Определение коэффициента полезного действия низкотемпературного термоэлектрического преобразователя

Таким образом, осциллирующая ИК-сушка в определенных режимах (опыты 2, 4 см. в таблице) приводит к увеличению всхожести и энергии прорастания семян горчицы белой, т. е. к улучшению их кондиционных свойств, что имеет важное практическое значение.

Список литературы

1. Григорьев, И.В. Импульсная инфракрасная сушка семян овощных культур, нетрадиционных и редких растений: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.20.02 / И.В. Григорьев. — М.: ФГОУ ВПО МГАУ, 2010. — 16 с.

2. Володин, В.Г. Лазеры и наследственность растений / В.Г. Володин. — М.: Наука и техника, 1984. — 172 с.

3. Крокер, В. Физиология семян / В. Крокер, Л. Бартон. — М.: Иностранная литература, 1955. — 400 с.

4. Пенкин, А.А. Разработка устройства инфракрасного излучения для термической обработки зерна и локального обогрева: дис. ... канд. техн. наук: 05.18.12, 05.14.04 / А.А. Пенкин. — М.: ВИСХОМ, 2005. — 256 с.

5. Лудилов, В.А. Семеноведение овощных и бахчевых культур / В.А. Лудилов. — М.: ФГНУ «Росинформ-агротех». 2005. — 392 с.

УДК 621.313.12-027.236

С.А. Андреев, канд. техн. наук

А.А. Слепых

Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Целесообразность автономного энергообеспечения отдельных объектов АПК определяется рядом технических, экономических и социальных причин. К техническим причинам можно отнести отсутствие необходимости сооружения трубопроводов или линий электропередач, а также свободный режим энергопотребления в рамках выработанного объема энергии. Экономические причины сводятся к значительному снижению соответствующих капитальных, а иногда и эксплуатационных затрат, а социальные обусловлены экологическими факторами и независимостью потребителей энергии от ее поставщиков.

Один из способов автономного энергообеспечения основан на использовании низкопотенциального тепла грунтовых вод с последующим его преобразованием в высокопотенциальную энергию теплоносителя с помощью теплового насоса. При этом особый интерес представляют термоэлектрические тепловые насосы (термопреобразователи), которые в отличие от компрессионных или адсорбционных машин не требуют затрат внешней энергии. Для обеспечения работоспособности таких преобразователей в зимнее время года осуществляется извлечение грунтовых вод на поверхность, нагрев соответствующих поверхностей термопар и отвод теплоты в окружающую среду. По существу принцип действия таких преобразователей основан на эффекте Зеебека. Полученная с помощью термопар электроэнергия направляется на питание электронагревателей, образующих вторичный контур теплового насоса. Здесь небольшое количество

10

теплоносителя можно нагреть практически до любой температуры.

К сожалению, кпд термоэлектрических преобразователей пока остается весьма невысоким. Кроме того, расчетный перепад температур составляет всего 20.30 °С, что еще более снижает эффективность преобразования. Учитывая поисти-не неограниченные запасы низкопотенциальной энергии, перспектива ее беззатратного преобразования продолжает волновать разработчиков тепловых насосов.

Главными особенностями энергетической эффективности термоэлектрического преобразователя, принимая во внимание специфические особенности его эксплуатации, являются крайне малый градиент температур, а также ограниченность преобразованной энергии по минимуму, поскольку часть ее придется затратить на извлечение (подъем) грунтовой воды.

Наибольший интерес с точки зрения эффективности преобразователя представляет собой кпд.

Известно, что явление Зеебека, открытое в 1821 году, состоит в том, что в цепи, состоящей из разнородных материалов, возникает электродвижущая сила (термоэдс), если места контактов поддерживаются при разных температурах. В простейшем случае, когда такая цепь состоит из двух ветвей различных материалов, образуется термоэлемент или термопара. Возникающая термоэдс Е пропорциональна разности температур на контактах и некоторому коэффициенту термоэдс а, зависящему от материалов, составляющих ветви термопар:

E = (aj + ajXvj - V2),

где a и a2 — коэффициенты термоэдс материалов, численно равные разности потенциалов, возникающих при разности температур в 1 °C; v1 и v2 — температуры контактов на стыке ветвей.

Классическое представление о механизме возникновения термоэдс выглядит следующим образом. Энергия и скорости свободных электронов в любом проводнике зависят от температуры. В полупроводниках кинетическая энергия теплового движения электронов растет пропорционально температуре, а скорость — пропорционально квадратному корню из температуры. В металлах из-за вырождения эта зависимость значительно слабее [1]. Если вдоль проводника существует градиент температуры, то электроны приобретают на горячем конце более высокие скорости, чем на холодном. При этом начинается процесс диффузии электронов в направлении обратном градиенту температуры.

В результате этого на холодном конце проводника накапливается отрицательный заряд, а на горячем остается нескомпенсированный положительный заряд. Этот процесс диффузии электронов будет продолжаться до тех пор, пока возникшая таким образом разность потенциалов не скомпенсирует этот диффузионный поток электрическим током обратного направления, в результате чего установится стационарное состояние. Алгебраическая сумма таких разностей потенциалов в замкнутой цепи определяет первую составляющую термоэдс. Вторая составляющая термоэдс возникает вследствие того, что скачки потенциалов на контакте двух проводников (контактные разности потенциалов) также зависят от температуры. Разность «контактной разности потенциалов» на двух контактах, находящихся при разных температурах, и является второй составляющей в тер-моэдс цепи.

В случае дырочной проводимости все явления протекают точно таким же образом с той лишь разницей, что не электроны, а «дырки» устремляются от горячего конца к холодному, термоэдс имеет противоположный знак. Поэтому в цепи, состоящей из электронного и дырочного полупроводника, электродвижущие силы складываются. Необходимо отметить, чем меньше концентрация свободных электронов, тем нужно более сильное электрическое поле для создания электрического тока, равного по величине и обратного по направлению диффузионному потоку электронов, возникающему вследствие разности температур. Поэтому (а также вследствие отсутствия вырождения) термоэдс у полупроводников во много раз больше, чем у металлов; кпд термоэлемента измеряется отношением полезной мощности W, передан-

ной в нагрузку (потребителю), к количеству теплоты 2, отбираемому от источника тепла в единицу времени:

Ж

Q

Термоэлемент, один из спаев которого поддерживается при повышенной температуре V! за счет теплоты грунтовой воды, а второй остается при низкой температуре V2 благодаря интенсивному теплоотводу в окружающую среду, состоит из двух ветвей, имеющих противоположные знаки термоэлектродвижущих сил а! и а2.

Введем обозначения: I — длина ветвей термоэлемента; Л1! и Л2 — сечения ветвей; Р! и р2 — удельное сопротивление ветвей; Х1 и х2 — удельная теплопроводность материалов ветвей. Термоэлемент замкнут на внешнее омическое сопротивление г, в котором и выделяется интересующая нас мощность Ж:

W = IU =

E Er

Я + г Я + г’

где Е — полная электродвижущая сила термоэлемента которую находят так:

E = (aj + + 72);

Я — сопротивление термоэлемента; I — сила тока, про-

Е

текающего по цепи: I =-----; и — падение напряжения

Я + г Ег

на нагрузке при прохождении тока I: и =

R + r

В случае, когда S1 = S2 = S

R = (1 + Р2 )) •

Подставляя выражение (2) в условие (1), получим

E2r = (a1 + a2)2(v1 - v2)2 r

Ж =

(Я + г )2 (Я + г )2

Количество теплоты, отбираемое термоэлементом от грунтовой воды, будет состоять из потока теплоты, проходящей через термоэлемент за счет теплопроводности его ветвей

Б

Qt = (Xl + Х2 )(v1 -v2)-

и теплоты Пельтье, поглощающейся на горячем спае за счет прохождения тока I:

Qn = (ai + a2)7vj.

Таким образом, коэффициент полезного действия термоэлемента может быть определен отношением

W

Qt + Qn

Подставив значения количеств теплоты 2т и 2п, определяемые в соответствии с выражениями (3) и (4), в условие (5), получим

\2,

п =

(і + И2 ) (і -У2 )г

(Я + Г )2

(Иі + а2)1(1 ^ 1 + (Хі +Х2)і -У2)і

Я + г

( + а2 ) v1 + ( +%2 ) + г&

Обозначим: — = п. Тогда г = Яп = п(р, + р2),

Я у ’ &

а полное сопротивление цепи определится суммой:

— + Я = п

Б &

Сомножитель (р1 + р2) в правой части выражения (7) вынесем за скобки:

г + Я = ( + Р2 ) (П + 1) и исключим из записи (6) значения Я + г и г v1 + v2 п 1

П =

VI И + 11 + И + 1

у1 И + а2)

( + а 2 )2

Выразив величину —-----------г-;— ----г через г, по-

лучим

П =

(і + Х2 )(рі + Р2 ) V1 - V2 И 1 V1 И + 1 1 + и + 1 '

Для максимального значения г отношение сечений ветвей термоэлемента ^/^ должно отвечать выражению

& = /Р1Х2

При этом г =

*2 V Р2Х1

Для максимального значения коэффициента полезного действия необходимо подобрать оптимальное значение п, для чего, приравняв производную с1г\/с1п к нулю и обозначив соответственное значение п через п0, получим

по = V1 + ^.

При оптимальном п мощность, выделяемая в нагрузке, составит величину

Ж =

(Ио +1)2 Я

а формула для расчета коэффициента полезного действия (8) примет следующий вид:

п =

- У2 ^1 + VlZ -1 ^ +1

Для упрощения расчета авторы статьи не учитывали Джоулеву теплоту, выделяющуюся в ветвях термоэлемента, половина которой возвращается на горячий спай:

2

бдж = 112Д +

Я.

При существующих величинах п такое допущение не имеет существенного значения. При больших значениях коэффициента полезного действия пренебрегать этой величиной нельзя. С учетом Джоулевой теплоты формула (9) может быть записана так [2]:

п=

Как видно из полученных формул, кпд термоэлемента зависит от разности температур и от величины г, являющейся функцией коэффициентов термоэдс материалов, их удельного сопротивления и удельной теплопроводности. На рисунке представлены графики зависимости кпд термоэлемента от разности температур (точнее, от температуры холодного спая при температуре горячего спая 10 °С) и значений г в диапазоне от 0,5 • 10-3 до 3 • 10-3. В данном случае температура горячего спая соответствует температуре воды в скважине, а температура холодного — температуре окружающего воздуха.

Из анализа графиков легко заметить, что кпд термоэлектрического преобразователя при его эксплуатации в реальных условиях находится в пределах от 0,5 до 4,5 %. Полученное значение кпд оказывается довольно низким. Некоторого его повышения можно добиться за счет использования термоэлементов с многослойной структурой, хотя при этом возрастает его стоимость. В то же время низкий кпд не должен «отпугивать» исследователей в свете отсутствия затрат на получение энергии в первичном контуре.

Выводы

1. Коэффициент полезного действия термоэлектрического преобразователя является функцией разности температур и коэффициентов термоэдс материалов, их удельного сопротивления и удельной теплопроводности.

2. В условиях малой разности температур, когда термоэлектрический преобразователь работает в режиме теплового насоса на разности температур

V

П, о.е 0,045 т-

0,04

0,035

0,03

0,025

0,02

0,015

0,01

0,005

0 0 -

Графики

1 —

1

2

3

4

--5

зависимости кпд термоэлемента от температуры наружного воздуха при температуре воды в скважине 10 °С и значений г.

г = 3 • 10-3; 2 — г = 2,5 • 10-3; 3 — г = 2 • 10-3; 4 — г = 1,5 • 10-3;

5 — г = 1 • 10-3; 6 — г = 0,5 • 10-3

воды в скважине и наружного воздуха, его кпд составляет величину в диапазоне от 0,5 до 4,5 %.

3. Принимая во внимание отсутствие затрат на получение энергии в первичном контуре термоэлектрического преобразователя, его низкий кпд не должен являться причиной признания принципа работы термоэлектрического теплового насоса нерентабельной.

Список литературы

1. Шалыт, С.С. Электрические свойства полупроводников / С.С. Ша-лыт // Изд-во АН СССР. Сер. «Полупроводники». — 1956. — Вып. 1, 2. — 88 с.

2. Поздняков, Б.С. Термоэлектрическая энергетика / Б.С. Поздняков, Е.А. Коптелов. — М.: Атомиздат, 1974. — 264 с.

УДК 537.528

Б.П. Чесноков, канд. хим. наук О.В. Наумова, канд. техн. наук

Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова Ю.А. Ажгалиев, канд. техн. наук

Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина

В.Г. Ребров, канд. биол. наук Н.В. Пышкина

Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО РАЗРЯДА НА РАСТВОР МЕДНОГО КУПОРОСА

Необычайно высокая чувствительность воды к физическим воздействиям, способных перестраивать структуру и изменять свойства растворов при малых электрических затратах, делают актуальными исследования по использованию элек-трогидравлического эффекта [1].

Наиболее показательными и информативными стали исследования по воздействию высоковольтного разряда на изменение спектра пропускания (поглощения) радиоволн, повышение щелочных свойств за счет уменьшения содержания свободных молекул и как следствие повышение растворимости, а также образование четких структур [2, 3, 4].

Изучить механизм модифицирования воды и растворов в результате активации электроим-пульсной обработкой невозможно без использования высокочувствительной аппаратуры, позволяющей регистрировать изменения на наноуровне

и выдавать сведения о физическом и структурном состоянии жидкостей. Для этого использовался метод и аппаратура на основе трансмиссионно-резонансной КВЧ/СВЧ-радиоспектроскопии, разработанные учеными СФИР РАН Н.И. Синициным, Е.И. Петросяном и В.А. Елкиным [5, 6].

Основной задачей работы являлось изучение изменения оптической плотности раствора медного купороса при использовании энергии высоковольтного разряда в процессе его получения. Методика эксперимента включала в себя получение насыщенного раствора медного купороса с последующей обработкой его высоковольтным источником мощностью 8 кВ при различном количестве разрядных импульсов (п = 3, 5, 7, 11).

Наиболее показательным и информативным критерием обработки стали заметные изменения оптических спектров поглощения.

13