Тепловой генератор его устройство

Термогенераторы. Устройство и работа. Виды и применение

Тепловая энергия и электрическая энергия – разные виды энергии, и мысль о преобразовании одного вида в другой напрашивается само собой (Термогенераторы). Электрическую энергию превратить в тепловую легко – это делает любая электроплитка, а иногда подобное преобразование является побочным и невыгодным для нас, как, например, в электролампочке накаливания.

Но существует и возможность получения электрической энергии непосредственно от источника тепла посредством устройств, называемых термогенераторы или термоэлектрогенераторы (ТЭГ), составляются из отдельных термоэлементов.

Устройство и принцип действия термоэлементов

Принцип действия термоэлементов основан на эффекте, открытом немецким физиком Зеебеком в 1821 году. Эффект Зеебека заключается в том, что в цепи из двух соединенных разнородных проводников возникает электродвижущая сила (ЭДС) постоянного тока, если место спая проводников и свободные (неспаянные) концы проводников поддерживаются при разных температурах.

Разнородными проводниками могут служить разные металлы либо полупроводники с разными типами проводимости (n-типа и p-типа). Суть эффекта в том, что энергия свободных электронов (как и энергия молекул любого газа), зависит от температуры – чем выше температура, тем выше энергия. При контакте двух проводников электроны перемещаются от проводника с электронами более высокой энергии к проводнику с электронами менее высокой энергии. Если такое устройство из двух проводников замкнуть на внешнюю нагрузку, в ней возникнет электрический ток, стремящийся выровнять энергию электронов в проводниках, чему можно воспрепятствовать постоянным подводом тепла к нагретому спаю и удержанием низкой температуры холодных свободных концов.

Особенности термоэлементов

Величина ЭДС термоэлемента (термоэдс) определяется по формуле E = a (T1 — T2), где а – коэффициент термоэдс (называемый еще коэффициентом Зеебека, удельной термоэдс или термосилой), зависящий от материала проводников, составляющих термоэлемент. А T1 и T2 соответственно температура горячего и холодного концов термоэлемента. Поскольку a – это значение ЭДС термоэлемента при разнице температур в 1 °С (или 1 кельвин, обозначаемый К, и равный одному градусу Цельсия), то и выражается a в микровольтах на градус или кельвин (мкВ/К).

Сложность в том, что коэффициент термоэдс зависит от материала проводников термоэлемента, и, если мы имеем 10 материалов, из которых составляются термоэлементы в любых сочетаниях, они попарно дадут 90 значений a. Но ситуация облегчается тем, что значения коэффициентов термоэдс аддитивны, их можно складывать – если известны термоэдс двух материалом в паре с опорным материалом, то термоэдс пары материалов будет равна сумме термоэдс каждого из материалов в паре с опорным материалом.

Если взять один из металлов, например платину, за основу (опорный материал), и определять коэффициенты интересующих нас металлов относительно платины. То коэффициенты для всех прочих пар металлов определяются алгебраическим сложением (со знаком) коэффициентов составляющих пару металлов относительно платины (при этом сама платина в составе термоэлемента может отсутствовать).

Значение a несколько зависит от температурного диапазона и даже может менять знак в разных температурных диапазонах, оно также чувствительно к микроскопическим количествам примесей и к ориентации кристаллов в проводнике.

Поскольку разница температур в термобатареях обычно составляет сотни градусов, проще определить термоэдс относительно платины при нагреве одного конца термоэлемента до 100 °С, при поддержании нулевой температуры другого конца.

Termogeneratory tablitsa

Подсчитаем термоэдс для пары с наибольшей термоэдс сурьма-висмут: 4,7-(-6,5) = 11,2 (мВ). Для пары железо-алюминий термоэдс составит всего 1,6 — 0,4 = 1,2 (мВ), почти в 10 раз меньше. Не следует забывать, что эту ЭДС термоэлемент развивает при разности температур в 100 °С с пропорциональным изменением при иной разности температур.

ЭДС термоэлементов из металлических проводников лежит в пределах 5-60 мкВ/К. Наибольшую термоэдс дает контакт двух полупроводников, при нагреве горячих спаев до 300-400 °С можно получить термоэдс до 0,3В на один термоэлемент.

История создания

Первоначально термоэлементы использовались в измерительных приборах и датчиках температуры (термопарах), в последующем из них стали создавать термогенераторы, собирая термобатареи из термоэлементов. В термобатареях термоэлементы для повышения вырабатываемых напряжения и мощности соединяются параллельно-последовательно.

Первую термоэлектрическую батарею создали в 1823 году века датские физики Эрстед и Фурье с термоэлементами из сурьмы и висмута, разница температур создавалась газовой горелкой. Термобатареи создавались и в последующие годы, но практического применения не находили, поскольку имели низкий коэффициент полезного действия (КПД), составлявший при электродах из чистых металлов менее процента. Для поднятия КПД следовало применять в качестве электродов полупроводниковые материалы – окислы, сульфиды и интерметаллические соединения.

Советский академик А.И. Иоффе в начале 1930-х годов предложил превращать световую и тепловую энергию в электричество посредством полупроводников. В годы войны «партизанский котелок» на основе термобатареи из константана и сурьмянистого цинка позволял вырабатывать электроэнергию, мощности которой хватало для питания портативной радиостанции. Горячие спаи термобатареи нагревались пламенем костра, холодные находились в котелке с водой, что поддерживало разницу температур до 300 °С, при этом КПД доходил до 2%.

В 50-е годы в СССР выпускались термогенераторы для питания радиоприемников в неэлектрофицированных местностях. Горячие спаи термобатареи нагревались обычной керосиновой лампой, применявшейся для освещения, холодные спаи охлаждались воздушным радиатором с металлическими ребрами.

Одна секция подобной батареи вырабатывала напряжение 1,2 В для питания цепей накала электронных ламп радиоприемников, другая – напряжение 2 В для питания вибропреобразователя, вырабатывающего анодное напряжение. Общая мощность термобатареи составляла 4,6 Вт, вырабатываемой энергии хватало для питания распространенных в то время бытовых радиоприемников. Подобный генератор работал практически бесплатно, не боялся работы вхолостую и короткого замыкания, срок службы не ограничивался.

Применение термоэлементов и термогенераторов

Термоэлемент, используемый для измерения температуры, принято называть термопарой. Термоэлектрические термометры состоят из термопары в качестве датчика и электроизмерительного прибора (милливольтметра), градуированного в °С. Точность определения температуры термопарами доходит до 0,01 °С. Работают они в диапазонах от нескольких градусов выше абсолютного нуля (-273 °С) до 2500 °С.

Термогенераторы вырабатывают электроэнергию посредством:
  • Сжиганием топлива и пиротехнических составов.
  • Радиоактивным распадом изотопов.
  • Работой атомного реактора.
  • Концентрацией солнечного света солнечным коллектором (зеркалом, линзой, тепловой трубой).
  • Съемом с выхлопных и печных труб.

Термоэлектрогенераторы собираются из термобатарей, набранных из полупроводниковых термоэлементов. Термогенераторы различаются низко-, средне- и высокотемпературные с работой соответственно в диапазоне температур 20-300, 300-600 и 600-1000 °С.

В ТЭГ осуществляется прямое преобразование энергии с исходной тепловой энергией, и их КПД. При выработке электроэнергии подчиняется ограничениям второго закона термодинамики и не может превосходить КПД цикла Карно с работой в том же интервале температур. Из этого следует, что высокотемпературные термогенераторы потенциально обладают более высоким КПД.

К полупроводниковому материалу, пригодному для создания термогенераторов, предъявляются требования по высокому КПД, технологичности, низкой стоимости, высокому коэффициенту термоэдс, нетоксичности, возможности работы в широком температурном диапазоне. Материал термоэлементов – это обычно твердые растворы германий-кремний. КПД лучших ТЭГ составляет 15%, при мощности до нескольких сотен кВт. Иногда КПД самых совершенных термоэлектрогенераторов доходит до десятков процентов.

Termogeneratory v bytu

Термоэлектрогенераторы широко применяются в качестве бортовых источников питания на космических аппаратах, предназначенных для исследования дальнего космоса, где солнечные батареи неэффективны. Такие генераторы обычно используют тепло, выделяющееся при радиоактивном распаде плутония.

Используются термоэлектрогенераторы на автомобилях для полезного использования тепла выхлопной системы, на автоматических маяках, навигационных буях, метеостанциях, активных ретрансляторах.

Преимущества и недостатки термогенераторов
Преимущества ТЭГ:
  • Отсутствие движущихся частей.
  • Высокая надежность.
  • Большой (до 25 лет) срок службы.
  • Работа в широком диапазоне температур.
  • Автономность.
Недостатки ТЭГ:
  • Низкий КПД.
  • Сравнительно высокая стоимость.

Недостатки термоэлектрогенераторов преодолеваются по мере совершенствования технологий. Применения материалов с более совершенными характеристиками и их удешевления.

Термогенератор. История и теория

Для того, чтобы получить электричество непосредственно от газовой горелки или другого источника тепла, применяется термогенератор. Так же, как и у термопары, его принцип действия основан на эффекте Зеебека, открытом в 1821 году. Упомянутый эффект состоит в том, что в замкнутой цепи из двух разнородных проводников появляется ЭДС, если места спаев проводников находятся при разных температурах. Например, один спай находится в сосуде с кипящей водой, а другой в чашке с тающим льдом.

Эффект возникает от того, что энергия свободных электронов зависит от температуры. При этом электроны начинают перемещаться от проводника, где они имеют более высокую энергию в проводник, где энергия зарядов меньше. Если один из спаев нагрет больше другого, то разность энергий зарядов на нем, больше, чем на холодном. Поэтому, если цепь замкнута, в ней возникает ток, именно та самая термоэдс.

Приблизительно величину термоэдс можно определить по простой формуле:

E = α * (T1 – T2). Здесь α — коэффициент термоэдс, который зависит только от металлов, из которых составлена термопара или термоэлемент. Его значение обычно выражается в микровольтах на градус. Разность температур спаев в этой формуле (T1 – T2): T1 – температура горячего спая, а T2, соответственно, холодного.

Приведенную формулу достаточно наглядно иллюстрирует рис. 1.

Термогенератор

Рис. 1. Принцип работы термопары

Рисунок этот классический, его можно найти в любом учебнике физики. На рисунке показано кольцо, составленное из двух проводников А и Б. Места соединения проводников называются спаями. Как показано на рисунке, в горячем спае T1 термоэдс имеет направление из металла Б в металл А. А в холодном спае Т2 из металла А в металл Б. Указанное на рисунке направление термоэдс справедливо для случая, когда термоэдс металла А положительна по отношению к металлу Б.

Читайте также  Бензиновые двс для генераторов

Как определить термоэдс металла

Термоэдс металла определяется по отношению к платине. Для этого термопара, одним из электродов которой является платина (Pt), а другим испытуемый металл, нагревается до 100 градусов Цельсия. Полученное значение в милливольтах для некоторых металлов, показано ниже. Причем следует обратить внимание на то, что изменяется не только величина термоэдс, но и ее знак по отношению к платине.

Платина в этом случае играет такую же роль, как 0 градусов на температурной шкале, а вся шкала величин термоэдс выглядит следующим образом:

  • Сурьма +4,7
  • Железо +1,6
  • Кадмий +0,9
  • Цинк +0,75
  • Медь +0,74
  • Золото +0,73
  • Серебро +0,71
  • Олово +0,41
  • Алюминий +0,38
  • Ртуть 0
  • Платина 0

После платины идут металлы с отрицательным значением термоэдс:

  • Кобальт -1,54
  • Никель -1,64
  • Константан (сплав меди и никеля) -3,4
  • Висмут -6,5

Пользуясь этой шкалой очень просто определить значение термоэдс развиваемое термопарой, составленной из различных металлов. Для этого достаточно подсчитать алгебраическую разность значений металлов, из которых изготовлены термоэлектроды. Например, для пары сурьма – висмут это значение будет +4,7 – ( — 6,5) = 11,2 мВ. Если в качестве электродов использовать пару железо – алюминий, то это значение составит всего +1.6 – (+0,38) = 1,22 мВ, что меньше почти в десять раз, чем у первой пары.

Если холодный спай поддерживать в условиях постоянной температуры, например 0 градусов, то термоэдс горячего спая будет пропорциональна изменению температуры, что и используется в термопарах.

Как создавались термогенераторы

Уже в середине 19 века делались многочисленные попытки для создания термогенераторов – устройств для получения электрической энергии, то есть для питания различных потребителей. В качестве таких источников предполагалось использовать батареи из последовательно соединенных термоэлементов. Конструкция такой батареи показана на рис. 2.

Термогенератор

Рис. 2. Термобатарея, схематическое устройство

Первую термоэлектрическую батарею создали в середине 19 века физики Эрстед и Фурье. В качестве термоэлектродов использовались висмут и сурьма, как раз та самая пара из чистых металлов, у которой максимальная термоэдс. Горячие спаи нагревались газовыми горелками, а холодные помещались в сосуд со льдом. В процессе опытов с термоэлектричеством позднее были изобретены термобатареи, пригодные для использования в некоторых технологических процессах и даже для освещения. В качестве примера можно привести батарею Кламона, разработанную в 1874 году, мощности которой вполне хватало для практических целей: например для гальванического золочения, а также применения в типографии и мастерских гелиогравюры. Примерно в то же время исследованием термобатарей занимался и ученый Ноэ, его термобатареи в свое время также были распространены достаточно широко.

Но все эти опыты, хотя и удачные, были обречены на провал, поскольку термобатареи, созданные на основе термоэлементов из чистых металлов, имели весьма низкий КПД, что сдерживало их практическое применение. Чисто металлические пары имеют КПД лишь несколько десятых долей процента. Намного большим КПД обладают полупроводниковые материалы: некоторые окислы, сульфиды и интерметаллические соединения.

Полупроводниковые термоэлементы

Подлинную революцию в создании термоэлементов произвели труды академика А.И. Иоффе. В начале 30 – х годов XX столетия он выдвинул идею, что с помощью полупроводников возможно превращение тепловой энергии, в том числе и солнечной, в электрическую. Благодаря проведенным исследованиям уже в 1940 году был создан полупроводниковый фотоэлемент для преобразования световой солнечной энергии в электрическую. Первым практическим применением полупроводниковых термоэлементов следует считать, по-видимому, «партизанский котелок», позволявший обеспечить питанием некоторые портативные партизанские радиостанции.

Основой термогенератора служили элементы из константана и SbZn. Температура холодных спаев стабилизировалась кипящей водой, в то время как горячие спаи нагревались пламенем костра, при этом обеспечивалась разница температур не менее 250…300 градусов. КПД такого устройства был не более 1,5…2,0 %, но мощности для питания радиостанций вполне хватало. Конечно, в те военные времена конструкция «котелка» была государственным секретом, и даже сейчас на многих форумах в интернете обсуждается его устройство.

Бытовой термогенератор

Уже в послевоенные пятидесятые годы советская промышленность начала выпускать термогенератор ТГК – 3. Основное его назначение состояло в питании батарейных радиоприемников в не электрифицированной сельской местности. Мощность генератора составляла 3 Вт, что позволяло питать батарейные приемники, такие как «Тула», «Искра», «Таллин Б-2», «Родина – 47», «Родина – 52» и некоторые другие.

