В. Даниель-Бек,
А. Воронин,
Н. Рогинская
До настоящего времени единственным источником электрического тока, пригодным для питания радиоприемников в неэлектрифицированных сельских местностях, служили батареи из гальванических элементов. Однако названные батареи обладают рядом недостатков, основным из которых является то, что из-за саморазряда такие источники тока могут сохраняться лишь ограниченное время и что напряжение на их зажимах при разряде нестабильно (оно снижается в процессе эксплуатации примерно на 50%).
В настоящее время у нас разработаны и осваиваются промышленностью новые источники питания для радиоустройств – термоэлектрогенераторы.
В данной статье дается описание принципа действия и устройства термоэлектрогенератора типа ТГК-3 мощностью 3 вт, предназначенного для питания сельских батарейных радиоприемников «Родина-47», «Родина-52», «Искра», «Таллин Б-2», «Тула» и т. п.
ПРИНЦИП РАБОТЫ ТЕРМОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРА
Действие термоэлектрогенератора основано на использовании термоэлектричсского эффекта, сущность которого заключается в том, что при нагревании места соединения (спая) двух разных металлов между их свободнымн концами, имеющими более низкую температуру, возникает разность потенциалов, или так называемая термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС). Если замкнуть такой термоэлемент (термопару) на внешнее сопротивление, то по цепи потечет электрический ток (рис. 1). Таким образом, при термоэлектрических явлениях происходит прямое преобразование тепловой энергии в электрическую.
Величина термоэлектродвижущей силы определяется приближенно по формуле:
Е = а(Т1 – Т2) (1)
Здесь Е – термоэлектродвижущая сила в вольтах, Т1 и Т2 – соответственно температура нагретого и холодного (холодных концов) спая термопары, а – коэффициент термо-ЭДС, зависящий от природы обоих металлов, образующих данную термопару, и выражающийся в микровольтах на градус.
Рис. 1. Схема включения термопары
Возьмем кольцевой проводник, состоящий из двух металлов А и Б (рис. 2), и нагреем места их соединения соответственно до температуры Т1 и Т2 так, чтобы Т1 было больше, чем Т2. В горячем спае такой термопары ток идет из металла Б в металл А, а в холодном спае из металла А в металл В. Принято считать в таком случае термоэлектродвижущую силу металла А положительной по отношению к металлу Б.
Все известные металлы можно расположить в последовательный ряд так, чтобы любой предыдущий металл имел положительную термоэлектродвижущую силу относительно последующего. Ниже приведены значения термоэлектродвижущей силы в милливольтах, развиваемой термопарой, в которой одним термоэлектродом служит указанный металл, а другим – платина, разность температур спаев которой равна 100° С (знаки «+» и « – », стоящие перед цифровыми данными термоэлектродвижущей силы, указывают полярность этой ЭДС относительно платины).
Сурьма + 4,7 Железо + 1,6 Кадмий + 0,9 Цинк + 0,7 Медь + 0,74 Золото + 0,73 Серебро + 0 71 Олово + 0,41 Алюминий + 0,38 Ртуть 0 Платина 0 Кобальт - 1, 52 Никель - 1,64 Константан (сплав меди и никеля) - 3,4 Висмут - 6,5
По приведенным выше данным легко подсчитать термоэлектродвижущую силу, развиваемую термопарой, составленной из любых указанных в таблице металлов. Она будет равна алгебраической разности термоэлектродвижущих сил двух термоэлектродов, для каждого из которых эта величина дается относительно платины. Так, например, термоэлектродвижущая сила пары висмут – сурьма , составит +4,7- ( – 6,5) = 11,2 мв,
а пары железо – алюминий +1,6 –– (+ 0,38) = 1,22 мв.
Рис.2. Кольцевой проводник, составленный из двух разных металлов
Если температуру холодного спая термопары поддерживать постоянной, термоэлектродвижущая сила будет изменяться приблизительно пропорционально изменению температуры горячего спая. Это дает возможность применять термопары для измерения тсмпературы.
Наряду с использованием термоэлектрических явлений для измерительных целей, начиная с середины прошлого столетия, делались многочисленные попытки применить термоэлементы для энергетических целей, т. е. использовать батареи из последовательно соединенных термоэлементов в качестве источников электрической энергии. На рис. 3 показано схематическое устройство термобатареи.
Рис. 3. Схематическое устройство термобатареи
Такой агрегат может найти практическое применение, если он будет обладать достаточно высоким коэффициентом полезного действия и сохранять свои свойства при длительной эксплуатации. Однако по причинам, о которых будет сказано дальше, до последнего времени не удавалось создать термоэлектрогенератор, удовлетворяющнй таким требованиям.
КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРА
Вследствие несовершенства нагревательных устройств далеко не вся тепловая энергия топлива поступает к горячим спаям термоэлементов. Кроме того, вследствие теплопроводности термоэлектродных материалов значительная часть тепла бесполезно расходуется, уходя от нагревателя через термоэлектроды к холодильнику. Наконец, не вся электрическая энергия, возникшая в результате термоэлектрического эффекта из тепловой энергии, отдается во внешнюю цепь. Часть этой энергии расходуется на преодоление внутреннего сопротивления термоэлемента. Поэтому полный КПД термогенератора получается низким.
Для увеличения термоэлектрического КПД, представляющего отношение отдаваемой термоэлектрогенератором электрической энергии к той части тепловой энергии, которая поступает к горячим спаям термоэлементов, следует стремиться:
1) повысить возможно более перепад температур между горячим и холодным спаями термоэлемента, т. е. работать при возможно более высокой температуре горячего спая, которая лимитируется температурами плавлении и жаростойкостью термоэлектродных материалов;
2) подбирать термоэлектродные материалы, развивающие в паре максимально высокую термоэлектродвижущую силу;
3) подбирать термоэлектродные материалы, у которых отношение средней теплопроводности к средней электропроводимости будет возможно меньшим.
Чисто металлические пары создают малую термоэлектродвижущую силу, поэтому КПД таких пар весьма низок (равен долям процента). Более высокие термо-ЭДС создает ряд веществ с полупроводниковыми свойствами (некоторые сульфиды, окислы, интерметаллические соединения). Но для этих веществ отношение средней теплопроводности к средней электропроводности бывает обычно выше, чем для чистых металлов. Однако термо-ЭДС некоторых полупроводниковых материалов настолько высока, что КПД термоэлементов, составленных. из подобных материалов, получается больше, чем в случае типичных металлов.
Применение веществ с полупроводниковыми свойствами затрудняется чрезвычайной хрупкостью этих веществ, легкой их окисляемостью, трудностью создания в горячем и холодном спаях контактов, устойчивых в условиях эксплуатации, а также сложностью технологии изготовления из этих материалов термоэлектродов с однозначными характеристиками. Из изложенного видно, что создать термоэлементы с достаточным КПД и с высоким сроком службы очень сложно. Этим и объясняются неудачные результаты многочисленых прежних попыток создания термоэлектрогенератора, приемлемого для энергетических целей.
Благодаря развитию отечественной науки и техники в настоящее время удалось построить пригодные ддя практики термоэлектргенераторы типа ТГК-3, которые имеют приемлемый (хотя и не очень высокий) КПД и достаточно высокий срок службы. Характеристики этого термоэлектрогенератора отнюдь не являются предельными. Надо полагать, что советские ученые дальнейшими своими работами достигнут значительного повышения этих характеристик.
Рис. 4. Устройство термоэлектрогенератора ТГК-3
КОНСТРУКЦИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРА ТГК-3
Термоэлектрогенератор ТГК-3 предназначен для питания индивидуальных радиоприемников в неэлектрифицированных местностях, где применяется керосиновое освещение. Поэтому в качестве источника тепловой энергии для термоэлектрогенератора было решено использовать обычную керосиновую лампу-"молнию" служащую одновременно и для целей освещения. Таким образом, термоэлектрогенератор ТГК-3 не требует специальных затрат топлива для своей работы.
В заголовке статьи показан внешний вид термоэлектрогенератора ТГК-3, а на рис.4 - его схематическое устройство. Лампа, обогревающая термоэлектрогенератор, имеет укороченное стекло без верхней цилинрической части. Внутрь этого стекла, непосредственно над пламенем лампы, входит нижняя часть металлического теплопередатчика, имеющего форму многогранной призмы 1. На боковой поверхности верхней части этого теплопередатчика, выступающей над стеклом, расположены блоки термобатареи 2.
Для использования теплопередачи не только путем лучеиспускания от пламени, но и путем конвекции теплопередатчик снабжен несколькими продольными каналами. По этим каналам горячие газы (продукты сгорания в смеси с избыточным воздухом) поступают в вытяжную трубу 3, расположенную над теплопередатчиком. Для охлаждения холодных спаев термоэлементов к внешним поверхностям блоков прижаты металлические радиаторные ребра 4. Таким образом здесь осуществляется воздушное охлаждение.
Термоэлектрогенератор имеет две самостоятельные термобатареи, состоящие из большого числа последовательно соединенных элементов. Одна из них, дающая напряжение 2 в при токе 2 а, служит для питания анодных цепей приемника через вибропреобразователь, и вторая, дающая такое же напряжение при токе 0,5 а - для питания нитей накала. Кроме того, накальная батарея имеет отвод на 1,2 в (при токе 0,36 а). Спаи термоэлементов электрически изолированы от нагревателя и от ребер.
По сравнению с сухими элементами и батареями, применяемыми в настоящее время для питания радиоприемников, термоэлектрогенератор имеет ряд важных преимуществ.
С экономической точки зрения одним из преимуществ является резкое уменьшение расхода цветных металлов. Кроме того, следует отметить, что термоэлектрогенератор может неограниченно долго храниться в нерабочем состоянии и обладает длительным сроком службы в условиях эксплуатации; он устойчив в работе, дает стабильное напряжение и не боится коротких замыканий. Так же как и сухие элементы и батареи, термоэлектрогенератор не требует специального ухода.
В настоящее время промышленность приступила к серийному выпуску термоэлектрогенераторов типа ТГК-3.
Журнал "Радио", №2, 1954 г., стр. 24
Комментарии