Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях


ВВЕДЕНИЕ

Второй том четырехтомного издания книги “Термоэлектричество” посвящен описанию термоэлектрических преобразователей энергии в трех основных направлениях практических применений термоэлектричества: получения электрической энергии, термоэлектрического охлаждения и термоэлектрического нагрева. Соответственно приборы, выполняющие такие функции, называют термоэлектрическими генераторами, термоэлектрическими холодильниками, термоэлектрическими нагревателями.

Термоэлектрические приборы, в первую очередь, нашли успешное применение в космической и военной технике. Примеры таких применений приведены на рис.1-3. На рис.1 приведен термоэлектрический генератор космического назначения для питания электронной аппаратуры, на рис.2 - прибор с термоэлектрическим холодильником для определения элементного состава грунта поверхности планет, на рис.3 - термоэлектрический нагреватель регенератора воды для космонавтов.



В настоящее время термоэлектрические космические и военные технологии находят все более широкие земные и мирные применения, направленные на улучшение комфорта и повышения качества жизни человека. Поэтому методы проектирования и расчета термоэлектрических устройств привлекают внимание все более широкого круга специалистов. Это обстоятельство стимулировало написание настоящей книги.

На рис.4-6 приведены типичные схемы термоэлектрических генераторов, холодильников и нагревателей. Как видно из рисунков, все они содержат термоэлектрические преобразователи энергии с примыкающими к ним источниками тепла, объектами охлаждения или нагрева и тепловыми резервуарами или теплообменниками с окружающей средой.

Термоэлектрические преобразователи энергии в холодильниках (рис.5) часто называют тепловыми насосами. Действительно, в таких режимах работы помимо превращения электрической энергии в тепловую эффектом Джоуля имеет место перенос тепла от охлаждаемого объекта к теплообменнику, обычно вследствие действия эффекта Пельтье. Поэтому вполне корректно назвать термоэлектрический преобразователь в таком режиме работы тепловым насосом. По этой же причине также справедливо называть тепловым насосом и термоэлектрический преобразователь энергии, работающий в режиме нагрева (рис.6). В таком режиме к нагреваемому объекту может подводиться тепловая энергия, которая по величине может быть больше, чем затраченная электрическая энергия. Иногда этот факт вызывает удивление и даже мысли о нарушении закона сохранения энергии. На самом деле нарушения закона сохранения энергии здесь нет. Подводимая к термоэлектрическому преобразователю электрическая энергия затрачивается не только на преобразование в тепловую, но и на выполнение работы по переносу тепла от холодного теплообменника к нагреваемому объекту. Величина этой тепловой энергии может быть больше, чем затраченная электрическая энергия. Поэтому в целом величина тепловой энергии, выделенная нагреваемому объекту, может быть больше, чем затраченная электрическая энергия.



К настоящему времени в термоэлектричестве сложилась определенная терминология, которая используется для описания термоэлектрических преобразователей энергии, физических моделей таких преобразователей, термоэлектрических приборов и устройств.

Обычно термоэлектрические преобразователи энергии называют термоэлектрическими модулями. Они представляют собой ту активную часть приборов, где происходят процессы термоэлектрического преобразования энергии. Типичная схема термоэлектрического модуля приведена на рис.7. Он состоит из ряда соединенных в электрическую и тепловую цепь термоэлементов.

Термоэлементом называют термоэлектрический преобразователь энергии, который содержит минимальное число частей, необходимых для возникновения эффекта, который заложен в принципе работы термоэлемента. Сведения о термоэлектрических эффектах, на которых основана работа термоэлементов, приведены в томе I книги “Термоэлектричество” под названием “Физикатермоэлектричества”.

Для описания термоэлектрических преобразователей энергии в большинстве случаев достаточно рассмотреть свойства термоэлементов, из которых они созданы, а точнее их физические модели.

Моделями описываются как устройства термоэлементов, так и процессы, протекающие в них. В зависимости от конкретной необходимости используют физические модели различной сложности. В простых физических моделях учитываются наиболее важные части термоэлементов и, соответственно, наиболее важные физические процессы. Однако, такие простые модели не очень точны и, соответственно, не очень точны и результаты их описания. Более точными являются подробные физические модели, учитывающие многие факторы, которые влияют на работу термоэлементов. В настоящей книге рассматриваются модели термоэлементов различной сложности. Читатель может, по необходимости, выбрать описания простых или более сложных моделей термоэлементов.


Правильный или удачный выбор физических моделей термоэлементов предопределяет не только точность описания ими процессов и характеристик термоэлектрических преобразователей энергии, но также усилия, необходимые для получения искомых результатов.


Термоэлементам даны различные названия. Так, наиболее распространенный термоэлемент, принцип работы которого основан на использовании продольного эффекта Зеебека или Пельтье, имеет название термопарного элемента или термопары. Его простейшая схема приведена на рис.8, а как часть термоэлектрического модуля - на рис.7. Термоэлемент, в котором достигается термоэлектрическое преобразование поперечными эффектами Зеебека или Пельтье, имеет название анизотропного термоэлемента; термоэлемент, в котором термоэлектрическое преобразование достигается за счет эффекта Нернста-Эттингсгаузена, носит название термомагнитного термоэлемента Нернста-Эттингсгаузена и т.д.

Следует иметь в виду, что в литературе модели термопарных элементов иногда называют просто термопарами. Встречаются и случаи, когда термин "термопара" обозначает конкретный вариант конструкции термоэлектрического прибора. Особенно часто под термопарами подразумевают устройства для измерения температуры. Мы предпочитаем для такого случая использовать более точный термин - "термоэлектрический термометр".

Обычно под названием "термоэлемент" подразумевают только его конструкцию, то есть совокупность тех частей, из которых он состоит. Однако, в зависимости от практической необходимости один и тот же термоэлемент может быть использован в различных режимах работы.

Как уже отмечалось, первое направление практических применений термоэлектричества - это получение электрической энергии из тепловой, второе - термоэлектрическое охлаждение, третье - термоэлектрический нагрев. Соответственно, модели термоэлементов также используются для описания этих основных режимов работы - генерации ЭДС и тока, термоэлектрического охлаждения, термоэлектрического нагрева.

Модели термопарных элементов в различных режимах работы приведены на рис.9. Естественно, вместо термопарных элементов могут быть взяты любые другие.

Исходя из этого, в книге даются описания термоэлементов в трех основных режимах роботы, а именно:

- соотношения для описания термоэлементов в условиях генерации электродвижущей силы и электрического тока;

- соотношения для описания термоэлементов в условиях термоэлектрического охлаждения;

- соотношения для описания термоэлементов при термоэлектрическом нагреве.

Эти соотношения являются основополагающими при расчетах, проектировании и разработке термоэлектрических приборов и устройств.

К настоящему времени усилиями многочисленных ученых, техников и изобретателей открыты и, в большей или меньшей мере, изучены свойства большого числа различных типов термоэлементов. Многие из них обладают уникальными свойствами и поэтому могут быть эффективно использованы для решения различных практических задач. К сожалению, до настоящего времени сведения о таких термоэлементах мало доступны разработчикам термоэлектрической аппаратуры. Поэтому в подавляющем большинстве случаев используются общеизвестные термопарные элементы, хотя они не всегда наилучшим образом отвечают задачам, которые ставят перед собой потребители термоэлектричества.


Исходя из этого, одной из главных задач этой книги является систематизация сведений о термоэлементах. Мы надеемся, что разработчики термоэлектрической продукции, прежде чем приступить к проектированию конкретных термоэлектрических приборов, используют эту книгу и ответят на вопрос: какой тип термоэлемента является наиболее подходящим для создания конкретного термоэлектрического прибора? Нередко результатом такого выбора оказывается не традиционная термопара или батарея из них.

Автор настоящей книги более 25 лет работает над созданием новых типов термоэлементов, собрал обширный материал по этой теме и с удовольствием делится с читателем этой информацией. Работа в этом направлении привела к созданию обобщенной модели термоэлемента, из которой как частные случаи могут вытекать известные в настоящее время типы термоэлементов. Конечно, многие варианты термоэлементов были открыты эвристическим путем, то есть путем гениальных догадок или на основе использования известных термоэлектрических эффектов. Однако, ряд новых типов термоэлементов, например, вихревых был получен, опираясь на обобщенную модель. Основные идеи об этом изложены в первом томе книги "Термоэлектричество". Поэтому полезно, прежде чем приступить к чтению настоящей книги, ознакомиться с ее первым томом.

Автор надеется, что изложенные в настоящей книге сведения дадут не только возможность использовать известные в настоящее время типы термоэлементов, но и послужат основой для открытия новых их вариантов, увеличивая таким образом элементную базу термоэлектричества и, соответственно, возможности практических применений термоэлектричества в целом.

Не все свойства известных типов термоэлементов изучены. О многих из них имеются только отрывочные сведения. На это также обращено внимание в книге. Автор надеется, что таким путем он облегчит задачу поиска тем дипломных работ для выпускников университетов и других учебных заведений, тем диссертаций молодых ученых, а также тем для исследований, проводимых опытными специалистами по актуальным проблемам развития термоэлектричества.

Автор приносит свою искреннюю благодарность Вихор Л.Н., Лусте О.Я., которые взяли на себя труд редактирования книги; японской компании "Фудзитака", издательству Института термоэлектричества и типографии "Букрек" за содействие в опубликовании книги.Б/зЮ

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭНЕРГИИ/Л.И.Анатычук. Институт термоэлектричества Киев, Черновцы, 2003

??????????

??????? ?.?., ??$B!`(B?????? ?.?., ??????? ?.?., ?????????????? ???????????

?????? ?.?., ???????????? ??????????? ?????????? ????????????

?.?. ???????, ????????????? ???????????

?.?. ???????, ???????? ?????? ?? ??????? ???????????

?. ???????, ????????$B!`(B????? ???????????? ???????????

???????? ?.?., ??????????? ?.?., ???????? ?.?., ???????????????? ?????????? ???????????

?.?. ???????, ?????????? ???????????

?.?. ?????????, ?. ????, X. ???????, ????? ???????????? ?????

?.?. ???????, ?????? ???????

?????? ?.?., ??????????: ??? ??? ???????? ? ??? ??? ??$B!`(B?????

?. ????????, ???????????? ????????????? ???????????? ??????

?.?. ???????, ?????????????$B!`(B????? ?????????

?.?. ???????, ????????? ??????????$B!`(B?????? ? ?????????????????? ?????????????

??????????$B!`(B????? ??????????. $B!_(B. I. ?????? ???????

??????????$B!`(B????? ??????????. $B!_(B. II. ??????????? ???????

???????????? ??????????$B!`(B????? ?????

?.?. ???????, ??????????$B!`(B????? ??????????

?. ?. ????, ????????????????

????????????$B!`(B????? ??????????????? ???????

????????????? ?????????????? ???????

????? ? ???????????, ????????? ??????

??????????? ????????? ? ??????????? ???????? ??????????