Внешний вид термогенератора ТГК-3 показан на рис. 3.

Термогенератор

Рис. 3. Термогенератор ТГК-3

Конструкция термогенератора

Как уже было сказано, термогенератор предназначался для использования в сельской местности, где для освещения использовались керосиновые лампы «молния». Такая лампа, оснащенная термогенератором, становилась не только источником света, но и электричества. При этом дополнительных затрат топлива не требовалось, ведь в электричество превращалась именно та часть керосина, которая просто улетала в трубу. К тому же, такой генератор был всегда готов к работе, конструкция его была такова, что ломаться в нем просто нечему. Генератор мог просто лежать без дела, работать без нагрузки, не боялся коротких замыканий. Срок службы генератора, по сравнению с гальваническими батареями, казался просто вечным.

Роль вытяжной трубы у керосиновой лампы «молния» играет удлиненная цилиндрическая часть стекла. При использовании лампы совместно с термогенератором стекло делалось укороченным, и в него вставлялся металлический теплопередатчик 1, как показано на рис. 4.

Термогенератор

Рис. 4. Керосиновая лампа с термоэлектрическим генератором

Внешняя часть теплопередатчика имеет форму многогранной призмы, на которой установлены термобатареи. Чтобы увеличить эффективность теплоотдачи теплопередатчик внутри имел несколько продольных каналов. Проходя по этим каналам горячие газы уходили в вытяжную трубу 3, попутно нагревая термобатарею, точнее, ее горячие спаи. Для охлаждения холодных спаев использовался радиатор воздушного охлаждения. Он представляет собой металлические ребра, прикрепленные к внешним поверхностям блоков термобатарей.

Термогенератор – ТГК3 состоял из двух независимых секций. Одна из них вырабатывала напряжение 2В при токе нагрузки до 2А. Эта секция использовалась для получения анодного напряжения ламп с помощью вибропреобразователя. Другая секция при напряжении 1,2В и токе нагрузки 0,5А использовалась для питания нитей накала ламп.

Нетрудно подсчитать, что термогенератор имел мощность не превышающую 5 Ватт, но для приемника ее вполне хватало, что позволяло скрашивать долгие зимние вечера. Сейчас, конечно, это кажется просто смешным, но в те далекие времена такое устройство было, несомненно, чудом техники.

Видео

Термогенераторы: как «сварить» электричество на газовой плите

Термогенераторы: как «сварить» электричество на газовой плитеНа одном из электрических форумов был задан такой вопрос: «Каким образом можно получить электроэнергию, использую обычный бытовой газ?» Мотивировалось это тем, что газ у этого товарища, да собственно, как и у многих, оплачивается просто по нормативам без счетчика.

Сколько ни пользуйся, платить все равно фиксированную сумму, и почему же не превратить уже оплаченный, но не использованный газ в халявную электроэнергию? Так на форуме появилась новая тема, которая была подхвачена остальными участниками: задушевная беседа помогает не только сократить рабочий день, но еще и убить свободное время.

Было предложено множество вариантов. Просто купить бензиновый генератор, а заправлять его бензином, полученным перегонкой бытового газа, либо переделать генератор для работы сразу на газу, как автомобиль.

Вместо двигателя внутреннего сгорания предлагался двигатель Стирлинга, известный также как двигатель внешнего сгорания. Вот только топикстартер (тот, который создал новую тему) претендовал на мощность генератора не менее 1 киловатта, но его урезонили, мол, такой стирлинг не поместится даже в кухне небольшой столовой. Кроме того немаловажно, чтобы генератор был бесшумным, иначе, ну, сами знаете что.

После множества предложений кто-то вспомнил, как видел в какой-то книжке рисунок, где показана керосиновая лампа с приспособлением в виде многолучевой звезды для питания транзисторного приемника. Но об этом будет сказано чуть дальше, а пока…

Термогенераторы. История и теория

Для того, чтобы получить электричество непосредственно от газовой горелки или другого источника тепла, применяются термогенераторы. Так же, как и у термопары, их принцип действия основан на эффекте Зеебека, открытом в 1821 году.

Упомянутый эффект состоит в том, что в замкнутой цепи из двух разнородных проводников появляется э.д.с., если места спаев проводников находятся при разных температурах. Например, горячий спай находится в сосуде с кипящей водой, а другой в чашке с тающим льдом.

Эффект возникает от того, что энергия свободных электронов зависит от температуры. При этом электроны начинают перемещаться от проводника, где они имеют более высокую энергию в проводник, где энергия зарядов меньше. Если один из спаев нагрет больше другого, то разность энергий зарядов на нем, больше, чем на холодном. Поэтому, если цепь замкнута, в ней возникает ток, именно та самая термоэдс.

Приблизительно величину термоэдс можно определить по простой формуле:

E = α * (T1 – T2). Здесь α — коэффициент термоэдс, который зависит только от металлов, из которых составлена термопара или термоэлемент. Его значение обычно выражается в микровольтах на градус.

Разность температур спаев в этой формуле (T1 – T2): T1 – температура горячего спая, а T2, соответственно, холодного. Приведенную формулу достаточно наглядно иллюстрирует рисунок 1.

Принцип работы термопары

Рисунок 1. Принцип работы термопары

Рисунок этот классический, его можно найти в любом учебнике физики. На рисунке показано кольцо, составленное из двух проводников А и Б. Места соединения проводников называются спаями. Как показано на рисунке, в горячем спае T1 термоэдс имеет направление из металла Б в металл А. А в холодном спае Т2 из металла А в металл Б. Указанное на рисунке направление термоэдс справедливо для случая, когда термоэдс металла А положительна по отношению к металлу Б.

Как определить термоэдс металла

Термоэдс металла определяется по отношению к платине. Для этого термопара, одним из электродов которой является платина (Pt), а другим испытуемый металл, нагревается до 100 градусов Цельсия. Полученное значение в милливольтах для некоторых металлов, показано ниже. Причем следует обратить внимание на то, что изменяется не только величина термоэдс, но и ее знак по отношению к платине.

Платина в этом случае играет такую же роль, как 0 градусов на температурной шкале, а вся шкала величин термоэдс выглядит следующим образом:

Сурьма +4,7, железо +1,6, кадмий +0,9, цинк +0,75, медь +0,74, золото +0,73, серебро +0,71, олово +0,41, алюминий +0,38, ртуть 0, платина 0.

После платины идут металлы с отрицательным значением термоэдс:

Кобальт -1,54, никель -1,64, константан (сплав меди и никеля) -3,4, висмут -6,5.

Пользуясь этой шкалой очень просто определить значение термоэдс развиваемое термопарой, составленной из различных металлов. Для этого достаточно подсчитать алгебраическую разность значений металлов, из которых изготовлены термоэлектроды.

Например, для пары сурьма – висмут это значение будет +4,7 – ( — 6,5) = 11,2 мВ. Если в качестве электродов использовать пару железо – алюминий, то это значение составит всего +1.6 – (+0,38) = 1,22 мВ, что меньше почти в десять раз, чем у первой пары.

Если холодный спай поддерживать в условиях постоянной температуры, например 0 градусов, то термоэдс горячего спая будет пропорциональна изменению температуры, что и используется в термопарах.

Как создавались термогенераторы

Уже в середине 19 века делались многочисленные попытки для создания термогенераторов – устройств для получения электрической энергии, то есть для питания различных потребителей. В качестве таких источников предполагалось использовать батареи из последовательно соединенных термоэлементов. Конструкция такой батареи показана на рисунке 2.

Термобатарея, схематическое устройство

Рисунок 2. Термобатарея, схематическое устройство

Первую термоэлектрическую батарею создали в середине 19 века физики Эрстед и Фурье. В качестве термоэлектродов использовались висмут и сурьма, как раз та самая пара из чистых металлов, у которой максимальная термоэдс. Горячие спаи нагревались газовыми горелками, а холодные помещались в сосуд со льдом.

В процессе опытов с термоэлектричеством позднее были изобретены термобатареи, пригодные для использования в некоторых технологических процессах и даже для освещения. В качестве примера можно привести батарею Кламона, разработанную в 1874 году, мощности которой вполне хватало для практических целей: например для гальванического золочения, а также применения в типографии и мастерских гелиогравюры. Примерно в то же время исследованием термобатарей занимался и ученый Ноэ, его термобатареи в свое время также были распространены достаточно широко.

Но все эти опыты, хотя и удачные, были обречены на провал, поскольку термобатареи, созданные на основе термоэлементов из чистых металлов, имели весьма низкий КПД, что сдерживало их практическое применение. Чисто металлические пары имеют КПД лишь несколько десятых долей процента. Намного большим КПД обладают полупроводниковые материалы: некоторые окислы, сульфиды и интерметаллические соединения.

Полупроводниковые термоэлементы

Подлинную революцию в создании термоэлементов произвели труды академика А.И. Иоффе. В начале 30 – х годов XX столетия он выдвинул идею, что с помощью полупроводников возможно превращение тепловой энергии, в том числе и солнечной, в электрическую. Благодаря проведенным исследованиям уже в 1940 году был создан полупроводниковый фотоэлемент для преобразования световой солнечной энергии в электрическую.

Первым практическим применением полупроводниковых термоэлементов следует считать, по-видимому, «партизанский котелок», позволявший обеспечить питанием некоторые портативные партизанские радиостанции.

Основой термогенератора служили элементы из константана и SbZn. Температура холодных спаев стабилизировалась кипящей водой, в то время как горячие спаи нагревались пламенем костра, при этом обеспечивалась разница температур не менее 250…300 градусов. КПД такого устройства был не более 1,5…2,0 %, но мощности для питания радиостанций вполне хватало. Конечно, в те военные времена конструкция «котелка» была государственным секретом, и даже сейчас на многих форумах в интернете обсуждается его устройство.

Бытовые термогенераторы

Уже в послевоенные пятидесятые годы советская промышленность начала выпуск термогенераторов ТГК – 3. Основное его назначение состояло в питании батарейных радиоприемников в неэлектрифицированной сельской местности. Мощность генератора составляла 3 Вт, что позволяло питать батарейные приемники, такие как «Тула», «Искра», «Таллин Б-2», «Родина – 47», «Родина – 52» и некоторые другие.

