Преобразователи тепла в электроэнергию: tPOD1 — эффективный преобразователь тепловой энергии в электричество / Хабр

Содержание

tPOD1 — эффективный преобразователь тепловой энергии в электричество / Хабр

То, что тепловую энергию можно преобразовывать в электричество, известно очень давно. Существует и целый спектр портативных устройств, которые совершают подобные преобразования без большого числа промежуточных этапов. Но вскоре может появиться устройство, которое окажется практически идеальным преобразователем тепловой энергии в электрическую для охотников, туристов, путешественников и жителей отдаленных регионов. tPOD1 достаточно эффективен — тепла, выделяемого одной маленькой свечкой (знаете, такие мини-свечки в металлической крышечке, они еще по воде могут плавать) хватит для обеспечения энергией светодиодной лампы (на 25 светодиодов) вплоть до четырех часов.

Этот проект разработан компанией Tellurex, которая в настоящее время собирает средства на реализацию своей идеи в промышленном масштабе на Kickstarter. Всего для начала массового производства tPOD1 нужно 85 тысяч долларов США. 40 тысяч долларов США уже собрано.

Разработчики считают, что их устройство может быть полезным, в первую очередь, для жителей удаленных регионов Африки. Та же мобильная связь добралась и туда, однако иногда жителям приходится проходить несколько километров в день, только для того, чтобы зарядить свой телефон где-нибудь в более цивилизованном районе. А теперь заряжать телефон можно будет буквально «из костра». Вероятно, жители смогут и просто класть tPOD1 куда-нибудь на темный камень, нагревающийся на солнце до 70 градусов (и даже выше).

Правда, стоимость девайса чрезмерно велика для африканца — выложить придется 69-79 долларов США. Так что пока tPOD1, вероятно, станет раскупаться только туристами, рыбаками и прочими категориями граждан, регулярно совершающих путешествия.

На видео, размещенном ниже, показан принцип действия устройства. Там вначале девочка вещает, но с 20-й секунды начинается сама презентация.

Via mashable

Ток из тепла: Термопара против пара

Любой источник тепла можно превратить в источник электроэнергии — без паровых котлов, турбин и прочих громоздких сооружений.

Как известно, основная часть электроэнергии вырабатывается за счет сжигания ископаемого сырья. Полученное при этом тепло используется, например, для образования пара, который крутит турбину, присоединенную к генератору. Таким образом, главным методом получения электричества является непрямое преобразование тепла, сопряженное с весьма существенными энергетическими потерями. «На производство 1 ватта полезной энергии в среднем тратится около 5 ватт тепла, из которых 4 уходят на разогрев окружающей среды. Если бы нам удалось хотя бы незначительно уменьшить эти потери, это означало бы огромную экономию топлива и существенное снижение выбросов углекислого газа,» — поясняет Арунава Майумдар (Arunava Majumdar) из Калифорнийского университета в Беркли.

Между тем метод прямого преобразования тепла в электроэнергию известен аж с первой половины XIX века, когда Томас Зеебек установил, что избирательное нагревание (или охлаждение) точки контакта двух проводников, имеющих различные химические свойства, сопровождается появлением электродвижущей силы (термо-ЭДС). Попросту говоря, на противоположных концах проводников возникает напряжение, а если их замкнуть, в цепи начнет течь электрический ток. Именно на этом принципе работает термопара — нехитрый прибор, применяемый для измерений температуры. Простейшая термопара состоит из двух стержней разного металла, спаянных на одном конце. По изменению напряжения на противоположных концах стержней можно судить об изменении температуры в точке их соединения.

Попытки приспособить феномен термо-ЭДС для получения электричества предпринимались неоднократно. Соответствующие устройства, называемые термоэлектрическими конверторами, довольно активно разрабатывались в течение последних 50-ти лет и даже нашли свое применение в некоторых областях промышленности. Однако для массового производства электроэнергии они явно непригодны. Во‑первых, КПД подобных преобразователей не поднимается выше 7%, в то время как у паровых турбин это показатель достигает 20%. А главное — эффективной термопаре требуются редкие металлы — висмут, теллурий, платина и др. Это обстоятельство делает термоэлектрические конверторы очень дорогими и весьма непрактичными устройствами.

Однако специалисты из Калифорнийского университета сумели получить эффект термо-ЭДС с помощью искусственно синтезированной органической молекулы, соединяющей два металлических проводника. По мнению ученых, это означает настоящий прорыв в преобразовании тепла в электричество: органика очень дешева и проста в производстве. В ходе экспериментов ученые соединяли пары золотых проводников через прослойки из трех различных органических соединений — бензен-дитиола, дибензен-дитиола и трибензен-дитиола. Затем один из проводников начинали нагревать для создания разницы в температурах. На каждый градус разницы исследователи регистрировали рост напряжения в 8,7 мкВ для первого, 12,9 мкВ для второго, и 14,2 мкВ для третьего соединения, соответственно. Максимальная разница температур, достигнутая в ходе тестов, составила всего 30О по Цельсию.

«Эти цифры могут показаться не слишком значительным, однако они вполне доказывают правильность нашей концепции. Органическое термоэлектричество сделало свой первый шаг,» — заявил Прамод Редди (Pramod Reddy), один из участников исследования. В ближайшее время ученые намереваются протестировать ряд других органических соединений и металлов, чтобы добиться более выраженного эффекта термо-ЭДС.

Читайте также: «Электричество из водорослей», «Шумная энергия».

По публикации Science Daily

РИТЭГ его применения | Термоэлектричество

Прямое преобразование тепла ядерной реакции в электроэнергию для космических аппаратов началось с создания первого в мире всем известного реактора-преобразователя. «Ромашка». Успешные испытания установки «Ромашка» позволили принципиально определиться, можно ли делать ядерные космические энергетические системы. Американская установка с термоэлектрическим преобразователем (SNAP-10А), аналогичная «Ромашке», побывала в космосе.

Следующий этап — бортовая ядерная энергетическая система «Бук», которая была поставлена на вооружение, и выпускалась серийно. Двухкаскадные термоэлектрические преобразователи «Бук», мощностью 3 КВт, по результатам испытаний превзошли зарубежные аналоги. Тридцать одна установка была использована на спутниках серии «Космос». Это были спутники-шпионы для радиолокации объектов. Но закончилась «холодная» война и выпуск этих установок прекратился.

Для бортовой энергетической системы в космосе самое главное – удельная мощность: при минимальном весе максимальный выход энергии. Для большой космической энергетики ЯЭУ вне конкуренции. Не говоря об установках на органическом топливе, даже для солнечных батарей потребуются слишком большие площади развертывания. Для создания космических баз на Луне или Марсе потребуется много энергии и, скорее всего, это будет ядерная энергия. И тут важно преобразовать тепло, которое дает реактор, в электричество. Для этой цели есть несколько принципиально разных систем. В Америке разрабатывался базовый источник электрической энергии SP-100 – 100 кВт реактор-преобразователь модульного типа. В эту разработку были вложены значительные средства, но эти работы были законсервированы . Сейчас к ним снова появился интерес.

Принципиально есть несколько способов преобразования тепловой энергии в электрическую. Традиционные динамические системы «турбина–генератор» эффективно преобразуют тепловую энергию, но имеют очень ограниченный срок эксплуатации из-за изнашивания трущихся механических деталей.

Второе направление – термоэмиссионное. Были созданы ЯЭУ «Топаз» и «Енисей».  Эти установки характеризовались высокой удельной мощностью и летали в космос, т.е. были испытаны в реальных условиях. К их недостаткам следует отнести ограниченный срок службы. В термоэмиссионных установках достаточно высокие температуры – более 1600 оС, все диффузионные процессы там протекают очень активно, вследствие чего через год  узлы преобразователя выходят из строя.

В термоэлектрических преобразователях температуры намного ниже (в ЯЭУ «Бук» ~700о

С), ниже удельная мощность и КПД, хотя и не очень существенно, если сравнивать КПД ЯЭУ «Енисея» — 7 % и «Бука» — около 6 %. Но термоэлектрические системы могут долго работать как в космосе, так и на Земле. Это доказано на примере радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГ). В этих источниках ампулы с радиоактивным изотопом, к примеру, плутонием, период полураспада которого 86,4 лет, длительное время излучают тепло, которое преобразуется в электроэнергию. По этому пути пошли американцы в своих программах энергообеспечения полетов в дальний космос. Чтобы получать информацию с космических аппаратов, они продолжают использовать РИТЭГ на плутонии исходной электрической мощностью 300 Вт, что достаточно для питания аппаратуры связи в течение очень длительного времени.

В «Буке» источником тепла служил атомный реактор, а в первых отечественных аналогичных РИТЭГ космического назначения «Лимон», «Орион» использовался более энергоемкий короткоживущий изотоп – полоний. Эти РИТЭГ были успешно использованы на первых спутниках серии «Космос». Созданные затем многочисленные наземные РИТЭГ  для питания маяков и других навигационных устройств работали на стронции-90. Их срок службы был более 20 лет без замены радиоизотопного источника.

