
- •Ю.О. Малик Енергозберігаючі технології
- •12. Методи прямого перетворення енергії
- •12.1. Хімічні методи перетворення енергії
- •12.2. Цикл термоелектричної установки
- •12.3. Цикл термоелектронного перетворювача енергії
- •12.4. Цикл магнітогідродинамічних (мгд) генераторних установок
- •13. Вторинні енергоресурси (вер) та енерготехнологічне комбінування
- •13.1. Загальні відомості
- •13.2. Класифікація вторинних ресурсів
- •13.3. Джерела вторинних енергоресурсів
- •13.4. Обладнання для використання теплових вер
- •13.5. Використання низько-потенціальних теплових вер
- •13.5.1. Теплозабезпечення
- •13.5.2. Виробництво електроенергії з відпрацьованої пари
- •13.5.3. Комбіноване використання відпрацьованої пари
- •13.5.4. Одержання холоду
- •13.5.5. Використання теплоти виробничої води
- •13.5.6. Агротеплофікація
- •13.5.7. Виробництво електроенергії з відпрацьованої води
- •13.5.8. Використання низькотемпературних продуктів горіння
- •13.6. Використання фізичної теплоти технологічних продуктів
- •13.7. Використання фізичної теплоти технологічних потоків у виробництві сірчаної кислоти
- •13.8. Утилізація теплоти продуктів піролізу в виробництві етилену
- •14. Паливо. Основи горіння та організація процесу спалювання палива
- •14.1. Сучасний стан та перспективи розвитку енергетичних ресурсів України
- •14.2. Види та характеристики палива
- •14.2.1. Тверде та рідке паливо
- •14.2.2. Газоподібне паливо
- •14.2.3. Технічні характеристики палива
- •14.3. Елементи теорії горіння та організація процесу спалювання палива
- •14.3.1. Гомогенне горіння. Горіння газоподібного палива
- •14.3.2. Горіння рідкого палива
- •14.3.3. Гетерогенне горіння
- •14.4. Розрахунки процесів горіння палива
- •14.4.1. Розрахунки витрат повітря на спалювання 1 кг палива
- •14.4.2. Склад та об’єм продуктів згоряння 1 кг палива
- •14.4.3. Ентальпія продуктів згоряння
- •14.5. Види пристроїв для спалювання палива
- •14.5.1. Спалювання твердого палива у факелі
- •14.5.2. Спалювання мазуту та газу в паленищах
- •Література
- •Енергозберігаючі технології
12.2. Цикл термоелектричної установки
Цикл термоелектричної установки (ТЕУ) грунтується на так званому ефекті Зеебека, який полягає в тому, що в електричному колі, яке складається з двох різнорідних провідників, спаї яких знаходяться в середовищах з різними температурами, виникає різниця потенціалів (рис. 12.3а).
Ця різниця носить назву термоелектрорушійної сили (термоЕРС).
Р
ис.
12.3.
Принципова
схема
дії
термоелектричного
генератора
Різниця потенціалів, як показали експерименти, пропорційна різниці температур спаїв термоелектричного ланцюга:
(12.13)
або
,
(12.14)
де - коефіцієнт пропорційності.
Коефіцієнт пропорційності дорівнює термоЕРС, яка виникає в ланцюзі за різниці температур спаїв, що дорівнює одному градусу. Якщо замкнути цей ланцюг через зовнішній електричний опір (рис. 12.3б), то в електричному ланцюзі виникне електричний струм. Якщо змінити температури спаїв на протилежні, то в ланцюзі виникає струм, який за величиною дорівнює струму за попередніх температур спаїв, однак з протилежним напрямком протікання. Термоелектричний ефект знайшов широке застосування у вимірювальній техніці для визначення температур за допомогою термопар, на основі рівняння (12.13). Вимірявши термоЕРС і знаючи температуру одного із спаїв термопари, можна визначити температуру середовища, в якому знаходиться другий спай.
Термоелектричний ефект може бути також використаний для виробництва електроенергії. Ідея створення термоелектричного генератора (ТЕГ) була висунута ще в 1885 р. англійським фізиком Д. У. Релеєм, але здійснити цю ідею у промислових масштабах довгий час не вдавалось, в зв’язку з його низьким термічним ККД. Лише з появою напівпровідників ця ідея може мати своє втілення в промислових масштабах. Говорячи про ефект Зеебека, доцільно коротко зупинитись на так званому ефекті Пельть’є (1834). Зміст цього ефекту полягає в наступному: якщо через електричне коло, що складається з двох різнорідних провідників, пропустити електричний струм від зовнішнього джерела, то один спай буде поглинати теплоту, другий - виділяти. Кількість теплоти, яка поглинається або виділяється, буде пропорційна силі струму I:
,
(12.15)
де П - коефіцієнт пропорційності Пельт’є, який зв’язаний з коефіцієнтом наступним співвідношенням
.
(12.16)
Тоді рівняння (12.15) можна записати у вигляді:
.
(12.17)
Отже, як тільки в замкнутому термоелектричному колі починає циркулювати електричний струм, тут же гарячий спай почне поглинати теплоту з оточуючого середовища Q1, а холодний спай - виділяти в оточуюче середовище теплоту Q2.
Проаналізуємо процес, який протікає в термоелектричному генераторі. Як і будь-яка теплова машина, ТЕГ може перетворювати теплоту в роботу за умови наявності джерел теплоти з різними температурами (ІІ-ий закон термодинаміки). Середовище, в якому розміщений гарячий спай з вищою температурою (Т1) назвемо гарячим джерелом теплоти (ГДТ), а середовище з нижчою температурою (Т2), в якому розташований холодний спай - холодним джерелом теплоти (ХДТ).
Отже, за рівнянням (12.13) термоЕРС, яка виникає в електроланцюзі, дорівнює
.
Якщо електричне коло замкнуте на якийсь зовнішній опір, то в ньому протікає струм I і згідно з рівнянням (12.17) гарячий спай забирає від ГДТ теплоту в кількості, що дорівнює
.
(12.18)
Холодний спай виділяє і передає ХДТ теплоту в кількості, що дорівнює
.
(12.19)
Отже, в процесі роботи ТЕГ від ГДТ відбирається теплота Q1, а ХДТ віддається теплота Q2. Тому робочим тілом термоелектричного генератора можна вважати потік електронів, які рухаються електричним колом. Завдяки цьому потоку здійснюється перетворення в електричну енергію частини теплоти, яка відбирається від ГДТ.
Робота, яка здійснюється струмом при його протіканні по колу, дорівнюватиме
.
(12.20)
Якщо знехтувати втратами, які будуть мати місце в реальних умовах (втрати, пов’язані з опором термоелектродів, необоротні втрати тощо), то корисна робота, віддана зовнішньому споживачу і яку здійснює установка, дорівнюватиме
.
(12.21)
Тому термічний ККД термоелектричного генератора буде дорівнювати
.
(12.22)
Отже, рівняння (12.22) показує, що так само, як для іншого теплового двигуна, границею термічного ККД ТЕГа є термічний ККД циклу Карно, який здійснюється між температурами Т1 і Т2.
Враховуючи те, що в реальних установках мають місце необоротні втрати внаслідок теплопровідності і виділення теплоти, дійсний ККД ТЕГа буде меншим, ніж той, який розраховується за рівнянням (12.22). Тому дійсний ККД термоелектричного генератора буде дорівнювати
,
(12.23)
де ое - відносно електричний ККД, який враховує вказані втрати.
Аналіз показує, що величина ое залежить головним чином від тепло- і електрофізичних властивостей матеріалів, з яких виготовлені електроди. Позначимо величину, яка залежить від вказаних властивостей через z, тоді можна одержати залежність ое від z для різних значень температур Т1 і Т2 (рис. 12.4)
Ч
Рис.
12.4.
Залежність
ое
від
z
Незважаючи на порівняно низький ККД термоелектрогенератора, такі генератори є вже тепер досить зручними внаслідок простоти, відсутності рухомих елементів і компактності. Варто підкреслити, що з появою термоелектродних матеріалів, які мають великі значення z вони одержать широке застосування в “малій енергетиці” як зручні автономні джерела електропостачання. Використання ТЕГів в узгодженні з джерелами теплоти низького температурного потенціалу, для яких ККД звичайного паросилового циклу невисокий, можуть дати значний техніко -економічний ефект.