Внешний вид термогенератора ТГК-3 показан на рисунке 3.

Термогенератор ТГК-3

Рисунок 3. Термогенератор ТГК-3

Конструкция термогенератора

Как уже было сказано, термогенератор предназначался для использования в сельской местности, где для освещения использовались керосиновые лампы «молния». Такая лампа, оснащенная термогенератором, становилась не только источником света, но и электричества.

При этом дополнительных затрат топлива не требовалось, ведь в электричество превращалась именно та часть керосина, которая просто улетала в трубу. К тому же, такой генератор был всегда готов к работе, конструкция его была такова, что ломаться в нем просто нечему. Генератор мог просто лежать без дела, работать без нагрузки, не боялся коротких замыканий. Срок службы генератора, по сравнению с гальваническими батареями, казался просто вечным.

Роль вытяжной трубы у керосиновой лампы «молния» играет удлиненная цилиндрическая часть стекла. При использовании лампы совместно с термогенератором стекло делалось укороченным, и в него вставлялся металлический теплопередатчик 1, как показано на рисунке 4.

Керосиновая лампа с термоэлектрическим генератором

Рисунок 4. Керосиновая лампа с термоэлектрическим генератором

Внешняя часть теплопередатчика имеет форму многогранной призмы, на которой установлены термобатареи. Чтобы увеличить эффективность теплоотдачи теплопередатчик внутри имел несколько продольных каналов. Проходя по этим каналам горячие газы уходили в вытяжную трубу 3, попутно нагревая термобатарею, точнее, ее горячие спаи.

Для охлаждения холодных спаев использовался радиатор воздушного охлаждения. Он представляет собой металлические ребра, прикрепленные к внешним поверхностям блоков термобатарей.

Термогенератор – ТГК3 состоял из двух независимых секций. Одна из них вырабатывала напряжение 2В при токе нагрузки до 2А. Эта секция использовалась для получения анодного напряжения ламп с помощью вибропреобразователя. Другая секция при напряжении 1,2В и токе нагрузки 0,5А использовалась для питания нитей накала ламп.

Нетрудно подсчитать, что мощность данного термогенератора не превышала 5 Ватт, но для приемника ее вполне хватало, что позволяло скрашивать долгие зимние вечера. Сейчас, конечно, это кажется просто смешным, но в те далекие времена такое устройство было, несомненно, чудом техники.

В 1834 году француз Жан Шарль Атаназ Пельтье открыл эффект, противоположный эффекту Зеебика. Смысл открытия в том, что при прохождении тока через спай из разнородных материалов (металлов, сплавов, полупроводников) выделяется или поглощается тепло, что зависит от направления тока и типов материалов. Об этом подробно рассказано здесь: Эффект Пельтье: магическое действие электрического тока

Главный вопрос: чем лучше топить? Виды теплогенераторов для воздушного отопления

Фото 1

Большинство подобных аппаратов применяются с целью отопления помещений, а также для получения горячей воды в зданиях разного назначения.

Преимущества теплогенераторов для воздушного отопления

Высокая стоимость электроэнергии отрицательно сказывается на популярности отопительного оборудования, в том числе теплогенераторов. Однако эти аппараты обладают рядом положительных моментов, ради которых их стоит приобретать. Чаще всего нагревательные генераторы используются в домах с небольшой площадью. Их можно использовать не только как отопительный механизм, но и в качестве нагревателя горячей воды.

Фото 2

Теплогенераторы пользуются популярностью у потребителей. Способствуют этому следующие факторы:

  • Распространение теплового потока на большие расстояния.
  • Разнообразие моделей с различными диапазонами мощностей.
  • Возможность изменения скорости вентилятора отопителя.
  • Высокий коэффициент полезности оборудования.
  • Долгий срок автономности устройств.
  • Низкий уровень шума при работе.

Устройство аппарата

По своим функциям эти устройства практически не отличаются от тепловых пушек, за исключением стационарности. Простейший теплогенератор состоит из вентилятора, камеры сгорания и воздушного теплообменника. Генераторы способны работать на различном топливе. Наиболее распространены аппараты на газе и на дизеле. Если же в конструкции используется горелка, то в качестве топлива применяется масло.

Принцип работы

Фото 3

После поступления топлива в камеру сгорания генератора, полученные горячие газы попадают в теплообменник. Затем эти газы направляются в дымоход.

Обогрев происходит за счёт обдува теплообменника воздухом, полученным с помощью вентилятора. Тёплый воздух распространяется по помещению через систему вентиляции устройства.

Новые модели теплогенераторов оснащаются специальными механизмами для отвода образующегося конденсата. Эта доработка полезна в тех случаях, когда аппарат подвергается частым перепадам температуры.

Разновидности

Основное различие между моделями теплогенераторов заключается в виде топлива, используемого для нагрева. А также существуют различия в нагревательном элементе. Такими элементами служит воздух либо вода.

Дизельный

Устройства этого типа работают на солярке либо керосине. Дизельные теплогенераторы подходят для обогрева крупных помещений промышленного типа. Подача топлива осуществляется двумя способами: капельным либо с помощью форсунки, разбрызгивающей топливо по зоне сгорания.

Помимо дизтоплива, в генераторах, оборудованных специальной горелкой, используются масла и жиры растительного происхождения. Однако этот вид топлива постоянно вырабатывает шлаки, которые со временем приходится прочищать, что приводит к простою устройства.

Фото 4

Фото 1. Схема устройства дизельного теплогенератора. Указаны основные части, движение холодного и теплого воздуха.

Газовый

Этот тип рассчитан на постоянную подачу горячего воздуха в помещения. Газовые генераторы устанавливаются вертикально. Теплообменник получает максимальную часть тепла из продуктов горения, тем самым понижая летучесть дыма. Именно поэтому теплогенераторы этого типа предусматривают обязательную установку вентилятора, который улучшает вытяжку. Коэффициент полезного действия газовых агрегатов достигает 90%.

Важно! При покупке газовых моделей теплогенераторов, стоит учитывать его способность работы при низком давлении газа.

Одним котлом не обойтись! Выбор жидкости для отопления частного дома

Круглый год тепло как на курорте вместе с антифризом для системы отопления загородного дома!

Всегда сухие поленья: дровница для дачи своими руками

Универсальный

Такой тип генераторов схож с дизельными аппаратами. Однако в случае с универсальными устройствами в качестве топлива можно использовать растительные жиры. Мощность дизельного генератора намного выше, в сравнении с оборудованием, работающем на маслах и растительных жирах.

Вихревой

Фото 5

Отличается сложностью конструкции. Принцип работы основан на вихревом эффекте, при котором газ или жидкость разделяется на две части и образует вихрь.

При таком процессе наблюдается активное повышение температуры в камере сгорания.

Как работает на угле, дровах, коксе

Этот тип отопительного агрегата использует в качестве топлива различные виды твёрдого топлива: уголь, дрова, кокс. Многие потребители используют специальные отходы, полученные после переработки растений. Важнейшим фактором для хорошего нагрева аппарата является теплоотдача твёрдого топлива, поэтому большинство покупателей используют топливо с самым высоким КПД.

Большинство твердотопливных генераторов способны выдавать КПД на уровне 90%. Аппараты выделяют тепло на протяжении 5—8 часов, при этом достаточно одной закладки твёрдого топлива.

Фото 6

Наиболее распространены котлы, созданные из чугуна или стали. Большей популярностью пользуются чугунные генераторы тепла, так как данный металл способен длительное время выделять тепло.

Однако этот материал довольно хрупкий, так как чугун подвержен перегреву, и как следствие, на котлах образуются трещины.

Стальные котлы менее подвержены перепадам температур, но имеют ряд других недостатков.

При работе с данными теплогенераторами стоит постоянно загружать топливо в камеру сгорания. Твердотопливное оборудование требует особого и постоянного внимания со стороны человека, но, в то же время, их удобство заключается в доступности твёрдого топлива.

Особенности теплогенераторов на жидком топливе и газе

Этот вид теплового агрегата способен работать на природном газе либо на дизеле. В новейших моделях есть функция быстрой смены вида топлива. Для этого предусмотрена специальная горелка и дополнительный шкаф управления.

Этот тип генераторов работает по следующему принципу: в камеру сгорания попадает топливо, где смешивается с воздухом, поступающим по вентиляции, после этого нагретый воздух проходит через теплообменник и распространяется по всему помещению.

Фото 7

Особенность теплогенераторов на жидком топливе заключается в простоте эксплуатации. Для начала обогрева достаточно залить топливо, и запустить прибор. А также отмечается невысокая цена.

Такие отопители мобильны, поэтому их использование не доставит лишних проблем.

Полезное видео

В видео демонстрируется система воздушного отопления теплицы при помощи теплогенератора GRV на дровах.

Рекомендации по выбору

Прежде чем приобрести теплогенератор, стоит определиться с параметрами, за которые он будет отвечать. Заранее выбирается тип топлива, на котором будет работать теплогенератор. Газ — наиболее дешёвое.

Фото 8

Если важна надёжность прибора, то стоит обратить внимание на дизельные генераторы. Они также эффективны, но имеют недостаток в виде шумной работы устройства.

Электрогенераторы не требуют специальных разрешений, но не пользуются популярностью у потребителей по причине высокой стоимости электроэнергии

Показатель мощности — главный фактор при выборе устройств обогревательного типа. Если необходима установка для частного использования, то не стоит приобретать модели, вырабатывающие излишнюю энергию.

Термоэлектрический генератор своими руками (140 фото): поэтапная инструкция создания теплового насоса, схемы, проекты, применение

В наши дни основная часть электроэнергии вырабатывается на тепловых электростанциях или ТЭС. Однако эти предприятия пользуются различными видами ископаемого топлива, которые требуется сжечь, чтобы получить электроэнергию, а продукты сгорания наносят вред окружающей среде.

Кроме этого, проблема заключается в том, что резервы угля и газа отнюдь не безграничны и в конце концов они закончатся. Все-таки на настоящие момент ТЭС вырабатывают топливо с наименьшими издержками по сравнению с иными способами.

Однако альтернативные методы выработки электричества все же развиваются, в их числе и термоэлектрические генераторы, сокращенно ТЭГ.