Стронций-90 нарабатывается в ядерных реакторах, его хранение или захоронение представляет собой определенную проблему. Поэтому применение изотопа было экономически оправданным до тех пор, пока не появились охотники за цветными металлами. Даже в труднодоступных районах – в тундре вдоль северного морского пути – находились такие. При этом, конечно, они сами получали изрядную дозу облучения, не говоря о том, что дальнейшая судьба радиоизотопного источника  уже не контролировалась. В общем, на международном уровне было принято решение о замене таких навигационных приборов и утилизации источников излучения.

Но для космоса РИТЭГ особенно актуален. Для дальнего космоса он является единственным вариантом источника электроэнергии. Возможность использования ЯЭУ в электродвигательных установках космических аппаратов рассматриваются очень активно. Есть продуктивные идеи с использованием термоэлектрического преобразования, обеспечивающим электроэнергией жизнедеятельность всех систем летательного космического аппарата. Под эту систему выбираем технические решения для создания преобразователя с оптимальными весогабаритными характеристиками. От плоских систем, которые были использованы в преобразователе «Бук», сейчас перешли к кольцевым термоэлектрическим батареям. Они получились более легкими и компактными, эта работа продолжается.

Кроме того, продолжается работа с радиоизотопными термоэлектрическими преобразователями. Планируется дальнейшее использование радиоизотопного термоэлектрического генератора. Термоэлектрические батареи для таких РИТЭГ могут быть изготовлены.

РИТЭГ для космоса

Глава 14 Преобразователи тепловой энергии. Новые источники энергии

Глава 14 Преобразователи тепловой энергии

Мы говорили про «океан энергии», окружающей нас. Этот океан энергии – эфир, явление поляризации которого нам известно, как электрическое поле. Вихревые явления в эфире мы воспринимаем, как магнитные поля. Мы показали в предыдущей главе методы использования электрических и магнитных явлений для создания источников энергии.

В Природе есть прекрасные образцы подобия, например, орбиты планет и орбиты электронов. Конечно, все намного сложнее, но для понимания сути вещей надо находить малое в большом, и видеть обратные соответствия. Эфирные явления, в том числе продольные волны в эфирной среде, легко анализируются по методу подобия с процессами в воздушной среде. Такие методы получения энергии, как использование тепловых движений молекул воздуха, позволяют понять и методы использования тепловой энергии эфира, поскольку температура эфира задает температуру воздуха. Рассмотрим тему подробнее.

Тепловая энергия воздуха есть один из вариантов рассеянного (низкопотенциального) тепла окружающей среды. Кроме воздуха, этот вид энергии содержится в воде, а также в земле (геотермальные источники). Преобразование этого вида энергии в полезную работу наиболее адекватно воспринимается при обсуждении различных конструкций источников энергии, не требующих топлива, так как нам понятен первичный источник. Существуют как механические, так и электронные устройства, способные работать в автономном режиме за счет преобразования тепла среды. Ранее, данную возможность теоретики отрицали, требуя наличия двух источников температуры для совершения полезной работы. Мы такие традиционные способы тоже рассматриваем. Это обычные тепловые насосы. Кроме этого, покажем несколько способов непосредственного отбора тепловой энергии у среды, а именно, использование и преобразование кинетической энергии движения молекул воздуха. Способы различные, как механические, так и современные технологии с использованием электромагнитных явлений и специальных материалов.

Конверсией тепловой энергии окружающей среды, в России, активно занимались П.К. Ощепков, А.Ф. Охатрин, Е.Г.Опарин и другие исследователи. Павел Кондратьевич Ощепков известен, как основатель российской радиолокации. В 1967 году Ощепков создал Общественный институт по проблеме энергетической инверсии, в Москве, при Комитете по рациональному использованию материальных ресурсов.

Ощепков писал: «Едва ли не самой дерзновенной мечтой человечества является овладение процессами естественного круговорота энергии в природе. Энергия также неуничтожима, как и несотворима, поэтому совершенно естественно, что процессы рассеяния энергии и процессы ее сосредоточения существуют в единстве. Есть люди, которые утверждают, что эта идея противоречит закону термодинамики. Это неверно. Второй закон термодинамики, оправдавший себя в тысячах и тысячах случаев, указывающий путь при решении многих научных и технических задач, – безусловно правильный закон для любой замкнутой системы. Оспаривать справедливость его для этих систем просто бессмысленно. Но в реальном мире абсолютно замкнутых систем нет. Мир бесконечен во времени и пространстве, и взаимодействие между материальными субстанциями происходит по более сложным законам, чем второе начало термодинамики. Открыть эти законы суждено науке грядущего. Использование процесса естественного круговорота энергии в природе на благо человечества не несет с собой угрозы перегрева поверхности Земли, так как оно не может изменить теплового баланса нашей планеты. Оно свободно и от радиоактивной опасности, от загрязнения атмосферы продуктами сгорания. Оно несет с собой несравнимое ни с чем изобилие энергии, составляющей главную основу жизни… Необходимость решения проблемы использования процессов естественного круговорота энергии в природе – это веление нашего времени».

Ощепков ввел термин «кэссор», обозначающий концентратор энергии окружающей среды. В литературе по данной теме, встречается сочетание «С-кэссор», обозначающее конденсаторный (емкостной) преобразователь тепловой энергии среды в электроэнергию.

Задачи, которые ставил Ощепков, выходят за рамки обычных тепловых насосов. «Энергетика будущего, на мой взгляд, это энергетика электронная. Она должна решить самую важную задачу – не просто брать тепло из окружающего пространства, но преобразовывать его в электроэнергию. В этом я вижу величайшую научнотехническую проблему современности. Научная и инженерно-конструкторская мысль ищут пути для ее решения». Сотрудники института Ощепкова, создали теорию, и выполнили расчеты по конструированию электронных установок для получения электрического тока в результате преобразования энергии окружающей среды. Созданы и работают несколько экспериментальных электронных установок, преобразующих энергию окружающей среды непосредственно в электрический ток. В специально созданных схемах из резисторов и особым образом обработанных полупроводниковых диодов (в них создан «грубый паллиатив» потенциального барьера) удалось создать устройство, в котором генерируется напряжение величиною более десяти вольт.

Ощепков писал: «На алтарь затратной экономики министерства и ведомства долгие годы приносили и продолжают приносить невосполнимые природные богатства – уголь, нефть, газ. Мало того, что их запасы на глазах истощаются, они и превосходное ценное сырье для химической промышленности. Их сжигают в топках электростанций, загрязняя атмосферу, что может вызвать, в конце концов, катастрофический «парниковый эффект», который с точки зрения опасности для человечества ученые ставят в один ряд с термоядерной катастрофой. Есть еще один парадокс традиционной технологии в энергетике – огромная энергия сначала производится в одном месте, а затем ее по дорогостоящим и не всегда надежным линиям электропередачи транспортируют нередко за тысячи километров к потребителю. Если это квартира, то… к лампочке. Не слишком ли сложно и расточительно? Все можно организовать иначе, проще, дешевле, надежнее, эффективнее. Пусть мощные энергосистемы обеспечивают электроэнергией крупные заводы и производства. Массового же потребителя, особенно в сельской местности Севера России и Сибири, можно снабдить мини-установками, преобразующими энергию среды в электричество мощностью один-два киловатта. Этого достаточно, чтобы обеспечить одну квартиру энергией для освещения, отопления и прочих нужд. Размер одной такой установки – не более настольной лампы. Если человечество хочет жить в гармонии с окружающей средой, оно должно сделать все, чтобы научиться получать энергию, не нарушая экологического равновесия в природе». Эти слова Профессора Ощепкова актуальны и сегодня, в 2012 году.

В журнале Техника Молодежи, № 11, 1983 год, была рассмотрена классификация основных методов инверсии тепловой энергии среды. Мы возьмем ее за основу, но дополним новыми методами.

Фотоинверсия. Известны свойства некоторых веществ (люминофоров) переизлучать падающий на них свет, но с иной, увеличенной длиной волны (так называемая «стоксова люминесценция»). Позднее были обнаружены случаи уменьшения длины волны переизлученного света, то есть увеличения энергии квантов (это так называемая «антистоксова люминесценция»). Прибавка к энергии квантов происходит здесь за счет трансформации собственной тепловой энергии люминофора в энергию люминесцентного излучения. Из-за отбора тепловой энергии люминофор охлаждается, и понижение его температуры компенсируется притоком теплоты из окружающей среды. Следовательно, энергетическая прибавка в люминесцентном излучении происходит, в конечном счете, путем концентрации тепловой энергии окружающей среды, и эта прибавка может быть очень значительной. Теоретически она может достигать 160 %, то есть люминофор может выдавать энергии на 60 % больше, чем получает ее в виде облучения. В настоящее время ведутся интенсивные работы по практическому применению этого эффекта (охлаждение объектов, люминесцентные мазеры, люминесцентное фотоумножение и прочее.).

Химическая инверсия. Энергетически открытые каталитические системы обладают способностью накапливать энергию, и существовать в неравновесном термодинамическом состоянии. Этот процесс возможен, благодаря сочетанию экзотермической реакции, протекающей на катализаторе, с эндотермической реакцией (охлаждения) катализатора. Эти, способные к самоподдержанию (и самовосстановлению) реакции, реализующиеся на поглощении рассеянной теплоты среды, открывают перспективы создания новых технологических процессов.

Существуют гальванические элементы, работающие на эндотермических реакциях. Энергия для протекания этих реакций отбирается от кристаллической решетки конструкции, в силу чего корпус элемента охлаждается (покрывается изморозью) и к нему непрерывно стекает (концентрируется) тепловая энергия окружающей среды. Следовательно, электрическая энергия в таком химическим источнике энергии, частично, обусловлена поглощением энергии окружающей среды.

Механоинверсия. Существуют различные способы использования кинетической энергии молекул воздуха. Эти устройства могут быть пассивные или активные, то есть струйные и потоковые технологии.

Гравинверсия. Поскольку гравитационное поле делает среду неоднородной, то это должно вносить «искажения» в термодинамический процесс выравнивания состояний, характеризуемый показателем возрастания энтропии.

Это обстоятельство отмечали еще Максвелл и Циолковский, которые высказали идею о том, что в атмосфере, под воздействием гравитационного поля, должен возникать вертикальный градиент температур. Циолковский предсказал, что указанный градиент должен зависеть от молекулярного состава газа.

Современная теория таких генераторов энергии подробно разработана Профессором В. Ф. Яковлевым, который рассчитал зависимость градиента температур от молекулярного состава газа. На основе этого эффекта им, совместно с Е. Г. Опариным, предложена идея принципиально нового генератора энергии, состоящего из двух труб, наполненных разными газами. рис. 205.

Рис. 205. Гравитационная инверсия тепловой энергии в схеме Яковлева – Опарина

Из схемы очевидно, что температура газов в двух трубках, в верхней части будет существенно отличаться друг от друга, и это можно использовать для получения энергии, к примеру, с помощью термоэлементов.

Термоинверсия. Рассмотрим поршневой двигатель, работающий на впрыскивании в камеру с цилиндром негорючего сжиженного газа (азот, гелий). Давление образующегося газа будет двигать поршень, при этом цилиндр будет охлаждаться, так как газ расширяется, а к нему устремится поток тепловой энергии из окружающей среды. Работа такого двигателя, в сумме, будет складываться не только из работы расширяющихся газов, но также и будет некоторая прибавка за счет использования тепловой энергии окружающей среды.

Электроинверсия. В данной области исследований, большие надежды П.К.Ощепкова были связаны с полупроводниковыми преобразователями тепла в электроэнергию. Существуют и другие методы. Николай Емельянович Заев запатентовал способ концентрации энергии окружающей среды путем использования свойств нелинейного конденсатора и нелинейного ферромагнетика. Мы рассмотрим их позже подробнее.

Покажем некоторые технологии и идеи по данной теме. Важное изобретение в области механической инверсии тепловой энергии, сделал автор из Санкт-Петербурга, Михаил Порфирьевич Бешок ([email protected]). Его статья «Энергия воздуха» опубликована в журнале «Новая Энергетика» № 1, 2003 год. В декабре 2010 мы общались по телефону, и он согласился открыто представить свою идею читателям данной книги. Суть его изобретения заключается в следующем: на поверхности пластины создается рельеф с размерами, порядка 1-10 длин свободного пробега молекулы воздуха (это размеры порядка элементов современных микросхем, около 500-50 нанометров). Другая сторона пластины имеет ровную поверхность, рис. 206. Цитирую Михаила Порфирьевича:

Рис. 206. Метод создания градиента давления воздуха

«Как известно из молекулярно-кинетической теории газов, молекулы воздуха хаотически (вне зависимости от скорости потока воздуха) движутся со скоростью 500 метров в секунду, при обычных условиях атмосферного давления и комнатной температуры. Масса одного кубического метра воздуха составляет более 1 кг. Нетрудно подсчитать, что в атмосфере содержится огромное количество энергии, ее можно было бы направить «на работу в турбину», но движение молекул воздуха хаотично, и принято считать, что энергия в такой среде может только поглощаться и рассеиваться, и процесс этот, якобы, необратимый. Действительно, в привычных мерках пространства и времени, молекулы движутся совершенно беспорядочно, количество их огромно, и процесс, сопровождающийся увеличением энтропии, в этом случае наиболее вероятен. Между тем, движение молекулы на участке «свободного пробега», в промежутке времени между столкновениями предстает как упорядоченное, линейное и предсказуемое. Среднее расстояние, которое преодолевает молекула за это время, составляет десятки нанометров.»

Отметим, что появившиеся в последние годы нанотехнологии позволяют конструировать требуемые элементы преобразователя энергии, имеющие микрорельеф, используя, например, нанотрубки. Микрорельеф порядка 100 нм – это несложная техническая задача и для изготовителя микросхем.

Далее, Михаил Порфирьевич рассматривает два случая, первый: пластину, обе стороны которой представляют собой абсолютно ровные поверхности и имеют площади S1 и S2 (рис. 206 слева наверху). В таком случае, на обе стороны пластины действуют силы, нормально направленные к пластине и численно равные суммарным импульсам. Эти импульсы передаются каждой из сторон ударяющимися молекулами воздуха. Так как суммарные импульсы пропорциональны площадям сторон, a они равны, то и силы равны. При такой ситуации нет разницы сил давления на пластину с двух сторон.

Другой вариант: предположим, что одна сторона пластины покрыта каким-либо рельефом, например, выполнена рельефной, рис. 206, внизу. При достаточно малых размерах рельефа поверхности, когда расстояние d меньше чем средняя длина свободного пробега молекулы, появляется фактор, нарушающий установленный выше баланс сил. Нормальное атмосферное давление равно примерно 1 кг на 1 квадратный сантиметр, и разница давлений в один процент уже довольно значительна. Предварительные, весьма приблизительные расчеты показывают, что разница давлений может составлять десятки процентов, то есть силу на уровне 100–400 грамм на 1 квадратный сантиметр. Разместив такие пластины на роторе, мы можем получить постоянное вращение ротора электрогенератора под нагрузкой.

Должен отметить, что в моем понимании, суть данной концепции не в том, чтобы создать разную площадь S1 и S2. Тема относится к конструированию такого нанорельефа поверхностей, который позволит создавать разное давление окружающей среды на пластину материала, одна сторона которой имеет микрорельеф. Этого результата можно добиться разными способами. Например, если хаотическое движение молекул окружающей среды, благодаря нанорельефу, становится упорядоченным, то изменяется относительная скорость молекул среды и пластины, с той ее стороны, где сделан микрорельеф. В таком случае, обеспечивается подъемная сила, но в отличие от известного эффекта Жуковского – Чаплыгина, сила действует на неподвижное «нанокрыло», находящееся в неподвижной среде, молекулы которой движутся.

Итак, задача решается либо путем частичного отбора кинетической энергии частиц окружающей среды, либо путем частичного упорядочивания их хаотического теплового движения. При охлаждении среды, возможен эффект появления тумана, конденсации атмосферных паров воды. В связи с этим, имеется интересная смысловая аналогия: мы говорим «парит», «парящий в высоте» о чем-то летающем в воздухе на одном месте. Возможно, это древнее слово отражает смысл забытых нами технологий.

Частичный отбор энергии у частиц, должен сопровождаться нагреванием наноэлементов, например, нановолосы будут нагреваться за счет их деформаций. Упорядочивание, то есть, ламинаризацию, мы уже ранее рассматривали в главе про молекулярный двигатель. Данный метод может быть разделен на два способа: создание за счет рельефа преимущественного вектора движения частиц вдоль поверхности пластины или перпендикулярно пластине. Соответственно, давление среды на пластину со стороны рельефа либо уменьшается, либо увеличивается.

Предлагаемый материал назван САМ – силовой активный материал, или САНМ – силовой активный наноматериал, поскольку его функции состоят в создании активной силы, действующей на пластину за счет разного давления окружающей среды на разные стороны пластины. Сила называется «активной» поскольку она не требует реактивного отброса массы. Мы решаем задачу создания движущей силы противоположным методом. В реактивных движителях рабочая масса получает импульс, и отбрасывается от движителя, сообщая ему соответствующий импульс. В активном движителе все наоборот: движитель получает импульс, равный импульсу, отбираемому от молекул окружающей среды. Закон сохранения импульса, при взаимодействии движителя и рабочей массы, разумеется, строго выполняется. Окружающая среда, при этом, охлаждается.

Эффект «нанокрыла» создает не только активную силу, но и соответствующие изменения в окружающей среде, в частности, ее охлаждение. Это обусловлено тем, что создаваемый макроимпульс пластины должен быть эквивалентен потере величины микроимпульсов частиц среды. В связи с этим, САМ – технология открывает качественно новые перспективы в автономной энергетике. Применение нанотрубок для развития данной концепции представляется наиболее перспективным, хотя и другие способы получения микрорельефа, включая бионанотехнологии, могут найти практическое применение.

Данный проект находится в стадии формирования новой компании, приглашаются инвесторы и специалисты в области нанотехнологий. Обращайтесь к автору книги.

В работе Михаила Порфирьевича, есть важное замечание о необходимости упругого столкновения с поверхностью пластины. Это обязательное условия передачи импульса. При рассмотрении его конструкции, мной было предложена аналогичная версия, но более простая, без микрорельефа. Предлагаемый метод показан на рис. 207. Пластина, одна сторона которой выполнена из материала, обладающего упругими свойствами при взаимодействии с молекулами воздуха, а другая сторона пластины покрыта материалом, который поглощает импульс удара молекул воздуха, деформируется, и частично, преобразует импульс в тепловую энергию. Благодаря разнице в модуле суммарного импульса слева и справа, пластина получит импульс движущей силы в сторону ее неупругой поверхности. В данной конструкции, неупругая поверхность пластины всегда будет теплее упругой поверхности. Тепло необходимо отводить во внешнюю среду, при большой мощности конструкции.

Рис. 207. Метод создания градиента давления воздуха

Механические приводы, сконструированные по данной технологии, могут использоваться не только в энергетике для создания крутящего момента, но также на транспорте, для создания подъемной и движущей силы любой величины, без затрат топлива.

Расчет силы, при 10 % асимметрии атмосферного давления на силовой активный материал (САМ) с разных сторон, дает величины силы около 1 тонны на 1 квадратный метр.

Пакет таких 100 пластин, каждая толщиной 5 мм, с зазором 5 мм, займет объем в один кубометр, и сможет поднять в воздух 100 тонн.

В связи с этим, можно вспомнить идеи Максвелла о возможности создания некоего механизма, разделяющего молекулы газа на медленные «холодные» и быстрые «горячие». Такой механизм и есть специальный рельеф, позволяющий без затрат получать градиент температуры.

Отметим, что данный принцип был мной показан, в том числе экспериментально, на конференции «Новые идеи в естествознании», 1996 год, Санкт-Петербург, доклад «Концепция гравитации», и позднее, в 1998 году, на конференции «Пространство, время и гравитация», Петергоф, Университет, Сборник Докладов, часть 1, 1999 год. В сокращенном виде, статья по данной теме была опубликована в американском журнале ELECTRIC SPACECRAFT, № 27, 1997 год.

Простейший эксперимент в пользу предлагаемой концепции, известен еще с 1935 года, и впервые был описан в журнале Popular Science, № 126, 1935 год, объяснение которого было сделано в моем докладе в 1996 году. На рис. 208 показаны результаты взаимодействия двух грузов, которые «разбегаются» от центральной точки, теоретически, имея одинаковый импульс.

Рис. 208. Эксперимент по демонстрации асимметричного взаимодействия

В моем эксперименте, в начальной позиции пружина сжата, а грузики удерживаются вместе ниткой. После разрушения нитки (пережигания), они движутся в разные стороны, примерно с одинаковым импульсом. Особенности взаимодействия грузиков с опорой состоят в том, что справа, на рис. 208, грузик взаимодействует упруго, а слева, жестко, с деформацией. Таким образом, в правой части создаются лучшие условия для передачи импульса грузика опоре, чем в левой части устройства, где энергия импульса частично преобразуется в тепло. В результате ненулевого суммарного импульса, все устройство смещается в сторону упругого взаимодействия. Эксперимент легко повторим, с одинаковым результатом. Проводить его лучше на плавающей платформе, или полированном столе.

Напомню, что важность упругого взаимодействия для обеспечения передачи импульса рабочего тела корпусу ротора, мы уже отмечали неоднократно, в том числе, при рассмотрении схемы на рис. 2. Подробнее, технология САМ рассмотрена в моей книге «Новые космические технологии» 2012 год. В ней даны расчеты для конструирования авиационного транспорта грузоподъемностью 1 миллион тонн, причем, не требующего топлива.

Мы отвлеклись на рассмотрение данного эксперимента для того, чтобы лучше понять условия работы устройства, предложенного ранее и показанного на рис. 207. Коммерциализация данного изобретения сводится к поиску оптимальных материалов упругого и неупругого покрытия пластин. Это не так просто, учитывая массу и кинетическую энергию молекулы воздуха, то есть величину импульса. Однако, несомненным преимуществом данного метода является низкая себестоимость и широкое применение, в том числе, для аэрокосмического транспорта. Детали можно обсудить при рассмотрении технического проекта по данной теме, при моем участии в роли разработчика. Предлагается лицензия.

Один из методов механической конверсии тепловой энергии среды, предложил Б.М. Кондрашов ([email protected]), в статье «Струйные энергетические технологии», журнал «Новая Энергетика». Автор пишет о «параллельном присоединения» дополнительных масс воздуха к стационарной реактивной струе газотурбинного двигателя, что происходит без дополнительных затрат энергии топлива за счёт «неуравновешенной силы внешнего давления на входной раструб (заборник) эжектора». Эти разработки относятся к технологиям «управляемого использования энергии атмосферы для выполнения работы», как пишут авторы данного изобретения.

Методы вовлечения атмосферного воздуха известны: пульсации активной струи создают периодическое разряжение среды (низкое давление) на входном патрубке эжекторной насадки. К данной области также относится открытие О.И. Кудрина: «Явление аномально высокого прироста тяги в газовом эжекционном процессе с пульсирующей активной струей». В своей статье, Кондрашов пишет: «Таким образом, за счет энергии атмосферы, преобразованной в процессе последовательного присоединения предыдущих периодов, осуществляется привод воздушного теплового насоса, при работе которого создаются условия для преобразования, в следующих периодах, низкопотенциальной энергии внешней газовой массы, находящейся в равновесном состоянии, в доступную для использования кинетическую энергию, высокопотенциальную теплоту и «холод» расчетной температуры.

В этом способе, отработавшая газовая масса холодная, и не содержит продуктов сгорания. Источники энергии – низкопотенциальная теплота атмосферного воздуха и гравитация, создающая статическое атмосферное давление (также как в природном стохастическом процессе). Условия для преобразования энергии атмосферы создаются при расширении сжатого воздуха, сжимаемого за счет части мощности, полученной в предыдущих периодах. Поэтому устройства, осуществляющие этот способ с использованием открытых термодинамических циклов, называются «атмосферные бестопливные струйные двигатели». Работы Б.М.Кондрашова подробно можно изучить по его патентам, № 2188960 RU F 02 C 3/32, 5/12 «Способ преобразования энергии в струйной установке (варианты), струйно-адаптивном двигателе и газогенераторе», и международная заявка на патент PCT/RU2002/000338 F 2 C 3/32 «Способ преобразования энергии в струйных двигателях» PCT WO2004/008180A1.

Теоретические основы данных процессов, также развивают авторы работ по «ламинаризации» турбулентных потоков воздуха, газов и другой среды. Другими словами, кинетическая энергия среды в турбулентном потоке, не может быть нами использована полностью, пока мы не обеспечим хотя бы частичное выравнивание векторов движения частиц потока, то есть «ламинаризацию потока». Поделитесь на страничке

Следующая глава >

Преобразование электрической энергии в тепловую — Знаешь как

Преобразование электрической энергии в тепловуюЭлектрический ток представляет собой направленное движение электрических частиц. При столкновении движу­щихся частиц с ионами или молекулами вещества кинети­ческая энергия движущихся частиц частично передается ионам или молекулам, вследствие чего происходит нагре­вание проводника. Таким образом, электрическая энергия

преобразуется в тепловую, которая тратится на нагрев провода и рассеивается в окружающую среду.

Скорость преобразования электрической энергии в теп­ловую определяется мощностью:

Р =UI

или, учитывая, что Ir, получаем:

P=UI=I2r.

Электрическая энергия, переходящая в тепловую,

W = Pt = Prt.

Так как в системе СИ единицей количества тепла, так же как и единицей энергии, является джоуль, то выделен­ное в сопротивлении тепло

Q = I2rt. 

Полученное выражение, определяющее соотношение меж­ду количеством выделенного тепла, силой тока, сопротивлением и временем, было найдено в 1844 г. опытным путем русским академиком Э. X. Ленцем и одновре­менно английским ученым Джоулем. Оно известно теперь под названием за­кона Джоуля—Лен­ца: количество тепла ,выделенного током в провод­нике,пропорцио­нально квадрату силы тока,сопро­тивлению проводника и времени прохождения то­к а.

Преобразование электрической энергии в тепло находит полезное применение в разнообразных нагревательных и осветительных приборах и устройствах.

В остальных приборах и устройствах преобразование электрической энергии в тепловую является непроизводи­тельным расходом энергии (потерями), снижающими к. п. д. их. Кроме того, тепло, вызывая нагревание этих устройств,

ограничивает их нагрузку, а при перегрузке повышение температуры может повести к повреждению изоляции или сокращению срока работы установки.

Пример 1-7. Определить количество тепла, выделенное в нагрева­тельном приборе в течение 15 мин, если сопротивление прибора 22 ом, а напряжение сети 110 в.

Сила тока

= 110 : 22 = 5a

Количество тепла, выделенное в приборе,

Q = I2rt = 52 • 22 • 15 • 60 = 49 500 дж.

Статья на тему Преобразование электрической энергии в тепловую

прозаичные тепло и электричество для космических аппаратов / Хабр

Так получилось, что в серии «Мирный космический атом» мы движемся от фантастического к распространенному. В прошлый раз мы поговорили об энергетических реакторах, очевидный следующий шаг — рассказать о радиоизотопных термоэлектрических генераторах. Недавно на Хабре был отличный пост про РИТЭГ зонда «Кассини», а мы рассмотрим эту тему с более широкой точки зрения.

Физика процесса

Производство тепла

В отличие от ядерного реактора, который использует явление цепной ядерной реакции, радиоизотопные генераторы используют естественный распад радиоактивных изотопов. Вспомним, что атомы состоят из протонов, электронов и нейтронов. В зависимости от количества нейтронов в ядре конкретного атома, он может быть стабильным, или же проявлять тенденцию к самопроизвольному распаду. Например, атом кобальта 59Co с 27 протонами и 32 нейтронами в ядре стабилен. Такой кобальт использовался человечеством со времен Древнего Египта. Но если мы добавим к 59Co один нейтрон (например, поместив «обычный» кобальт в атомный реактор), то получится 60Co, радиоактивный изотоп с периодом полураспада 5,2 года. Термин «период полураспада» означает, что через 5,2 года один атом распадется с вероятностью 50%, а от ста атомов останется примерно половина. У всех «обычных» элементов есть свои изотопы с разным периодом полураспада:


3D карта изотопов, спасибо ЖЖ пользователю crustgroup за картинку.

Подбирая подходящий изотоп, можно получить РИТЭГ с требуемым сроком службы и другими параметрами:

Изотоп Способ получения Удельная мощность, Вт/г Объёмная мощность, Вт/см³ Период полураспада Интегрированная энергия распада изотопа, кВт·ч/г Рабочая форма изотопа
60Со (кобальт-60) Облучение в реакторе 2,9 ~26 5,271 года 193,2 Металл, сплав
238Pu (плутоний-238) атомный реактор 0,568 6,9 86 лет 608,7 Карбид плутония
90Sr (стронций-90) осколки деления 0,93 0,7 28 лет 162,721 SrO, SrTiO3
144Ce (церий-144) осколки деления 2,6 12,5 285 дней 57,439 CeO2
242Cm (кюрий-242) атомный реактор 121 1169 162 дня 677,8 Cm2O3
147Pm (прометий-147) осколки деления 0,37 1,1 2,64 года 12,34 Pm2O3
137Cs (цезий-137) осколки деления 0,27 1,27 33 года 230,24 CsCl
210Po (полоний-210) облучение висмута 142 1320 138 дней 677,59 сплавы со свинцом, иттрием, золотом
244Cm (кюрий-244) атомный реактор 2,8 33,25 18,1 года 640,6 Cm2O3
232U (уран-232) облучение тория 8,097 ~88,67 68,9 лет 4887,103 диоксид, карбид, нитрид урана
106Ru (рутений-106) осколки деления 29,8 369,818 ~371,63 сут 9,854 металл, сплав

То, что распад изотопов происходит самостоятельно, означает, что РИТЭГом нельзя управлять. После загрузки топлива он будет нагреваться и производить электричество годами, постепенно деградируя. Уменьшение количества делящегося изотопа означает, что будет меньше ядерных распадов, меньше тепла и электричества. Плюс, падение электрической мощности усугубит деградация электрического генератора.
Существует упрощённая версия РИТЭГа, в котором распад изотопа используется только для обогрева, без получения электричества. Такой модуль называется блоком обогрева или RHG (Radioisotope Heat Generator).
Превращение тепла в электричество

Как и в случае атомного реактора, на выходе у нас получается тепло, которое надо каким-либо образом преобразовать в электричество. Для этого можно использовать:
  • Термоэлектрический преобразователь. Соединив два проводника из разных материалов (например, хромеля и алюмеля) и нагрев один из них, можно получить источник электричества.
  • Термоэмиссионный преобразователь. В этом случае используется электронная лампа. Её катод нагревается, и электроны получают достаточно энергии чтобы «допрыгнуть» до анода, создавая электрический ток.
  • Термофотоэлектрический преобразователь. В этом случае к источнику тепла подсоединяется фотоэлемент, работающий в инфракрасном диапазоне. Источник тепла испускает фотоны, которые улавливаются фотоэлементом и преобразуются в электричество.
  • Термоэлектрический конвертер на щелочных металлах. Здесь для превращения тепла в электричество используется электролит из расплавленных солей натрия и серы.
  • Двигатель Стирлинга — тепловая машина для преобразования разности температуры в механическую работу. Электричество получается из механической работы с использованием какого-либо генератора.
История

Первый экспериментальный радиоизотопный источник энергии был представлен в 1913 году. Но только со второй половины XX века, с распространением ядерных реакторов, на которых можно было получать изотопы в промышленных масштабах, РИТЭГи стали активно использоваться.
США

В США РИТЭГами занималась уже знакомая вам по прошлому посту организация SNAP.
SNAP-1.
Это был экспериментальный РИТЭГ на 144Ce и с генератором на цикле Ренкина (паровая машина) со ртутью в качестве теплоносителя. Генератор успешно проработал 2500 часов на Земле, но в космос не полетел.

SNAP-3.
Первый РИТЭГ, летавший в космос на навигационных спутниках Transit 4A и 4B. Энергетическая мощность 2 Вт, вес 2 кг, использовал плутоний-238.

Sentry
РИТЭГ для метеорологического спутника. Энергетическая мощность 4,5 Вт, изотоп — стронций-90.

SNAP-7.
Семейство наземных РИТЭГов для маяков, световых буев, погодных станций, акустических буев и тому подобного. Очень большие модели, вес от 850 до 2720 кг. Энергетическая мощность — десятки ватт. Например, SNAP-7D — 30 Вт при массе 2 т.

SNAP-9
Серийный РИТЭГ для навигационных спутников Transit. Масса 12 кг, электрическая мощность 25 Вт.

SNAP-11
Экспериментальный РИТЭГ для лунных посадочных станций Surveyor. Предлагалось использовать изотоп кюрий-242. Электрическая мощность — 25 Вт. Не использовались.

SNAP-19
Серийный РИТЭГ, использовался во множестве миссий — метеорологические спутники Nimbus, зонды «Пионер» -10 и -11, марсианские посадочные станции «Викинг». Изотоп — плутоний-238, энергетическая мощность ~40 Вт.

SNAP-21 и -23
РИТЭГи для подводного применения на стронции-90.

SNAP-27
РИТЭГи для питания научного оборудования программы «Аполлон». 3,8 кг. плутония-238 давали энергетическую мощность 70 Вт. Лунное научное оборудование было выключено ещё в 1977 году (люди и аппаратура на Земле требовали денег, а их не хватало). РИТЭГи на 1977 год выдавали от 36 до 60 Вт электрической мощности.

MHW-RTG
Название расшифровывается как «многосотваттный РИТЭГ». 4,5 кг. плутония-238 давали 2400 Вт тепловой мощности и 160 Вт электрической. Эти РИТЭГи стояли на Экспериментальных Спутниках Линкольна (LES-8,9) и уже 37 лет обеспечивают теплом и электричеством «Вояджеры». На 2014 год РИТЭГи обеспечивают около 53% своей начальной мощности.

GPHS-RTG
Самый мощный из космических РИТЭГов. 7,8 кг плутония-238 давали 4400 Вт тепловой мощности и 300 Вт электрической. Использовался на солнечном зонде «Улисс», зондах «Галилео», «Кассини-Гюйгенс» и летит к Плутону на «Новых горизонтах».

MMRTG
РИТЭГ для «Кьюриосити». 4 кг плутония-238, 2000 Вт тепловой мощности, 100 Вт электической.

Тёплый ламповый кубик плутония.


РИТЭГи США с привязкой по времени.

Сводная таблица:

Название Носители (количество на аппарате) Максимальная мощность Изотоп Вес топлива, кг Полная масса, кг
Электрическая, Вт Тепловая, Вт
MMRTG MSL/Curiosity rover ~110 ~2000 238Pu ~4 <45
GPHS-RTG Cassini (3), New Horizons (1), Galileo (2), Ulysses (1) 300 4400 238Pu 7.8 55.9–57.8
MHW-RTG LES-8/9, Voyager 1 (3), Voyager 2 (3) 160 2400 238Pu ~4.5 37.7
SNAP-3B Transit-4A (1) 2.7 52.5 238Pu  ? 2.1
SNAP-9A Transit 5BN1/2 (1) 25 525 238Pu ~1 12.3
SNAP-19 Nimbus-3 (2), Pioneer 10 (4), Pioneer 11 (4) 40.3 525 238Pu ~1 13.6
модификация SNAP-19 Viking 1 (2), Viking 2 (2) 42.7 525 238Pu ~1 15.2
SNAP-27 Apollo 12–17 ALSEP (1) 73 1,480 238Pu 3.8 20
СССР/Россия

В СССР и России космических РИТЭГов было мало. Первым экспериментальным генератором стал РИТЭГ «Лимон-1» на полонии-210, созданный в 1962 году:
.

Первыми космическими РИТЭГами стали «Орион-1» электрической мощностью 20 Вт на полонии-210 и запущенные на связных спутниках серии «Стрела-1» — «Космос-84» и «Космос-90». Блоки обогрева стояли на «Луноходах» -1 и -2, и РИТЭГ стоял на миссии «Марс-96»:

В то же время РИТЭГи очень активно использовались в маяках, навигационных буях и прочем наземном оборудовании — серии «БЭТА», «РИТЭГ-ИЭУ» и многие другие.

Конструкция

Практически все РИТЭГи используют термоэлектрические преобразователи и поэтому имеют одинаковую конструкцию:
Перспективы

Все летавшие РИТЭГи отличает очень низкий КПД — как правило, электрическая мощность меньше 10% от тепловой. Поэтому в начале XXI века в NASA был запущен проект ASRG — РИТЭГ с двигателем Стирлинга. Ожидалось повышение КПД до 30% и 140 Вт электрической мощности при 500 Вт тепловой. К сожалению, проект был остановлен в 2013 году из-за превышения бюджета. Но, теоретически, применение более эффективных преобразователей тепла в электричество способно серьезно поднять КПД РИТЭГов.
Достоинства и недостатки

Достоинства:
  1. Очень простая конструкция.
  2. Может работать годами и десятилетиями, деградируя постепенно.
  3. Может использоваться одновременно для обогрева и электропитания.
  4. Не требует управления и присмотра.

Недостатки:
  1. Требуются редкие и дорогие изотопы в качестве топлива.
  2. Производство топлива сложное, дорогое и медленное.
  3. Низкий КПД.
  4. Мощность ограничивается сотнями ватт. РИТЭГ киловаттной электрической мощности уже слабо оправдан, мегаваттной — практически не имеет смысла: будет слишком дорогим и тяжелым.

Сочетание таких достоинств и недостатков означает, что РИТЭГи и блоки обогрева занимают свою нишу в космической энергетике и сохранят её и далее. Они позволяют просто и эффективно обогревать и питать электричеством межпланетные аппараты, но от них не стоит ждать какого-либо энергетического прорыва.

Источники

Кроме Википедии использовались:

Калькулятор преобразования мощности и теплового потока

Использование калькулятора

Преобразование единиц мощности и теплового потока.

  • (IT) = Международная таблица
  • (th) = термохимический

Как преобразовать единицы мощности и теплового потока

Преобразования выполняются с использованием коэффициента преобразования.Зная коэффициент преобразования, преобразование единиц может превратиться в простую задачу умножения:

S * C = E

Где S — наше начальное значение, C — наш коэффициент пересчета, и E — наш конечный результат преобразования.

Чтобы просто преобразовать любую единицу измерения в Вт, например, из 50 БТЕ / ч, просто умножьте на значение в правом столбце в таблице ниже.

50 БТЕ / ч * 0,2930711 [(Вт) / (БТЕ / ч)] = 14,653555 Вт

Для преобразования W в единицы в левом столбце разделите значение в правом столбце на или, умножив на обратную величину, 1 / x.

14,653555 Вт / 0,2930711 [(Вт) / (БТЕ / ч)] = 50 БТЕ / ч

Чтобы преобразовать любые единицы в левом столбце, скажем, из A в B, вы можете умножить на коэффициент, чтобы преобразовать A в W, а затем разделить на коэффициент, чтобы B преобразовал из W.Или вы можете найти единственный фактор, который вам нужен, разделив фактор A на фактор B.

Например, чтобы преобразовать из BTU / h (th) в cal / s (th), вы должны умножить на 0,2928751, а затем разделить на 4,184. Или умножьте на 0,2928751 / 4,184 = 0,069998829. Итак, чтобы преобразовать непосредственно из БТЕ / ч (т. Е.) В кал / с (т. Е.), Вы умножаете на 0,069998829.



Таблица преобразования мощности и теплового потока

Обратите внимание, что сначала необходимо выполнить операции в столбце «Умножение на», чтобы получить правильный коэффициент.Например, при преобразовании калорий в час (IT) в ватты, 4,1868 / 60/60 равно 4,1868, разделенному на 60, разделенному на 60, что равно 0,001163. Они были оставлены в таком виде, чтобы вы могли более точно рассчитать коэффициент пересчета.

Единицы, символы и значения преобразования
используется в этом калькуляторе мощности и теплового потока

БТЕ [IT] в час

БТЕ IT / ч

ватт

0.2930711

БТЕ [IT] в минуту

БТЕ IT / мин

ватт

0,2930711 * 60

БТЕ [IT] в секунду

БТЕ IT / с

ватт

0.2930711 * 60 * 60

калорий [IT] в час

кал IT / ч

ватт

4,1868 / 60/60

калорий [IT] в минуту

кал IT / мин

ватт

4.1868/60

калорий [IT] в секунду

кал IT / сек

ватт

4.1868

БТЕ [тепл.] В час

БТЕ тыс. / ч

ватт

0.2928751

BTU [th] в минуту

БТЕ th / мин

ватт

0,2928751 * 60

БТЕ [тепл.] В секунду

БТЕ th / с

ватт

0.2928751 * 60 * 60

калорий [th] в час

кал th / ч

ватт

4,184 / 60/60

калорий [th] в минуту

кал th / мин

ватт

4.184/60

калорий [th] в секунду

кал / с

ватт

4,184

Cheval-Vapeur

cv

ватт

735.49875

эрг в час

эрг / ч

ватт

0.0000001/60/60

эрг в минуту

эрг / мин

ватт

0,0000001 / 60

эрг в секунду

эрг / с

ватт

0,0000001

фут-фунт-сила в час

фут-фунт-сила / ч

ватт

1.355818/60/60

фут-фунт-сила в минуту

фут · фунт-сила / мин

ватт

1,355818 / 60

фут-фунт-сила в секунду

фут-фунт-сила / с

ватт

1.355818

фут-фунт в час

фут · пдл / ч

ватт

0,04 21 40 11/60/60

фут-фунтал в минуту

фут-фунт-сила / мин

ватт

0,04214011 / 60

фут-фунтал в секунду

фут · пдл / с

ватт

0.04214011

лошадиных сил (550 фунт-сила-футов / с)

л.с.

ватт

745,6999

л.с. (котел)

л.с.

ватт

9809,5

л.с. (электрический)

л.с.

ватт

746

лошадиные силы (метрическая система)

л.с.

ватт

735.49875

лошадиных сил (Великобритания)

л.с.

ватт

745,7

лошадиных сил (вода)

л.с.

ватт

746.043

джоуль в час

Дж / ч

ватт

1/60/60

джоуль в минуту

Дж / мин

ватт

1/60

джоуль в секунду

Дж / с

ватт

1

pferdestarke

PS

ватт

735.49875

Список литературы

Национальный институт стандартов и технологий (NIST) — Руководство NIST по использованию Международной системы единиц — Приложение B, подразделы B.8 Коэффициенты для единиц, перечисленных в алфавитном порядке и B.9 Факторы для единиц, перечисленных по виду количества или области науки.

Лиде, Дэвид Р., Даниэль (главный редактор). Справочник CRC по химии и физике, 89-е издание New York, NY: CRC Press, p. 1-28, 2008.

авторов Википедии. «Преобразование единиц» Википедия, Бесплатная энциклопедия. Википедия, Бесплатная энциклопедия, последний раз посещалась 16 ноября 2010 г.

.

Преобразование тепла в электрическую

Уведомление о конфиденциальности для «Бесплатная энергия | поиск бесплатной энергии и обсуждение бесплатной энергии»


В соответствии с законодательством Европейского Союза мы обязаны информировать пользователей, получающих доступ к сайту www.overunity.com изнутри ЕС о файлах cookie, которые использует этот сайт, и информации, которую они содержат, а также о предоставлении им средств для «согласия» — другими словами, разрешить сайту устанавливать файлы cookie. Файлы cookie — это небольшие файлы, которые хранятся в вашем браузере, и у всех браузеров есть опция, с помощью которой вы можете проверять содержимое этих файлов и при желании удалите их.

В следующей таблице подробно указано имя каждого файла cookie, его источник и то, что мы знаем об информации. эти файлы cookie:

Печенье

Происхождение

Стойкость

Информация и использование

ecl_auth www.overunity.com Истекает через 30 дней Этот файл cookie содержит текст «Закон ЕС о файлах cookie — файлы cookie LiPF разрешены».Без этого файла cookie программное обеспечение Форумов не может устанавливать другие файлы cookie.
SMFCookie648 www.overunity.com Истекает согласно выбранной пользователем продолжительности сеанса Если вы входите в систему как участник этого сайта, этот файл cookie содержит ваше имя пользователя, зашифрованный хэш ваш пароль и время входа в систему. Он используется программным обеспечением сайта для обеспечения того, чтобы такие функции, как указание Вам указываются новые сообщения форума и личные сообщения.Этот файл cookie необходим для правильной работы программного обеспечения сайта.
PHPSESSID www.overunity.com Только текущая сессия Этот файл cookie содержит уникальное значение идентификации сеанса. Он установлен как для участников, так и для не-члены (гости), и это важно для правильной работы программного обеспечения сайта. Этот файл cookie не является постоянным и должен автоматически удаляться при закрытии окна браузера.
pmx_upshr {ИМЯ} www.overunity.com Только текущая сессия Эти файлы cookie устанавливаются для записи ваших предпочтений отображения для страницы портала сайта, если панель или отдельный блок свернут или развернут
pmx_pgidx_blk {ID} www.overunity.com Только текущая сессия Эти файлы cookie настроены для записи номера страницы для страницы портала сайта, если страница для индивидуальный блок изменен.
pmx_cbtstat {ID} www.overunity.com Только текущая сессия Эти файлы cookie настроены для записи состояния раскрытия / свертывания содержимого блока CBT Navigator.
pmx_poll {ID} www.overunity.com Только текущая сессия Эти файлы cookie настроены на запись идентификатора текущего опроса в блоке с несколькими опросами.
pmx_ {fadername} www.overunity.com Только текущая сессия Эти файлы cookie предназначены для записи состояния блока Opac-Fader.
pmx_LSBsub {ID} www.overunity.com Только текущая сессия Эти файлы cookie предназначены для записи текущей категории и состояния статического блока категории.
pmx_shout {ID} www.overunity.com Только текущая сессия Эти куки-файлы предназначены для записи текущего состояния блока Shout box.
pmx_php_ckeck www.overunity.com Время загрузки страницы Этот файл cookie, вероятно, никогда вас не увидит. Устанавливается, если инициирована проверка синтаксиса блока PHP. и будет удален при выполнении функции.
pmx_YOfs www.overunity.com Время загрузки страницы Этот файл cookie, вероятно, никогда вас не увидит. Он устанавливается на действия портала, такие как щелчок по номеру страницы.Файл cookie оценивается при загрузке нужной страницы и затем удаляется. Используется для восстановления вертикального положения экрана как до щелчка.

Примечания:
1 Нам известно, что Google использует дополнительные файлы cookie, которые он хранит на вашем компьютере, и когда вы просматриваете наш сайт и все другие места. Они используются для таргетинга рекламы, и в настоящее время Google делает это без вашего разрешения.Четыре из эти файлы cookie, о которых мы знаем, называются «Rememberme», «NID», «PREF» и «PP_TOS_ACK» и хранятся в кеше Google на вашем компьютере.
2 Если вы заходите на этот сайт с чужого компьютера, пожалуйста, спросите разрешения владельца перед прием файлов cookie.
3 Ваш браузер предоставляет вам возможность проверять все файлы cookie, хранящиеся на вашем компьютере. Кроме того, ваш браузер отвечает за удаление файлов cookie «только текущего сеанса» и тех, срок действия которых истек; если ваш браузер в противном случае вы должны сообщить об этом авторам вашего браузера.
4 Мы приносим извинения и приносим извинения за любые неудобства участникам и гостям, посещающим наш веб-сайт. из-за пределов Европейского Союза. В настоящее время мы не можем опросить ваш браузер и получить информация о местоположении, чтобы решить, предлагать ли вам принимать файлы cookie.

Для получения более подробной информации о файлах cookie и их использовании посетите Все о файлах cookie
,

Термоэмиссионный преобразователь энергии | электроника

Термоэмиссионный преобразователь энергии , также называемый термоэмиссионным генератором , термоэмиссионный генератор энергии, или термоэлектрический двигатель , любой из класса устройств, которые преобразуют тепло непосредственно в электричество с помощью термоэлектронной эмиссии, а не сначала переводят его в какую-либо другую форму энергии.

Британская викторина

Тест по электронике и гаджетам

С каким из этих устройств наиболее тесно связан сотовый телефон?

Термоэмиссионный преобразователь энергии имеет два электрода.Один из них нагревается до достаточно высокой температуры, чтобы стать термоэлектронным эмиттером электронов или «горячей пластиной». Другой электрод, называемый коллектором, потому что он принимает испускаемые электроны, работает при значительно более низкой температуре. Пространство между электродами иногда представляет собой вакуум, но обычно оно заполнено паром или газом низкого давления. Тепловая энергия может поступать из химических, солнечных или ядерных источников. Термоэмиссионные преобразователи представляют собой твердотельные устройства без движущихся частей.Они могут быть рассчитаны на высокую надежность и длительный срок службы. Таким образом, термоэмиссионные преобразователи используются во многих космических аппаратах.

Схема основного термоэмиссионного преобразователя. Encyclopædia Britannica, Inc.

Эмиссия электронов от горячей плиты аналогична выделению частиц пара при нагревании воды. Эти испускаемые электроны текут к коллектору, и цепь может быть замкнута путем соединения двух электродов внешней нагрузкой, показанной на рисунке в виде резистора.Часть тепловой энергии, которая используется для высвобождения электронов, преобразуется непосредственно в электрическую энергию, а часть тепловой энергии нагревает коллектор и должна быть удалена.

Разработка термоэлектронных устройств

Еще в середине 18 века французский химик Шарль Франсуа де Систерне дю Фэй заметил, что электричество может проводиться в газообразном веществе, то есть плазме, прилегающей к раскаленному телу. В 1853 году французский физик Александр-Эдмон Беккерель сообщил, что для пропускания электрического тока по воздуху между высокотемпературными платиновыми электродами требуется всего несколько вольт.С 1882 по 1889 год Юлиус Эльстер и Ханс Гейтель из Германии разработали герметичное устройство, содержащее два электрода, один из которых мог нагреваться, а другой — охлаждаться. Они обнаружили, что при довольно низких температурах электрический ток протекает с небольшим сопротивлением, если горячий электрод заряжен положительно. При умеренно более высоких температурах ток легко течет в любом направлении. Однако при еще более высоких температурах электрические заряды от отрицательного электрода проходят легче всего.

Получите эксклюзивный доступ к контенту нашего 1768 First Edition с подпиской. Подпишитесь сегодня

В 1880-х годах американский изобретатель Томас Эдисон подал заявку на патент, относящийся к термоэлектронной эмиссии в вакууме. В своем патентном запросе он объяснил, что ток проходит от нагретой нити накаливания электрической лампы к проводнику в том же стеклянном шаре. Хотя Эдисон был первым, кто раскрыл это явление, которое позже стало известно как эффект Эдисона, он не предпринял попыток использовать его; его интерес к совершенствованию системы электрического освещения превалировал.

В 1899 г. английский физик Дж. Дж. Томсон определил природу отрицательных носителей заряда. Он обнаружил, что их отношение заряда к массе соответствует значению, которое он нашел для электронов, что привело к пониманию основ термоэлектронной эмиссии. В 1915 году В. Шлихтер предложил использовать это явление для выработки электроэнергии.

К началу 1930-х годов американский химик Ирвинг Ленгмюр разработал достаточное понимание термоэлектронной эмиссии для создания основных устройств, но до 1956 года не было достигнуто большого прогресса.В том же году другой американский ученый Джордж Н. Хацопулос подробно описал два типа термоэмиссионных устройств. Его работа привела к быстрому развитию термоэлектронного преобразования энергии.

Поскольку термоэлектронные преобразователи устойчивы к высокому ускорению, не имеют движущихся частей и обладают относительно большим отношением мощности к весу, они хорошо подходят для некоторых применений в космических аппаратах. Разработки были сосредоточены на системах для обеспечения электроэнергией ядерного реактора на борту космического корабля.Они могут обеспечивать эффективность в диапазоне от 12 до 15 процентов при температурах от 900 до 1500 К (от 600 до 1200 ° C или от 1200 до 2200 ° F). Поскольку эти преобразователи лучше всего работают при высоких температурах, в конечном итоге они могут быть разработаны для использования в качестве устройств доливки на обычных электростанциях, работающих на ископаемом топливе. Доступная в настоящее время эффективность делает их подходящими источниками питания для наземного применения в определенных удаленных или агрессивных средах.

Принципы термоэлектронной эмиссии

Термоэлектронный преобразователь энергии можно рассматривать как электронный диод, который преобразует тепло в электрическую энергию посредством термоэлектронной эмиссии.Его также можно рассматривать с точки зрения термодинамики как тепловой двигатель, в котором в качестве рабочего тела используется газ, богатый электронами.

Основной проблемой при разработке практических термоэлектронных преобразователей энергии было ограничение максимальной плотности тока из-за эффекта пространственного заряда. Поскольку электроны испускаются между электродами, их отрицательные заряды отталкиваются друг от друга и прерывают ток. Были предложены два решения этой проблемы. Первый предполагает уменьшение расстояния между электродами до порядка микрометров, а другой — введение положительных ионов в облако отрицательно заряженных электронов перед эмиттером.Последний метод оказался наиболее осуществимым со многих точек зрения, особенно с производственной. Это привело к разработке термоэлектронных преобразователей энергии как цезиевого, так и вспомогательного разряда.

Эмиссия электронов является основой термоэлектронного преобразования энергии. Энергия, необходимая для удаления электрона с поверхности эмиттера, известна как работа выхода электрона (ϕ). Его значение характерно для материала эмиттера и обычно составляет от одного до пяти электрон-вольт.Некоторые электроны внутри эмиттера имеют энергию, превышающую работу выхода, и могут улетать. Пропорция зависит от температуры. Скорость, с которой электронный ток в амперах на квадратный метр излучается с поверхности эмиттера, определяется уравнением Ричардсона – Душмана; т.е. где T — абсолютная температура эмиттера в кельвинах, e — заряд электрона в кулонах, а k — газовая постоянная Больцмана в джоулях на кельвин. Параметр R также характерен для материала эмиттера.Это выражение для эмиссионного тока названо в честь Оуэна Уилланса Ричардсона и Сола Душмана, которые проделали новаторскую работу по этому явлению. Обратите внимание, что скорость излучения быстро увеличивается с температурой эмиттера и экспоненциально уменьшается с работой выхода. Поэтому желательно выбирать материал эмиттера, который имеет небольшую работу выхода и надежно работает при высоких температурах.

Механизм ухода электронов при термоэлектронном преобразовании энергии (A) Силовые линии электрического поля для электрона вблизи поверхности металла.(B) Линии электрического поля для заряда изображения + e и электрона на равных расстояниях по обе стороны от x = 0. Поле для x больше нуля идентично полю A. Encyclopædia Britannica, Inc.

Электроны, покидающие поверхность эмиттера, приобрели энергию, равную работе выхода, плюс некоторая избыточная кинетическая энергия. При попадании в коллектор часть энергии становится доступной, чтобы заставить ток течь через внешнюю нагрузку, тем самым обеспечивая желаемое преобразование тепловой энергии в электрическую.Часть этой энергии преобразуется в тепло, которое необходимо отводить для поддержания достаточно низкой температуры коллектора. Материал коллектора должен иметь небольшую работу выхода.

,

Тепло, работа и энергия

Тепло (энергия)

Единица измерения тепла (или энергии) в системе СИ составляет джоуль (Дж) .

С разницей температур

Другими единицами измерения тепла являются британская тепловая единица — британские тепловые единицы (количество тепла для подъема 1 фунта воды на 1 o F ) и Калорийность (количество тепла, чтобы поднять 1 грамм воды на 1 o C ( или 1 K )).

калорий определяется как количество тепла, необходимое для изменения температуры одного грамма жидкой воды на один градус Цельсия (или один градус Кельвина).

1 кал = 4,184 Дж

Тепловой поток (мощность)

Теплопередача только в результате разницы температур называется тепловым потоком . Единицы СИ для теплового потока: Дж / с или ватт (Вт) — то же, что и мощность. Один ватт определяется как 1 Дж / с .

Удельная энтальпия

Удельная энтальпия — это мера полной энергии в единице массы. Обычно используются единицы СИ: Дж / кг или кДж / кг .

Термин относится к общей энергии, обусловленной давлением и температурой текучей среды (например, воды или пара) в любой момент времени и при любых условиях. Точнее говоря, энтальпия — это сумма внутренней энергии и работы, совершаемой под действием приложенного давления.

Тепловая мощность

Тепловая мощность системы составляет

  • количество тепла, необходимое для изменения температуры всей системы на один градус .

Удельная теплоемкость

Удельная теплоемкость (= удельная теплоемкость) — это количество тепла, необходимое для изменения температуры на одну единица массы вещества на на один градус .

Удельная теплоемкость может быть измерена в Дж / г K, Дж / кг K , кДж / кг K, кал / гK или БТЕ / фунт o F и более ,

Никогда не используйте табличные значения теплоемкости, не проверив единицы фактических значений!

Удельную теплоемкость для обычных продуктов и материалов можно найти в разделе «Свойства материала».

Удельная теплоемкость — постоянное давление

Энтальпия — или внутренняя энергия — вещества зависит от его температуры и давления.

Изменение внутренней энергии относительно изменения температуры при фиксированном давлении — это удельная теплоемкость при постоянном давлении — c p .

Удельная теплоемкость — постоянный объем

Изменение внутренней энергии относительно изменения температуры при фиксированном объеме — это удельная теплоемкость при постоянном объеме — c v .

Если давление не очень высокое, работой, выполняемой приложением давления к твердым телам и жидкостям, можно пренебречь, а энтальпия может быть представлена ​​только компонентом внутренней энергии. Можно сказать, что теплота с постоянным объемом и постоянным давлением равна.

Для твердых и жидких веществ

c p = c v (1)

Удельная теплоемкость представляет собой количество энергии, необходимое для подъема 1 кг вещества к 1 o C (или 1 K) , и ее можно рассматривать как способность поглощать тепло.Единицы измерения удельной теплоемкости в системе СИ: Дж / кг · К (кДж / кг o C) . Вода имеет большую удельную теплоемкость 4,19 кДж / кг o C по сравнению со многими другими жидкостями и материалами.

  • Вода — хороший теплоноситель!

Количество тепла, необходимое для повышения температуры

Количество тепла, необходимое для нагрева объекта от одного температурного уровня до другого, может быть выражено как:

Q = c p m dT ( 2)

, где

Q = количество тепла (кДж)

c p = удельная теплоемкость (кДж / кг · K)

м = масса (кг )

dT = разница температур между горячей и холодной стороной (K)

Пример воды для отопления

Рассмотрим энергию, необходимую для нагрева 1.0 кг воды от 0 o C до 100 o C при удельной теплоемкости воды 4,19 кДж / кг o C :

Q = (4,19 кДж / кг o C ) (1,0 кг) ((100 o C) — (0 o C))

= 419 (кДж)

Работа

Работа и энергия с технической точки зрения — одно и то же, но работа — это результат, когда направленная сила (вектор) перемещает объект в одном направлении.

Объем выполненной механической работы можно определить с помощью уравнения, полученного из ньютоновской механики

Работа = Приложенная сила x Расстояние, перемещенное в направлении силы

или

W = F l (3)

, где

W = работа (Нм, Дж)

F = приложенная сила (Н)

l = длина или пройденное расстояние (м)

Рабочий стол также можно описать как произведение приложенного давления и вытесненного объема:

Работа = Приложенное давление x Вытесненный объем

или

W = p A l (3b)

, где

p = приложенное давление (Н / м 2 , Па)

A = под давлением площадь (м 2 )

l = длина или расстояние, на которое зона давления перемещается под действием приложенной силы (м)

Пример — Работа, совершаемая силой

Работа, совершаемая силой 100 Н перемещение тела 50 м можно рассчитать как

W = (100 Н) (50 м)

= 5000 (Нм, Дж)

Единица измерения — джоуль, J, который определяется как количество работы, выполненной, когда сила 1 ньютон действует на расстоянии 1 м в направлении силы.

1 Дж = 1 Нм

Пример — Работа под действием силы тяжести

Работа, выполненная при подъеме массы 100 кг на высоте 10 м может быть рассчитана как

W = F г ч

= mgh

= (100 кг) (9,81 м / с 2 ) (10 м)

= 9810 (Нм, Дж)

, где

F г = сила тяжести — или вес (Н)

г = ускорение свободного падения 9.81 (м / с 2 )

h = высота (м)

В британских единицах измерения единичная работа выполняется при весе 1 фунт f (фунт-сила) является поднимается вертикально против силы тяжести на расстояние 1 фут . Единица называется фунт-фут .

Поднят объект массой 10 снарядов 10 футов . Проделанная работа может быть рассчитана как

W = F г ч

= m g h

= (10 пробок) (32.17405 фут / с 2 ) (10 футов)

= 3217 фунтов f футов

Пример — Работа, связанная с изменением скорости

Работа, выполненная при массе 100 кг ускоряется от от скорости 10 м / с до скорости 20 м / с можно рассчитать как

W = (v 2 2 — v 1 2 ) м / 2

= ((20 м / с) 2 — (10 м / с) 2 ) (100 кг) / 2

= 15000 (Нм, Дж)

где

v 2 = конечная скорость (м / с)

v 1 = начальная скорость (м / с)

Energy

Energy — это способность делать работа (перевод с греческого — «работа внутри»).Единицей измерения работы и энергии в системе СИ является джоуль, определяемый как 1 Нм .

Движущиеся объекты могут выполнять работу, потому что обладают кинетической энергией. («кинетический» означает «движение» по-гречески).

Количество кинетической энергии, которой обладает объект, можно рассчитать как

E k = 1/2 мв 2 (4)

, где

м = масса объекта (кг)

v = скорость (м / с)

Энергия положения уровня (запасенная энергия) называется потенциальной энергией.Это энергия, связанная с силами притяжения и отталкивания между объектами (гравитация).

Полная энергия системы складывается из внутренней, потенциальной и кинетической энергии. Температура вещества напрямую связана с его внутренней энергией. Внутренняя энергия связана с движением, взаимодействием и связыванием молекул внутри вещества. Внешняя энергия вещества связана с его скоростью и местоположением и является суммой его потенциальной и кинетической энергии.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *