наряду с описанными процессами протекают и другие. Прежде всего, за счет разности температур между спаями по самим термоэлектродам 1 и 2, обладающим определенной теплопроводностью, от горячего спая к холодному перетекает теплота Qт. Эта теплота уменьшает КПД. Для уменьшения Qт необходимы материалы с возможно меньшей теплопроводностью. Определенные ограничения накладываются на длину и поперечное сечение термоэлементов.

Кроме потерь за счет теплопроводности в реальном ТЭГ часть выработанной электроэнергии будет теряться за счет электрических потерь в самих электродах. Эти потери зависят от размеров электродов и их удельного сопротивления. Чем меньше удельное сопротивление, тем лучше.

Кроме того, необходимо иметь возможно больший коэффициент термоЭДС, чтобы указанные факторы снижения КПД имели меньшее значение.

КПД реального термоэлемента зависит от комплекса физических свойств материала термоэлектродов. Для оценки свойств используют коэффициент добротности

 Z=,

где   α-коэффициент термоЭДС;

 λ-удельная теплопроводность материала;

  ρ-удельное электрическое сопротивление термоэлектрода.

Чем выше коэффициент добротности, тем ближе КПД реального термоэлемента к КПД цикла Карно.

Первые термоэлементы имели очень низкие характеристики, т.к. у металлов коэффициент добротности составлял в лучшем случае 10-8-10-7 1/К.

При открытии полупроводников было определено, что у некоторых из них коэффициент добротности доходит до 0,001 1/К, т.е. в десятки тысяч раз выше, чем у металлов. Это позволяет получать КПД термоэлементов до 10-15%. Кроме того, у полупроводников коэффициент термоЭДС оказывается в сотни и тысячи раз выше.

Наилучшие термоэлектрические свойства получаются тогда, когда в качестве термоэлектродов выбираются два полупроводника с различным типом проводимости.

Теплопроводностью и электропроводностью таких полупроводников можно до известной степени управлять, вводя соответствующие примеси или применяя специальную технологическую обработку.

Для интервала температур 300-800 К сегодня наиболее удачными материалами для термоэлектродов являются сплавы и соединения олова, свинца, теллура, селена.Значения добротности для них достигают 0,002-0,003 1/К.

Современные термоэлектрические материалы можно разделить на низко-, средне- и высокотемпературные. Низкотемпературный интервал охватывает диапазон температур 400-600 К. К материалам этой группы относятся теллурид висмута, твердые растворы теллура, висмута и селена, раствор висмут-олово.

Среднетемпературный интервал охватывает диапазон 600-950 К, для него используют теллуристый свинец, селенистый свинец , теллурид германия и др.

Для большинства ТЭГ один термоэлемент вырабатывает при разности температур 300-600К ЭДС, равную 0,15-0,3 В.

Сами ТЭГ представляют собой серию термоэлементов, соединенных последовательно с помощью специальных коммутационных пластин. В результате образуется группа так называемых горячих спаев, работающих при температуре Т1, и холодных – при температуре Т2. Полная ЭДС , развиваемая ТЭГ, равна сумме ЭДС отдельных элементов. При замыкании ТЭГ на нагрузку через все термоэлектроды и коммутационные пластины проходит один и тот же ток. В результате горячие спаи поглощают теплоту, а холодные выделяют. Для поддержания постоянных температур Т1 и Т2 к горячим спаям надо подводить теплоту Q1, а от холодных отводить Q2.

В настоящее время получены материалы для термоэлектродов с коэффициентом добротности 0,003 и имеются разработки , позволяющие существенно поднять добротность выше указанного уровня, что расширит области применения ТЭГ.

Термоэмиссионные преобразователи энергии.

Принцип действия термоэмиссионного преобразователя основан на явлении термоэлектронной эмиссии, состоящем в том, что если какой-либо металл,

нагретый до температуры Т , поместить в вакуум, то некоторое количество его электронов перейдет в вакуум. При этом переходе электроны должны преодолеть энергетический барьер, называемый работой выхода, составляющий обычно несколько электрон-вольт. При низких температурах средняя энергия свободных электронов существенно меньше работы выхода и лишь ничтожное количество электронов может испускаться в вакуум. С ростом температуры это количество очень быстро нарастает.

Если в вакуум помещены два электрода из различных металлов, имеющих различные работы выхода, то между ними установится некоторая разность потенциалов. Но если температура электродов будет одинакова, ток между электродами не потечет.

Чтобы обеспечить во внешней цепи ток, необходимо, чтобы один из электродов имел больше температуру, чем другой. Электрод, с которого выходят электроны, называют эмиттером. И если его температура выше, с него электроны потекут в коллектор (другой электрод) и в цепи потечет ток. Это и будет простейшим термоэмиссионным преобразователем(ТЭП).

У идеального ТЭП КПД близок к КПД цикла Карно, осуществляемого при температуре эмиттера Тэ и температуре коллектора Тк. Надо иметь при этом ввиду, что если с какого-либо электрода отбираются эмитируемые им электроны, то электрод при этом охлаждается (эффект Эдиссона). Чтобы сохранить температуру электрода постоянной, к нему надо подводить теплоту. Кроме того, когда поток электронов входит из вакуума в электрод, в нем выделяется некоторое количество теплоты и, чтобы сохранить температуру электрода постоянной, эту теплоту необходимо отводить.

Принципиальную электрическую схему ТЭП можно представить в виде,

 Рис.4.

 показанном на Рис.4. Подведение теплоты к катоду и отвод тепла от анода позволяет получить ток во внешней цепи и соответственно выработку электроэнергии .

Термоэмиссионные генераторы могут быть вакуумными, газонаполненными и плазменными.

 Рассмотрим процессы, происходящие в вакуумном термоэмиссионном генераторе. Известно, что электроны внутри металла катода перемещаются свободно, однако для удаления электрона с поверхности металла необходимо затратить определённую работу выхода ej , где j  - поверхностный потенциальный барьер или потенциал выхода, а e – заряд электрона. Для того чтобы преодолеть взаимодействие с положительным зарядом, оставшемся в катоде, электрон должен отойти от поверхности катода на расстояние, несколько большее расстояния между атомами металла, что является величиной весьма малой по сравнению с реализуемыми на практике межэлектродными зазорами.

 Электроны, вылетевшие в межэлектродное пространство, создадут в нём объёмное заряженное облако, препятствующее дальнейшему вылету электронов, вследствие чего ток эмиссии будет меньше по сравнению со случаем, если бы электронное облако в зазоре отсутствовало.

  Когда электрон попадёт на анод, запас его энергии уменьшится и приближается к величине работы выхода анода (ejа) плюс части потенциального барьера у анода (ejаб), создаваемой пространственным зарядом у анода. Оставшаяся разность энергий электрона может быть выделена во внешней электрической цепи.

 Очевидно, что U будет тем больше, чем меньше jа и jаб,  т. е. тем будет меньше энергия, теряемая электроном на преодоление работы выхода анода (jа) и анодной части потенциального барьера (jаб), когда электрон попадает под анод. Поэтому анод ТЭМГ должен быть изготовлен из металла с работой выхода, меньшей, чем у катода (jа<jк).

  Для вакуумных ТЭМГ катоды могут быть изготовлены из вольфрама с работой выхода 4,65 В; из рения с работой выхода 5,07 В,

а аноды из вольфрама с адсорбированным цезием с jа=1,85 В и других металлов.

 Учёный Ричардсон установил, что чем меньше потенциал выхода материала (j), тем выше плотность тока эмиссии электронов is с его поверхности. Поэтому, если бы оба электрона имели одинаковую температуру, то при jа<jк эмиссия с анода была бы больше, чем с катода.

Во избежание этого анод при jа<jк должен иметь более низкую температуру, чем катод (Та< Тк). Плотность потоков электронов i, создающих электрический ток во внешней цепи вакуумного ТЭМГ, определяется как разность между потоками электронов с катода и с анода. 

i=iк-iа.

 ТЭМГ действует как электрогенератор постоянного тока, вырабатывающий полезное напряжение U.

 КПД вакуумного ТЭМГ определяется отношением получаемой полезной мощности ко всей подведённой. Для получения наибольшей мощности и КПД ТЭМГ необходимо предельно уменьшить эмиссию анода, что можно сделать, уменьшая температуру анода, а также снижать влияние потенциального барьера от объёмного заряда в межэлектродном промежутке. Влияние потенциального барьера сводиться к нулю при очень малых межэлектродных зазорах (d£0,025 мм)

Тогда ток с единицы поверхности электрода ТЭМГ будет максимальным.

Хотя вакуумный ТЭГ может иметь хорошие характеристики, однако, на практике (при высоких температурах электродов) трудно осуществлять малые межэлектродные расстояния. Кроме того, при малых электродных расстояниях затрудняется охлаждение анода, нагреваемого непосредственно от раскалённого катода; увеличивается испарение электродов.

 Одним из способов преодоления этих трудностей является использование газонаполненных конструкций. Ионизированный газ, заполняющий межэлектродное пространство, одновременно обеспечивает и нейтрализацию объёмных зарядов, уменьшение потенциальных барьеров jаб и jкб от объёмных зарядов. Нейтрализация пространственного заряда позволяет иметь межэлектродные расстояния в пределах 1 мм и менее, что позволяет, в свою очередь, легко создать ТЭМГ с приемлемыми показателями.

 В качестве ионизируемого газа наибольшее распространение получили пары цезия, как вещества, имеющего весьма малый потенциал ионизации jц =1,93 В. Тогда каждый удар нейтронного цезия о горячую поверхность катода с jк> jц приводит к отрыву электрона от атома и его ионизации. Такая ионизация называется поверхностной и в отличие от термической не требует высоких температур. При этом, если цезий осаждается на аноде, тем самым обеспечивается меньшая работа выхода электронов с анода и достигается увеличение мощности и КПД.

Эффект нейтрализации пространственного заряда достигается при низких давлениях паров цезия; например, при межэлектродном расстоянии в 1 мм давление составляет десятки паскалей. Для получения приемлемых характеристик в газонаполненном ТЭМГ необходимо было соблюдение в межэлектродном пространстве такого низкого давления газа (десятки паскалей), которое обеспечивало бы превышение длинны сводного пробега эмитируемых катодом электронов над межэлектродным расстоянием. Однако, если этот предел будет значительно превышен и в межэлектродном пространстве будет находиться высоко или полностью ионизированный цезиевый газ – плазма, представляющий собой хороший проводник тока, то термоэмиссионный генератор становится подобным термоэлектрическому контактному генератору со всеми присущими ему явлениями Зеебека, Пельтье и Томсона. При этом цезиевая плазма может быть нагрета до очень высокой температуры в несколько тысяч Кельвин, а длинна свободного пробега её частиц становиться во много раз меньше расстояния между электродами. Плазма в межэлектродном зазоре имеет составляющие электрического сопротивления вследствие Кулоновских столкновений электронов с ионами rе и с нейтральными атомами rн. Обе составляющие для цезиевой плазмы имеют одно и то же значение: rе=rн=0,16 ОмXсм. Если учесть все потери в плазменном ТЭМГ и подсчитать КПД, то для наиболее приемлемой области исходных условий максимальный КПД получается равным, примерно, 25%. Также можно сказать что выходное напряжение непосредственно зависит от падения потенциала в плазме и потенциала выхода анода.

Обе величины надо сохранять минимальными для получения наибольшего U. Замечено, что повышение давления паров цезия в плазме сказывается на увеличении мощности ТЭМГ, но только до определённого предела, соответствующего достижению критического значения падения потенциала в плазме. Вакуумные, газонаполненные и плазменные термоэмиссионные генераторы нашли применение, как в промышленности, так и в энергетике. В существующих ТЭМГ мощностью 27 кВт с нагревом от ядерного реактора катоды выполнены из торированного вольфрама, аноды - из чистого вольфрама. Нейтрализация объемного заряда в межэлектродном зазоре осуществляется введением цезиевой плазмы. При температуре катода

Тк=2000 К, температуре анода Та=1000 К и потенциале выхода анода

jа=2,6 В расчетная удельная мощность генератора составляет 10 Вт/см^2.

КПД ТЭМГ 9,7%; масса установки равна 640 кг.

 Термоэмиссионные генераторы с ядерными источниками тепа всё более завоёвывают себе место в наземной энергетике различного назначения из-за относительной простоты и высоких технико-экономических показателей.

На главную