Даже по некоторым фото термоэлектрического генератора несложно понять, что это устройство может иметь небольшие размеры, если вести речь о моделях для дома. Подобный ТЭГ обычный человек может смастерить собственноручно.

Содержимое обзора

Что представляет собой ТЭГ

Под термоэлектрическим генератором подразумевают установку, внутри которой тепловая энергия преобразуется в электрическую. Сразу необходимо оговорить, что тепловые электростанции, несмотря на название, данному критерию не отвечают.

В них это преображение двухступенчатое:

  • Сначала тепловая энергия при сжигании топлива превращается в кинетическую, а именно вода становится паром;
  • Далее этот пар передает свою кинетическую энергию турбине, он давит на лопасти турбины, и так и получается электричество.
  • ТЭГ функционирует иным образом.

Принцип работы ТЭГ

Принцип работы термоэлектрических генераторов основан на достижениях двух выдающихся ученых 19 века — немца Зеебека и француза Пельтье.

  • Сначала Зеебек открыл, что в замкнутом контуре, включающем две проводника из разных материалов, при условии, что их температура будет различны, на месте соприкосновения этих проводников возникает электродвижущая сила. Это явление получило название эффекта Зеебека.
  • Впоследствии Пельтье обнаружил противоположное явление. Если через контур, состоящий из тех же двух проводников (теперь с одинаковой температурой), пропустить ток, то в местах их соприкосновения возникнет разница между температурой одного и другого вещества. Это явление стало обозначаться как эффект Пельтье.

Именно благодаря эффектам Зеебека и Пельтье существуют возможность непосредственно трансформировать тепловую энергию в электрическую.

Роль полупроводников

В то же время, пока в контуре использовались два проводника, практическое использование данных эффектов было невозможно из-за крайне низкого КПД.

  • Некоторый смысл превращение тепловой энергии в электрическую получило после обнаружения полупроводников.
  • Если замкнутый контур составить именно из двух разных полупроводников, то отдача операции существенно повысится.
  • В середине прошлого века этот показатель составлял 5% (что было ощутимо выше той же цифры для стандартных проводников).
  • Сейчас благодаря научному прогрессу он дошел до 12%.

В наши дни самая частая комбинация двух полупроводников — германий с кремнием в составе твердой смеси с одной стороны и теллурид висмута с другой.

Изготовление ТЭГ своими руками

Чтобы создать термоэлектрический генератор для дома, требуется использовать элемент Пельтье — специальный компонент, изготавливаемый для данных целей и доступный в продаже.

Принципиальное устройство ТЭГ таково:

  1. Необходимо взять две посудины схожей формы (к примеру, две кружки), но одна по размерам должна быть несколько меньше другой, чтобы она могла в ней поместиться.
  2. На дно большей кружки помещают элемент Пельтье с выведенными от него проводами, а сверху его накрывают второй кружкой.
  3. Провода, идущие от элемента Пельтье, соединяют с преобразователем напряжения.
  4. Далее во внутреннюю кружку наливают холодную воду либо кладут снег, после этого данную мини-установку начинают нагревать.

Желательно использовать элемент Пельтье с как можно большим количество термоэлементов. К примеру, модель, которая обладает 127 термоэлементами, рассчитана на силу тока до 12 ампер.

Нюансы работы

Так как сделать генератор своими руками — не самая простая задача, ведь необходимо, чтобы устройство эффективно функционировало, требуется соблюдать целый ряд рекомендаций:

  • Как внешнюю, так и внутреннюю кружку в тех местах, где к ним непосредственно будет примыкать элемент Пелетье, требуется почистить и сделать поверхность как можно более ровной, таким образом удастся довести теплообмен до максимального показателя. В частности эти зоны можно полировать войлоком, на который нанесена паста ГОИ, установив сам войлок в шпиндель электродрели;
  • Провода, которые присоединяются к элементу Пельтье, можно взять от электроплиты, так как такие провода обладают термостойкой изоляцией. Если же в такие провода в хозяйстве отсутствуют, то допускается использовать завернутый в термостойкую ткань провод МГТФЭ-0,35
  • Миску, в которую будет помещен провод Пельтье, следует смазать термопроводящей пастой.
  • Далее сам элемент Пельтье нужно смазать этой же пастой сверху и уже после этого поставить сверху на него вторую миску меньшего диаметра (либо иную подходящую посудину);
  • В зону между двумя кружками помещают термоустойчивый герметик. Этот материал будет выполнять функцию термоизоляции горячей и холодной частей ТЭГ.
  • Концы проводов, которые идут от элемента Пельтье наружу, желательно зафиксировать к поверхности кружки. Для этого можно использовать изоленту.

Использование преобразователя

Следует отметить, что электрогенератор описанного типа имеет сравнительно высокую мощность, лишь пока вода, помещенная во внутреннюю кружку, не закипела.

А после ее закипания его показатель мощности и, соответственно, напряжения, падает. Чтобы этот показатель был неизменным, следует установить стабилизатор.

В качества такового может выступать микросхема КР1446ПН1, которая имеет DIP-корпус. Эту микросхему подключают к элементу Пельтье, а для нее самой требуется указать режим пять вольт, тогда напряжение будет стабильно оставаться именно таким.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: