Эи.Лпр3 – Тепловые преобразователи

1. Назначение

Ознакомиться с видами тепловых преобразователей, изучить устройство и принцип работы.

2. Краткие теоретические положения

Теоретические основы расчета тепловых преобразователей

Тепловым называется преобразователь, принцип действия кото­рого основан на тепловых процессах и естественной входной вели­чиной которого является температура. К таким преобразователям относятся термопары и терморезисторы, металлические и полу­проводниковые. Основным уравнением теплового преобразования является уравнение теплового баланса, физический смысл которого заключается в том, что все тепло, поступающее к преобразова­телю, идет на повышение его теплосодержания Q_TC и, следовательно, если теплосодержание преобразователя остается неизменным (не меняется температура и агрегатное состояние), то количество посту­пающего в единицу времени тепла равно количеству отдаваемого тепла. Тепло, поступающее к преобразователю, является суммой количества тепла Q_ЭJI, создаваемого в результате выделения в нем электрической мощности, и количества тепла Q_TO, поступающего в преобразователь или отдаваемого им в результате теплообмена с окружающей средой.

Таким образом, уравнение теплового баланса имеет вид

Q_ЭJI + Q_ТО = Qтс, и основы расчета тепловых преобразователей заклю­чаются в расчете процессов теплопередачи и теплосодержания.

Теплосодержание при неизменном агрегатном состоянии вещества зависит от массы т и удельной теплоемкости с материала преобра­зователя и связано с температурой θ преобразователя формулой Q_TC = тсθ.

Теплообмен состоит в переходе некоторого количества тепловой энергии из одной части пространства в другую. Теплообмен может осуществляться тремя совершенно различными способами:

1. При теплообмене посредством теплопроводности перенос тепловой энергии происходит только путем взаимодействия частиц, на­ходящихся в непосредственном соприкосновении друг с другом и имеющих различную температуру. Теплообмен путем теплопровод­ности в чистом виде имеет место только в твердых телах.

2. Теплообмен посредством конвекции совершается путем переме­щения материальных частиц и может иметь место только в жидко­стях или газах. Если причиной потоков жидкости или газа является неодинаковая плотность среды, вызванная разностью температур, то говорят о естественной конвекции. Движение потоков под дейст­вием внешних причин вызывает вынужденную конвекцию. Конвек­тивный теплообмен всегда включает в себя обмен посредством тепло­проводности, и суммарный теплообмен между стенкой и средой на­зывается теплоотдачей.

3. Третьим способом теплообмена является теплообмен посред­ством излучения. Тепловое излучение представляет собой поток электромагнитных волн, излучаемых телом за счет его тепло­вой энергии и полностью или частично поглощаемых другими телами.

На практике обычно имеет место комбинация различных спосо­бов теплообмена, отдельные виды которых могут быть учтены приводимыми ниже формулами.

Теплопроводность. Распространение тепла путем теплопровод­ности определяется законом Фурье , где q — теп­ловой поток, представляющий собой количество тепла, переданного в единицу времени через единицу поверхности, Вт/м² (1 ккал/м² =

= 1,163 Вт/м²); —градиент температуры; λ—коэф­фициент теплопроводности, Вт/(м*К).

Коэффициент теплопроводности зависит от природы и физичес­кого состояния вещества. В анизотропных телах коэффициент теп­лопроводности зависит, кроме того, от направления распростране­ния тепла. Лучшими проводниками тепла являются металлы. Наименьшей теплопроводностью обладают газы. Для газов коэффи­циент теплопроводности зависит не только от состава газа, но и от температуры и при большом разрежении от давления. Коэффи­циент теплопроводности выбирается по справочным данным с учетом всех перечисленных условий.

Полный тепловой поток, создаваемый разностью температур, определяется формулой

где G_θ— тепловая проводимость среды; R_θ— тепловое (или термическое) сопротивление среды.

Тепловая проводимость среды зависит от коэффициента тепло­проводности и геометрических соотношений, и для расчета ее можно использовать аналогичные формулы электрической прово­димости, заменив удельную проводимость коэффициентом тепло­проводности.

Тепловая проводимость плоской стенки , где S —

площадь стенки; δ — толщина стенки.

Тепловая проводимость цилиндрической стенки , где L – длина цилиндра; d₁,d₂ — диаметры соответственно внешней и внутренней стенок цилиндра.

Теплоотдача. Полный тепловой поток в результате теплоотдачи определяется формулой Ньютона.

где ζ — коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²*К); S — поверхность тела ΔΘ — разность температур окружающей среды и тела. Коэф­фициент теплоотдачи при естественной и вынужденной конвекции

Рис.3-1

рассчитывается на основании теорий теплового и геометрического подобий.

При искусственной конвекции при поперечном омывании ци­линдра (рис. 3-1, а) коэффициент теплоотдачи для газов выражается формулой

где d — диаметр цилиндра; v — скорость движения газа; v — кине­тическая вязкость, равная абсолютной вязкости, отнесенной к плот­ности вещества; К — коэффициент теплопроводности газа; с и п являются функциями скорости газа и размеров цилиндра и опре­деляются по предварительно рассчитанной величине, называемой критерием Рейнольдса Re = ud/v.

Тепловое излучение свойственно всем телам, и каждое из них непрерывно излучает и поглощает энергию. Разность между из­лучаемой и поглощаемой телом лучистой энергией отлична от нуля, если температура тел, участвующих во взаимном обмене лучистой энергией, различна. По закону Стефана — Больцмана полное количество энергии, излучаемой в единицу времени единицей поверхности, имеющей температуру Θ, равно

где σ₀ = 5,7*10^-8 Вт/(м²*К⁴)— константа излучения абсолютно черного тела.

Закон Стефана — Больцмана применим и к реальным серым телам, но их коэффициент лучеиспускания С рассчитывается с учетом относительной излучательной способности или степени черноты тела е, т. е. С = С₀ε. Значение е изменяется в пределах от нуля до единицы.

Количество поглощаемой телом лучистой энергии также зависит от степени черноты тела и определяется формулой , где

Е_эф — извне падающее эффективное излучение окружающих тел. При вы­воде формул лучистого теплообмена между телами необходимо учитывать, кроме лучеиспускательной, поглоща- тельной и отражательной способности тел, их размеры и направление из­лучений. Относительно простые фор­мулы могут быть приведены только для теплообмена между плоскими параллельными поверхностями и между двумя поверхностями в замкнутом пространстве, когда одна из поверхностей облекает другую обязательно выпуклую поверхность (рис. 3-2).

Рис.3-2

В первом случае количество тепла на 1 м² площади в одну секунду

Во втором случае количество тепла, получаемое или отдавае­мое в секунду меньшим телом с поверхностью S₁

Уравнение теплового баланса преобразователей при неизмен­ном агрегатном состоянии среды и постоянной температуре тел определяется как

где — теплота Джоуля — Ленца, выделяющаяся в преобразователе; q_тп— теплопроводность через преобразователь; q_тп теплопроводность через окружающую среду; q_конв — конвек­ция; q_ли лучеиспускание.

Эти тепловые потоки показаны на рис. 3-3.

Рис.3-3

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Явление термоэлектричества было открыто в 1823 г. Зеебеком и заключается в следующем. Если составить цепь из двух различных проводников (или полупроводников) А и В, соединив их между собой концами (рис. 3-4, а), причем температуру Θ₁ одного места соединения, сделать отличной от температуры Θ₂ другого, то в цепи появится э. д. с., называемая термоэлектродвижущей силой и представляющая собой разность функций температур мест соединения проводников:

Подобная цепь называется термоэлектрическим преобразователем или иначе термопарой; проводники, составляющие термопару — термоэлектродами, а места их соединения — спаями.

При небольшом перепаде температур между спаями термо-э. д. с. можно считать пропорциональной разности температур:

Е_АВ = S_AB ΔΘ

Опыт показывает, что у любой пары однородных проводников, подчиняющихся закону Ома, величина термо-э. д. с. зависит только от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температур между спаями.

Явление термоэлектричества принадлежит к числу обратимых явлений, обратный эффект был открыт в 1834 г. Жаном Пельтье и назван его именем. Если через цепь, состоящую из двух различных проводников или полупроводников, пропустить электрический ток, то тепло выделяется в одном спае и поглощается в другом. Теплота Пельтье связана с силой тока линейной зависимостью в отличие от теплоты Джоуля, и в зависимости от направления тока происходит нагревание или охлаждение спая.

Рис.3-4

Во второй половине XIX в. Томсоном был открыт эффект, зак­лючающийся в установлении на концах однородного проводника, имеющего температурный градиент, некоторой разности потенциа­лов и в выделении дополнительной тепловой мощности при прохож­дении тока по проводнику, имеющему температурный градиент. Однако э. д. с. Томсона и дополнительное тепло настолько малы, что в практических расчетах ими обычно пренебрегают.

На рис. 3-4, б показана принципиальная схема термоэлектри­ческого преобразователя, который в зависимости от положения переключателя Кл может работать в режиме генератора электри­ческой энергии и в режиме переноса тепла от источ­ника с температурой Θ к резервуару с температурой Θ₀.

К. п. д. термоэлектрического генератора зависит от разности температур и свойств материалов и для существующих материалов очень мал, поэтому термоэлектрические генераторы исполь­зуются как генераторы энергии лишь в специальных условиях.