Sibprompost.ru

Стройка и ремонт
6 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Преобразование электрической энергии в тепловую

Преобразование электрической энергии в тепловую

При прохождении электрического тока происходит неизбежное столкновение движущих заряженных частиц с ионами и молекулами вещества. При этом часть кинетической энергии передаётся последним, вследствие чего происходит нагрев проводника. Простыми словами, происходит преобразование электрической энергии в тепловую.

Закон Джоуля — Ленца

Мощность характеризует скорость преобразования электрической энергии в тепловую: P = U*I, учитывая, что U = r*I, получим формулу:

Формула количества электрической энергии W, преобразованной в тепловую за единицу времени t:

W — Pt = rI 2 t

В системе СИ единицей количества тепла, так же, как и единицей энергии, является джоуль. Следовательно, выделенное током I в сопротивлении r тепло определяется формулой.

Q = rI 2 t

Данная зависимость называется законом Джоуля-Ленца: количество тепла, выделяемое постоянным током в проводнике, пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.

Количество тепловой энергии часто измеряют внесистемной единицей — калорией, 1 кал = 4,187 Дж или 1 Дж = 0,24 кал. Следовательно, количество тепла, выраженное в калориях, выражается по формуле:

Преобразование электрической энергии в тепловую применяется в нагревательных приборах.

Допустимая нагрузка проводов.

Приращение температуры провода при нагреве зависит от: массы, материала провода и количества выделившегося в нём тепла.

Скорость отдачи тепла пропорциональна разности температур провода и окружающей среды. С начала нагрева током, всё тепло идёт на провод, так как температура среды равна температуре провода, следовательно тепло в окружающую среду почти не отдаётся.

Температура провода быстро растёт, увеличивая тем самым разность температур между проводом и средой. Следовательно, увеличивается отдача тепла проводом в окружающую среду, и рост температуры провода замедляется. Наконец при некоторой температуре устанавливается тепловое равновесие. Температура провода достигает установившегося значения.

Время нагревания проводаэто временной промежуток, на протяжении которого провод нагреется до определенной температуры, отличающейся от установившейся температуры не более чем на 1%.

В среднем, нагрев провода может допускаться до температуры в пределах 65-80 °С. У изолированных проводов допустимый нагрев обуславливается характеристиками изоляции. Ток, при котором провод достигает предельно допустимой температуры tдоп, называется наибольшим допустимым или номинальным током провода I = Iн.

В том случае, если ток превышает границы номинального значения, то подобная перегрузка может быть допустима только на короткий промежуток времени. Чем больше ток в проводе по сравнению с номинальным, тем кратковременной может быть перегрузка.

Защита от перегрузки.

Короткое замыканиеэто соединение проводов, участков электрической цепи или выводов с разными потенциалами. Ток короткого замыкания может достигнуть значений гораздо больших, чем допустимый ток, что приводит к тепловому или механическому разрушению определенных участков установки.

Рис. 1 — Предохранители

Плавкие предохранители, реле или автоматы способны предотвратить перегрузку в электрической цепи. В качестве основы плавкого предохранителя выступает специальная вставка из проволоки, выполненной из легкоплавкого материала, которая при токе перегрузки перегорает, разрывая тем самым электрическую цепь. Сечение проволоки выбирается с таким расчетом, чтобы она выдерживала номинальный ток установки и плавилась при появлении токов перегрузки.

Рис.2 Перегоревший предохранитель

В современных силовых цепях плавкие предохранители часто заменены автоматическими устройствами (автоматами), пригодные к многоразовому использованию.

Как осуществляется производство (генерация) электрической энергии?

Производство (Генерация) электроэнергии — это процесс преобразования различных видов энергии в электрическую на индустриальных объектах, называемых электрическими станциями. В настоящее время существуют следующие виды генерации:

Тепловая электроэнергетика . В данном случае в электрическую энергию преобразуется тепловая энергия сгорания органических топлив. К тепловой электроэнергетике относятся тепловые электростанции (ТЭС), которые бывают двух основных видов:

Читайте так же:
Высота розеток теплого пола

Конденсационные ( КЭС , также используется старая аббревиатура ГРЭС). Конденсационной называют не комбинированную выработку электрической энергии;

Теплофикационные (теплоэлектроцентрали, ТЭЦ ). Теплофикацией называется комбинированная выработка электрической и тепловой энергии на одной и той же станции;

КЭС и ТЭЦ имеют схожие технологические процессы. В обоих случаях имеется котёл , в котором сжигается топливо и за счёт выделяемого тепла нагревается пар под давлением. Далее нагретый пар подаётся в паровую турбину , где его тепловая энергия преобразуется в энергию вращения. Вал турбины вращает ротор электрогенератора — таким образом энергия вращения преобразуется в электрическую энергию, которая подаётся в сеть. Принципиальным отличием ТЭЦ от КЭС является то, что часть нагретого в котле пара уходит на нужды теплоснабжения;

Ядерная энергетика . К ней относятся атомные электростанции (АЭС). На практике ядерную энергетику часто считают подвидом тепловой электроэнергетики, так как, в целом, принцип выработки электроэнергии на АЭС тот же, что и на ТЭС. Только в данном случае тепловая энергия выделяется не при сжигании топлива, а при делении атомных ядер в ядерном реакторе . Дальше схема производства электроэнергии ничем принципиально не отличается от ТЭС: пар нагревается в реакторе, поступает в паровую турбину и т. д. Из-за некоторых конструктивных особенностей АЭС нерентабельно использовать в комбинированной выработке, хотя отдельные эксперименты в этом направлении проводились;

Гидроэнергетика . К ней относятся гидроэлектростанции (ГЭС). В гидроэнергетике в электрическую энергию преобразуется кинетическая энергия течения воды. Для этого при помощи плотин на реках искусственно создаётся перепад уровней водяной поверхности (т. н. верхний и нижний бьеф). Вода под действием силы тяжести переливается из верхнего бьефа в нижний по специальным протокам, в которых расположены водяные турбины, лопасти которых раскручиваются водяным потоком. Турбина же вращает ротор электрогенератора. Особой разновидностью ГЭС являются гидроаккумулирующие станции (ГАЭС). Их нельзя считать генерирующими мощностями в чистом виде, так как они потребляют практически столько же электроэнергии, сколько вырабатывают, однако такие станции очень эффективно справляются с разгрузкой сети в пиковые часы;

Альтернативная энергетика . К ней относятся способы генерации электроэнергии, имеющие ряд достоинств по сравнению с «традиционными», но по разным причинам не получившие достаточного распространения. Основными видами альтернативной энергетики являются:

Ветроэнергетика — использование кинетической энергии ветра для получения электроэнергии;

Гелиоэнергетика — получение электрической энергии из энергии солнечных лучей;

Общими недостатками ветро- и гелиоэнергетики являются относительная маломощность генераторов при их дороговизне. Также в обоих случаях обязательно нужны аккумулирующие мощности на ночное (для гелиоэнергетики) и безветренное (для ветроэнергетики) время;

Геотермальная энергетика — использование естественного тепла Земли для выработки электрической энергии. По сути геотермальные станции представляют собой обычные ТЭС, на которых источником тепла для нагрева пара является не котёл или ядерный реактор, а подземные источники естественного тепла. Недостатком таких станций является географическая ограниченность их применения: геотермальные станции рентабельно строить только в регионах тектонической активности, то есть, там, где естественные источники тепла наиболее доступны;

Водородная энергетика — использование водорода в качестве энергетического топлива имеет большие перспективы: водород имеет очень высокий КПД сгорания, его ресурс практически не ограничен, сжигание водорода абсолютно экологически чисто (продуктом сгорания в атмосфере кислорода является дистиллированная вода). Однако в полной мере удовлетворить потребности человечества водородная энергетика на данный момент не в состоянии из-за дороговизны производства чистого водорода и технических проблем его транспортировки в больших количествах;

Читайте так же:
Минимальный ток срабатывания теплового расцепителя

Стоит также отметить альтернативные виды гидроэнергетики : приливную и волновую энергетику. В этих случаях используется естественная кинетическая энергия морских приливов и ветровых волн соответственно. Распространению этих видов электроэнергетики мешает необходимость совпадения слишком многих факторов при проектировании электростанции: необходимо не просто морское побережье, но такое побережье, на котором приливы (и волнение моря соответственно) были бы достаточно сильны и постоянны. Например, побережье Чёрного моря не годится для строительства приливных электростанций, так как перепады уровня воды Чёрном море в прилив и отлив минимальны.

Физика

Урок 8: Электрическая энергия

  • Видео
  • Тренажер
  • Теория

Заметили ошибку?

Электрическая энергия

Электрический ток может быть использован для передачи энергии. Источник напряжения переводит какой-то другой тип энергии в энергию электрического тока, а в приборах энергия электрического тока вновь переходит в другой тип. Таким образом, электрическая энергия может быть переведена в другой тип энергии: механическую, тепловую, световую или химическую. Например, в работе утюга, чайника, лампочки, электродвигателя или аккумулятора.

Как вычислить энергию электрического тока?

Рассмотрим аккумулятор, подключенный к резистору. Вся энергия источника в этом случае переходит в тепловую. Тепло, которое выделяется на резисторе, может быть вычислено по формуле:

Перепишем эту формулу в другом виде, используя закон Ома:

Q = I 2 R△t

Эта формула выражает закон Джоуля-Ленца: тепло, выделившееся на проводнике, равно произведению квадрата тока, протекающего через проводник, сопротивления проводника и времени, в течении которого течет ток.

Таким образом, мы имеем две формулы для энергии электрического поля:

W = A △t = IU – наиболее общая формула для мощности источника

W = Q △t = I 2 R — формула для тепловой мощности, выделяющейся на проводнике

В случае постоянного тока, когда вся энергия переходит в тепловую, эти формулы эквивалентны. Но в общем случае, при переменном токе, между ними есть существенная разница.

Например, рассмотрим, параллельное соединение двух проводников. Это могут быть две лампочки, подключенные в бытовую сеть. На каком проводнике выделится больше тепла, на большем или на меньшем?

Т.е. 100-ватная лампочка имеет меньшее сопротивление, чем 50-ватная. Рассмотрим теперь последовательное соединение двух сопротивлений. Например, этими сопротивлениями могут быть лампочка и подводящие провода.

Более сложный пример: вы подсоединяете удлинитель в розетку, и подключаете к нему холодильник, стиральную машину, чайник и утюг. Так делать нежелательно, т.к. удлинитель или розетка могут не выдержать.

Разберемся в этом подробней: для простоты примера, вы подключили несколько одинаковых приборов, скажем N утюгов с сопротивлением R.

Эту схему можно перерисовать в другом виде.

Допустим, через каждый утюг протекает ток I. Тогда по подводящему току будет течь ток в N раз больший, так как при параллельном соединении токи суммируются. Что из этого следует?

1. Никакого вечного двигателя здесь нет. Энергия, выделяющаяся на каждом проводнике, I^2 R . Т.к. ток через подводящий провод в N раз больший, то мощность, выделяемая источником, равна INU, т.е. примерно в N раз больше. Т.е. чем больше утюгов вы подключите, тем больше источнику потребуется работать.

2. При большом количестве утюгов тепло, выделяющееся на подводящем проводе, оказывается немалым. Допустим, сопротивление подводящего провода r. Тогда на нем выделится тепловая мощность (IN) 2 Rr. Т.е. мощность будет пропорциональна N 2 .

3. Если сопротивление подводящих проводов слишком велико, то выделяющаяся теплота превысит некоторое пороговое значение.

Читайте так же:
Чем закрепить провод теплого пола

При подключении большого числа электроприборов или мощных электроприборов стоит помнить о том, что подводящие провода должны быть достаточно толстыми, чтобы выдержать эту нагрузку.

Термогенераторы: как «сварить» электричество на газовой плите

На 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.

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.

Читайте так же:
Тепловое действие тока внешние признаки

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.

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.

Читайте так же:
Тепловыделение проводника с током

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.

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.

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

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector