Un metodo per convertire l'energia elettrica in calore e creare scambio termico

Tra i tanti dispositivi che permettono di generare energia elettrica, un posto speciale è occupato dai dispositivi che permettono di convertire l'energia termica in energia elettrica. Il loro compito principale è la conversione diretta di un tipo di energia in un altro con un numero minimo di diversi collegamenti intermedi. Allo stesso tempo, viene risolto il problema dell'aumento del coefficiente azione utile di questo processo.

Dispositivo convertitore

Il dispositivo convertitore è costituito da elementi riscaldati e energia elettrica. Per la produzione di elementi riscaldati viene utilizzato materiale magnetico morbido, il cui punto di Curie è abbassato. Perde le sue proprietà magnetiche quando riscaldato e subisce una transizione di fase.

Questi elementi sono inclusi in un circuito magnetico a forma di lettera F. Ha un'asta centrale e due laterali. Le aste laterali sono costituite da due elementi, tra i quali sono presenti degli spazi d'aria. Sono adiacenti all'asta centrale e rispetto ad essa si trovano simmetricamente su entrambi i lati.

Gli elementi riscaldati sono collegati tramite una barra rigida. È installato su una cerniera situata sul bordo dell'asta centrale lungo l'asse di simmetria. Quando la barra cambia posizione, gli elementi riscaldati colmano alternativamente i traferri delle aste laterali. Negli spazi d'aria è presente un tubo termico attraverso il quale il calore viene fornito dal riscaldatore. Se non vi è alcun collegamento tra gli spazi d'aria, gli elementi riscaldati entrano in contatto con il radiatore. Nell'asta centrale è presente l'avvolgimento di eccitazione alimentato da corrente continua; sulle aste laterali sono posizionati gli avvolgimenti generatori del generatore.

Funzionamento pratico del convertitore

La conversione dell'energia termica in energia elettrica viene effettuata secondo un determinato schema. Quando viene applicata potenza all'avvolgimento, viene generato un flusso magnetico divergente lungo le aste laterali. L'elemento mobile viene attratto dall'asta laterale e chiude il traferro necessario. Il flusso magnetico aumenta e l'elemento riscaldato cade sotto l'influenza del conduttore di calore. Viene riscaldato a una certa temperatura alla quale si verifica la perdita delle proprietà magnetiche.

L'elemento mobile viene attratto dallo spazio e il circuito magnetico dell'asta laterale viene chiuso. Pertanto, in una delle aste laterali il campo magnetico aumenta e nell'altra diminuisce. Questo processo viene ripetuto più volte. Il risultato finale di tutte queste azioni è. La sua quantità e potenza dipendono interamente dalla velocità con cui vengono forniti il ​​calore e il raffreddamento. Ciò è anche responsabile dell’efficienza dell’intero sistema.

Sorgenti fisiche di corrente

Come sai, tutti i corpi sono costituiti da molecole e queste molecole non sono a riposo, ma si muovono costantemente. Più alta è la temperatura corporea, più movimento più veloce molecole della sostanza di questo corpo. Quando si passa corrente elettrica Lungo un conduttore, gli elettroni entrano in collisione con le molecole in movimento del conduttore e aumentano il loro movimento, il che porta al riscaldamento del conduttore.

Un aumento della temperatura del conduttore si verifica a seguito della conversione dell'energia elettrica in energia termica. In precedenza (vedi § 13) si otteneva un'espressione per il lavoro della corrente elettrica (energia elettrica)

A = I 2 rt joule.

Questa dipendenza fu inizialmente stabilita (nel 1841) come risultato di esperimenti del fisico inglese Joule e un po' più tardi (nel 1844) indipendentemente dall'accademico russo Lenz.

Affinché la quantità di energia termica ricevuta possa essere espressa in calorie, è necessario inserire inoltre un fattore 0,24, poiché 1 J = 0,24 cal. Allora Q = 0,24I 2 rt. Questa equazione esprime la legge di Joule-Lenz.

Emilius Christianovich Lenz (1804-1865) stabilì le leggi azione termica corrente, generalizzato gli esperimenti su induzione elettromagnetica, presentando questa generalizzazione sotto forma di “regola di Lenz”. Nelle sue opere sulla teoria macchine elettriche Lenz descrisse il fenomeno della “reazione dell'armatura” nelle macchine a corrente continua e dimostrò il principio di reversibilità delle macchine elettriche. Lenz, lavorando con Jacobi, studiò la forza di attrazione degli elettromagneti e stabilì la dipendenza del momento magnetico dalla forza magnetizzante.

Pertanto, la quantità di calore generata dalla corrente quando passa attraverso un conduttore dipende dalla resistenza r del conduttore stesso, dal quadrato della corrente I 2 e dalla durata del suo passaggio t.

Esempio 1. Determina quanto calore genererà una corrente di 6 A quando passa attraverso un conduttore con una resistenza di 2 ohm per 3 minuti.

Q = I 2 rt = 36 ⋅ 2 ⋅ 180 = 12960 J.

La formula della legge Joule-Lenz può essere scritta come segue.

Il metodo viene realizzato utilizzando come elemento riscaldante una o più spire chiuse di un conduttore di corrente elettrica, formando l'avvolgimento secondario di un trasformatore elettrico, ed introducendo il liquido refrigerante a contatto con le superfici del conduttore. L'invenzione migliora l'affidabilità della conversione dell'energia elettrica durante lo scambio termico. 1 stipendio, 1 malattia.

L'invenzione riguarda la tecnologia per convertire l'energia elettrica in calore e creare scambio termico. Può essere utilizzato per il riscaldamento di liquidi nei sistemi di preriscaldamento per motori a combustione interna, riscaldamento e fornitura di acqua calda di imprese industriali e edifici residenziali, per riscaldare plasma e altre sostanze. Esiste un metodo noto per convertire l'energia elettrica in calore e creare uno scambio termico, basato sul passaggio diretto di corrente elettrica attraverso il liquido di raffreddamento, creato fornendo tensione di rete attraverso conduttori di corrente agli elettrodi (vedi A.P. Althauzen et al., "Low- riscaldamento elettrico a temperatura”, Mosca, Energia, 1968). Viene utilizzato per riscaldare liquidi, cemento e per scongelare terreno, minerali, sabbia e altre sostanze. I principali svantaggi di questo metodo sono l'aumento del rischio elettrico dovuto a tensioni relativamente elevate (380 V o 220 V), nonché la dipendenza del riscaldamento elettrico e del trasferimento di calore dalla resistenza elettrica del liquido di raffreddamento. In particolare, all'acqua riscaldata vengono aggiunti speciali additivi per garantire un determinato valore di resistenza elettrica. Esiste un metodo noto per convertire l'energia elettrica in calore e creare uno scambio di calore tra l'elemento riscaldante e il liquido di raffreddamento, inclusa l'alimentazione di energia elemento riscaldante, che è un tubo metallico all'interno del quale è inserita una spirale di riscaldamento pressata in un riempitivo speciale, che fa passare una corrente elettrica attraverso la spirale di riscaldamento (vedi A.P. Althauzen et al., "Riscaldamento elettrico a bassa temperatura", Mosca, Energia, 1968). Questo metodo si è diffuso in vari campi. economia nazionale. Tubolare riscaldatore elettrico(elemento riscaldante) può essere collocato in acqua, sali, metallo liquido, muffa, basamento del motore a combustione interna, ecc. Viene comunque fornita la batteria riscaldata tensione elettrica direttamente dalla rete di alimentazione e la tensione di alimentazione relativamente elevata non consente la riduzione resistenza elettrica spirale, che comporta la necessità di isolamento elettrico della spirale per garantire la sicurezza elettrica e che a sua volta riduce la conduttività termica tra la spirale e il tubo metallico, e quindi peggiora lo scambio termico tra l'elemento riscaldante (ohm) e il liquido refrigerante in quanto Totale. L'isolamento elettrico della spirale non esclude la possibilità di una sua rottura elettrica e di contatto con il tubo metallico dell'elemento riscaldante (a) potenziale elettrico, il che comporta la necessità della sua messa a terra. Inoltre, gli elementi riscaldanti hanno una durata operativa limitata a causa della combustione della bobina. Esiste un metodo noto per convertire l'energia elettrica in calore e creare scambio termico, chiamato " Saldatura a resistenza"(vedi N.S. Kabanov, "Saldatura su macchine a contatto", Mosca, casa editrice "Scuola superiore", 1985; Yu.N. Bobrinsky e N.P. Sergeev, "Progettazione e regolazione delle macchine per saldatura a contatto", Mosca, casa editrice "Ingegneria meccanica ", 1967; V.G. Gevorkyan, "Fondamenti di saldatura", Mosca, casa editrice "Scuola superiore", 1991). questo metodo l'elemento riscaldante e refrigerante è il metallo da saldare, che chiude l'avvolgimento secondario trasformatore di saldatura, per cui attraverso un circuito chiuso scorre una corrente elettrica sufficiente a riscaldare e saldare il metallo. In questo caso, ogni spira dell'avvolgimento secondario del trasformatore è una fonte di elettricità separata, poiché copre lo stesso flusso magnetico creato nel nucleo magnetico dall'avvolgimento primario del trasformatore. Questo metodo è un prototipo. Lo svantaggio di questo metodo è che è applicabile solo a liquidi refrigeranti con resistenza elettrica relativamente bassa. Nel caso di utilizzo di un liquido, ad esempio l'acqua, bisognerebbe abbandonare la riduzione di tensione tramite trasformatore, e il metodo diventerebbe il primo considerato con tutti i suoi svantaggi. La sicurezza e l'affidabilità della conversione dell'energia elettrica in calore e l'efficienza del trasferimento di calore nel metodo proposto si ottengono utilizzando una spira chiusa di un conduttore di corrente elettrica o più spire che formano l'avvolgimento secondario del trasformatore come elemento riscaldante e introducendo il liquido di raffreddamento a contatto con le superfici del conduttore. Quando una spira del conduttore che copre il circuito magnetico del trasformatore è chiusa, in essa viene indotta una forza elettromotrice inferiore a quella fornita all'avvolgimento primario nel numero delle sue spire, il che garantisce la sicurezza elettrica, e la corrente che scorre attraverso il la spira chiusa aumenta notevolmente a causa della bassa resistenza elettrica della spira e la riscalda indipendentemente dalla resistenza elettrica del liquido di raffreddamento. Allo stesso tempo, il contatto diretto del liquido refrigerante con le superfici di una bobina di conduttore chiusa aumenta l'efficienza del trasferimento di calore grazie ad una forte riduzione delle perdite di calore. È possibile creare condizioni che escludano la possibilità di esaurimento del turno, garantendo l'affidabilità della conversione. Nel disegno è mostrato un esempio di attrezzatura che implementa il metodo proposto. Il metodo viene eseguito come segue. Utilizzando l'interruttore K, l'avvolgimento primario del trasformatore con il numero di giri W 1 è collegato alla rete a corrente alternata. Nel circuito magnetico 1 si forma un flusso magnetico alternato, che induce una fem nelle spire chiuse dei conduttori 2 e 3 e provoca in essi una corrente elettrica, riscaldandoli. Il conduttore 2 è realizzato sotto forma di tubo, il conduttore 3 è costituito da un fascio chiuso fili di rame. Nell'ingresso A viene introdotto un refrigerante freddo, ad esempio acqua, che entra all'interno del conduttore 2 e lava l'esterno del conduttore 3. Lo scambio di calore avviene attraverso l'interfaccia tra i conduttori 2 e 3 e il refrigerante, il refrigerante si riscalda e, a causa convezione, scorre verso l'uscita B. In un caso particolare, il conduttore 3 può essere assente (è necessario quando la resistenza elettrica del conduttore 2 non corrisponde alla potenza del trasformatore). In un altro caso particolare, per impedire la dissipazione del calore dalla superficie esterna del conduttore 2, si può utilizzare un tubo isolante elettrico al posto del conduttore 2, e quindi il calore fluirà nel liquido refrigerante solo dal conduttore 3. Nel terzo caso, il il conduttore può essere il liquido refrigerante stesso, posto all'interno del tubo isolante o in un volume di altra forma che racchiude il circuito magnetico. Un esempio di un'implementazione specifica del metodo. È stato preso un radiatore in acciaio stampato di grado 2M3-500 (vedi p. 189, Manuale di lavori speciali a cura di N.A. Kokhanenko, Mosca, casa editrice di letteratura edilizia, 1964) con una superficie di riscaldamento equivalente di 3,53 ecm (equivalente a 11 - sezione radiatore in ghisa M-140 secondo GOST 8690-58) con una capacità di 13,3 litri. Da tubo d'acciaio con diametro di 3/4" è stata realizzata una bobina chiusa che ricopre il circuito magnetico di un trasformatore di potenza con potenza di 1,5 kW. L'ingresso della curva A era collegato all'uscita (tubo nella parte inferiore del radiatore installato verticalmente) e l'uscita della curva B era collegata all'ingresso del radiatore (tubo nella parte superiore) mediante tubi di gomma. Nella parte superiore del radiatore è stato installato un vaso di espansione con una capacità di 0,25 litri. Quindi il sistema (radiatore - bobina) è stato riempito con acqua e l'avvolgimento primario del trasformatore è stato collegato ad una rete con una tensione di 220 V. La temperatura attorno al radiatore prima dell'accensione del trasformatore era di 4,5 o C in una stanza con un volume di 300 m3. Dopo aver acceso il trasformatore, sono state misurate la tensione elettrica sulla spira di 0,8 V e la corrente elettrica che passa attraverso la spira, che ammontava a 1875 A. Dopo 20 minuti, la temperatura dell'acqua nel radiatore è aumentata a 96 o C (la temperatura iniziale la temperatura dell'acqua era di 12 o C), dopodiché utilizzando un sistema di controllo a tiristori, la potenza consumata dalla rete è stata inizialmente ridotta a 800 W, garantendo così il mantenimento della temperatura dell'acqua a 82 o C, e poi dopo 2 ore a 500 W , che assicurava che la temperatura dell'acqua fosse mantenuta a 60 o C. Come risultato, dopo un test di 4 ore, la temperatura ambiente ha raggiunto 18 o C. Il giorno successivo il sistema è stato acceso con un consumo energetico di 1,5 kW. Dopo 4 ore la temperatura ambiente ha raggiunto i 23°C, dopodiché il sistema è stato commutato al consumo di 500 W e utilizzato per 1 mese come dispositivo di riscaldamento. Sono stati effettuati test sul riscaldamento di un sistema di riscaldamento con una capacità di 150 litri utilizzando il metodo proposto con un consumo energetico di 800 W. Durante i test, il riscaldamento dell'acqua è stato impostato da 16 o C a 58,5 o C in 7 ore, dopodiché il sistema è passato a una modalità che manteneva la temperatura a 58 o C con un consumo energetico di 500 W. Sono state effettuate prove introducendo in una bobina chiusa di un tubo di acciaio un fascio di fili di rame chiusi mediante saldatura (conduttore 3). Come risultato dei test, è stato stabilito che, utilizzando il conduttore 3, è possibile ridurre la resistenza elettrica equivalente delle spire chiuse entro quasi tutti i limiti e aumentare il consumo energetico fino al completo carico del trasformatore. I test hanno dimostrato la possibilità di ridurre il consumo di elettricità di 1,5-2 volte utilizzando il metodo proposto rispetto a quelli tradizionali.

Formula d'invenzione

1. Un metodo per convertire l'energia elettrica in calore e creare uno scambio di calore tra un elemento riscaldante e un liquido di raffreddamento, utilizzando come elemento riscaldante l'avvolgimento secondario di un trasformatore elettrico, realizzato sotto forma di una bobina di conduttore chiusa sotto forma di tubo con ingresso e uscita del refrigerante, caratterizzato dal fatto che fornisce la convezione del refrigerante attraverso l'elemento riscaldante collegando il suo ingresso con l'uscita del refrigerante dal radiatore e l'uscita del refrigerante dall'elemento riscaldante con l'ingresso del radiatore, i collegamenti sono realizzati con tubi flessibili, il il radiatore è installato verticalmente in modo che l'uscita del liquido di raffreddamento dal radiatore si trovi nella sua parte inferiore, nella parte superiore del radiatore è installato un vaso di espansione e l'intero sistema è riempito di liquido di raffreddamento e il trasformatore è collegato alla rete. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la spira chiusa a forma di tubo è realizzata in materiale isolante elettrico e al suo interno sono installate una o più spire chiuse del conduttore.

DISEGNI

MM4A Risoluzione anticipata di un brevetto della Federazione Russa per un'invenzione a causa del mancato pagamento della tassa per il mantenimento in vigore del brevetto entro il termine prescritto

Energia termica occupa un posto speciale nell'attività umana, poiché è utilizzato in tutti i settori dell'economia, accompagna la maggior parte processi industriali e il sostentamento delle persone. Nella maggior parte dei casi, il calore disperso viene perso irrimediabilmente e senza alcun vantaggio economico. Questa risorsa sprecata non vale più nulla, quindi riutilizzarla aiuterà sia a ridurre la crisi energetica che a proteggere l’ambiente. Pertanto, i nuovi metodi per convertire l’energia termica in energia elettrica e il calore di scarto in elettricità sono oggi più importanti che mai.

La conversione delle fonti energetiche naturali in elettricità, calore o energia cinetica richiede massima efficienza, soprattutto nelle centrali elettriche a gas e carbone, per ridurre le emissioni di CO 2 . Ci sono vari modi conversione dell'energia termica in energia elettrica, a seconda delle tipologie di energia primaria.

Tra le risorse energetiche, il carbone e il gas naturale vengono utilizzati per generare elettricità attraverso la combustione (energia termica) e l'uranio attraverso la fissione nucleare (energia nucleare) per utilizzare l'energia del vapore per azionare una turbina a vapore. Nella foto sono presentati i dieci maggiori paesi produttori di energia elettrica per il 2017.

Tabella delle prestazioni sistemi esistenti conversione dell’energia termica in energia elettrica.

La scelta del metodo di conversione dell'energia termica in energia elettrica e la sua fattibilità economica dipendono dal fabbisogno energetico, dalla disponibilità di combustibile naturale e dall'adeguatezza del cantiere. Il tipo di generazione varia in tutto il mondo, determinando un’ampia gamma di prezzi dell’elettricità.

Le tecnologie per la conversione dell'energia termica in energia elettrica, come centrali termiche, centrali nucleari, IES, centrali elettriche con turbine a gas, centrali termoelettriche, generatori termoelettrici, generatori MHD hanno diversi vantaggi e svantaggi. L'Electric Power Research Institute (EPRI) illustra i pro e i contro delle tecnologie di generazione di energia naturale, esaminando fattori critici come costi energetici e di costruzione, terreno, fabbisogno idrico, emissioni di CO 2, rifiuti, accessibilità e flessibilità.

I risultati dell'EPRI evidenziano che quando si considerano le tecnologie di generazione di energia, non esiste un approccio unico per risolvere tutti i problemi, ma comunque più benefici Il gas naturale, che è conveniente per l’edilizia, ha bassi costi dell’elettricità e crea meno emissioni rispetto al carbone. Tuttavia, non tutti i paesi hanno accesso ad risorse abbondanti ed economiche gas naturale. In alcuni casi, come nel caso precedente, l’accesso al gas naturale è minacciato a causa delle tensioni geopolitiche Europa orientale e alcuni paesi dell’Europa occidentale.

Le tecnologie energetiche rinnovabili come i moduli solari fotovoltaici producono elettricità emissiva. Tuttavia, tendono a richiedere molta terra e i loro risultati di efficacia sono variabili e dipendenti dalle condizioni meteorologiche. Il carbone, la principale fonte di calore, è la più problematica. È responsabile delle emissioni di CO 2 e ne richiede molta acqua pulita per raffreddare il liquido di raffreddamento e riprende vasta area per la costruzione della stazione.

Le nuove tecnologie mirano a ridurre una serie di problemi associati alle tecnologie di produzione di energia. Ad esempio, le turbine a gas abbinate alle batterie di backup forniscono riserve di emergenza senza bruciare carburante, e le sfide intermittenti legate alle risorse rinnovabili possono essere mitigate creando uno stoccaggio energetico accessibile e su larga scala. Pertanto, oggi non esiste un unico metodo perfetto per convertire l'energia termica in energia elettrica che possa fornire un'energia affidabile ed economica elettricità efficiente con un impatto minimo su ambiente.

Centrali termoelettriche

Nelle centrali termoelettriche, vapore ad alta pressione e temperatura ottenuto dal riscaldamento dell'acqua durante la combustione combustibile solido(principalmente carbone), fa ruotare una turbina collegata ad un generatore. Pertanto, converte la sua energia cinetica in energia elettrica. Componenti operativi di una centrale termoelettrica:

1. Caldaia con focolare a gas.
2. Turbina a vapore.
3. Generatore.
4. Condensatore.
5. Torri di raffreddamento.
6. Pompa di circolazione dell'acqua.
7. Pompa di alimentazione acqua caldaia.
8. Costretto ventilatori di scarico.
9. Separatori.

Di seguito è presentato un diagramma tipico.

Una caldaia a vapore viene utilizzata per convertire l'acqua in vapore. Questo processo viene eseguito riscaldando l'acqua nei tubi con il calore derivante dalla combustione del carburante. I processi di combustione vengono eseguiti continuamente nella camera di combustione del carburante con aria fornita dall'esterno.

Una turbina a vapore trasferisce l'energia del vapore per azionare un generatore. Il vapore ad alta pressione e temperatura spinge le pale della turbina montate sull'albero in modo che inizi a ruotare. In questo caso, i parametri del vapore surriscaldato che entra nella turbina vengono ridotti allo stato saturo. Il vapore saturo entra nel condensatore e la potenza del rotore viene utilizzata per far ruotare il generatore, che produce corrente. Oggi quasi tutte le turbine a vapore sono del tipo a condensatore.

I condensatori sono dispositivi per convertire il vapore in acqua. Il vapore scorre all'esterno dei tubi e l'acqua di raffreddamento scorre all'interno dei tubi. Questo disegno è chiamato condensatore di superficie. La velocità di trasferimento del calore dipende dal flusso dell'acqua di raffreddamento, dalla superficie dei tubi e dalla differenza di temperatura tra il vapore acqueo e l'acqua di raffreddamento. Il processo di trasformazione del vapore acqueo avviene a pressione e temperatura sature, in questo caso il condensatore è sotto vuoto perché la temperatura dell'acqua di raffreddamento è uguale alla temperatura esterna, temperatura massima condensazione di acqua in prossimità della temperatura esterna.

Il generatore converte l'energia meccanica in uno statore e un rotore. Lo statore è costituito da un alloggiamento che contiene bobine e la stazione del rotore del campo magnetico è costituita da un nucleo contenente una bobina.

In base alla tipologia di energia generata, le centrali termoelettriche si dividono in condensazione IES, che producono energia elettrica e centrali di cogenerazione (CHP), che producono congiuntamente energia termica (vapore e acqua calda) e l'energia elettrica. Questi ultimi hanno la capacità di convertire l'energia termica in energia elettrica alta efficienza.

Centrali nucleari

Le centrali nucleari utilizzano il calore rilasciato durante la fissione nucleare per riscaldare l’acqua e produrre vapore. Il vapore viene utilizzato per far girare grandi turbine che generano elettricità. Durante la fissione, gli atomi vengono divisi per formarne di più piccoli atomi, liberando energia. Il processo avviene all'interno del reattore. Al centro c'è un nucleo contenente uranio 235. Il combustibile per le centrali nucleari è ottenuto dall'uranio, che contiene l'isotopo 235U (0,7%) e il 238U non fissile (99,3%).

Il ciclo del combustibile nucleare è una serie di fasi industriali coinvolte nella produzione di elettricità dall'uranio nei reattori nucleari. L'uranio è un elemento relativamente comune che si trova in tutto il mondo. Viene estratto in numerosi paesi e lavorato prima di essere utilizzato come combustibile.

Le attività legate alla produzione di energia elettrica appartengono complessivamente al ciclo del combustibile nucleare per la conversione dell'energia termica in energia elettrica nelle centrali nucleari. Il ciclo del combustibile nucleare inizia con l’estrazione dell’uranio e termina con lo smaltimento delle scorie nucleari. Quando si ritratta il combustibile usato come opzione per l'energia nucleare, le fasi formano un vero e proprio ciclo.

Per preparare il combustibile da utilizzare nelle centrali nucleari, vengono eseguiti processi di estrazione, lavorazione, conversione, arricchimento e rilascio di elementi combustibili. Ciclo del carburante:

1. Esaurimento dell'uranio 235.
2. Scorifica - 235U e (239Pu, 241Pu) da 238U.
3. Durante il decadimento dell'235U, il suo consumo diminuisce e gli isotopi dell'238U vengono ottenuti durante la generazione di energia elettrica.

Il costo delle barre di combustibile per VWR ammonta a circa il 20% del costo dell'elettricità generata.

Dopo che l’uranio ha trascorso circa tre anni nel reattore, il combustibile usato può passare attraverso un altro processo di utilizzo, compreso lo stoccaggio temporaneo, il ritrattamento e il riciclaggio prima che i rifiuti vengano smaltiti. Le centrali nucleari forniscono la conversione diretta dell'energia termica in energia elettrica. Il calore generato dalla fissione nucleare nel nocciolo del reattore viene utilizzato per trasformare l'acqua in vapore, che trasforma le pale delle turbine a vapore in generatori di energia che producono elettricità.

Il vapore viene raffreddato in acqua in una struttura separata in una centrale elettrica chiamata torre di raffreddamento, che utilizza l'acqua proveniente da stagni, fiumi o oceano per raffreddare l'acqua pulita del circuito di energia del vapore. L'acqua raffreddata viene quindi riutilizzata per produrre vapore.

La quota di produzione di elettricità nelle centrali nucleari, in relazione al bilancio complessivo della loro produzione diversi tipi risorse, nel contesto di alcuni paesi e nel mondo - nella foto sotto.

Il principio di funzionamento di una centrale elettrica con turbina a gas è simile al funzionamento di una centrale elettrica con turbina a vapore. L'unica differenza è che una centrale elettrica con turbina a vapore utilizza vapore compresso per ruotare la turbina, mentre una centrale elettrica con turbina a gas utilizza il gas.

Consideriamo il principio di conversione dell'energia termica in energia elettrica in una centrale elettrica a turbina a gas.

In una centrale elettrica con turbina a gas, l'aria viene compressa in un compressore. Questa aria compressa passa poi attraverso la camera di combustione, dove si forma una miscela gas-aria e la temperatura aumenta aria compressa. Questa miscela ad alta temperatura e alta pressione passa attraverso turbina a gas. Nella turbina si espande bruscamente, ricevendo energia cinetica sufficiente per far ruotare la turbina.

In una centrale elettrica con turbina a gas, l'albero della turbina, l'alternatore e il compressore d'aria sono comuni. L'energia meccanica creata nella turbina viene parzialmente utilizzata per comprimere l'aria. Le centrali elettriche a turbina a gas sono spesso utilizzate come fornitore di riserva di energia ausiliaria per le centrali idroelettriche. Genera potenza ausiliaria durante l’avvio di una centrale idroelettrica.

La progettazione di una centrale elettrica con turbina a gas è molto più semplice di una centrale elettrica con turbina a vapore. La dimensione di una centrale elettrica con turbina a gas è inferiore a quella di una centrale elettrica con turbina a vapore. Non è presente alcuna componente caldaia e quindi il sistema è meno complesso. Non c'è vapore, quindi non è necessario alcun condensatore o torre di raffreddamento.

La progettazione e la costruzione di potenti centrali elettriche a turbina a gas è molto più semplice ed economica, i costi di capitale e i costi operativi sono significativamente inferiori al costo di una centrale elettrica con turbina a vapore simile.

Le perdite costanti in una centrale elettrica con turbina a gas sono significativamente inferiori rispetto a una centrale elettrica con turbina a vapore, poiché in una turbina a vapore presa della corrente La caldaia deve funzionare ininterrottamente, anche quando l'impianto non fornisce carico alla rete. Una centrale elettrica a turbina a gas può essere avviata quasi istantaneamente.

Svantaggi di una centrale elettrica a turbina a gas:

1. L'energia meccanica creata nella turbina viene utilizzata anche per far funzionare il compressore d'aria.
2. Poiché la parte principale dell'energia meccanica creata nella turbina viene utilizzata per il controllo compressore d'aria, efficienza complessiva una centrale elettrica con turbina a gas non è così elevata come una centrale elettrica equivalente con turbina a vapore.
3. I gas di scarico di una centrale elettrica a turbina a gas sono molto diversi da quelli di una caldaia.
4. Prima che la turbina venga effettivamente avviata, l'aria deve essere precompressa, il che richiede una fonte di energia aggiuntiva per avviare la centrale elettrica a turbina a gas.
5. In una centrale elettrica con turbina a gas la temperatura del gas è piuttosto elevata. Ciò fa sì che il sistema abbia una durata di vita più breve rispetto a una turbina a vapore equivalente.

A causa della sua minore efficienza, una centrale elettrica con turbina a gas non può essere utilizzata per la produzione di energia commerciale; viene solitamente utilizzata per fornire energia ausiliaria ad altre centrali elettriche convenzionali, come ad esempio le centrali idroelettriche.

Convertitori termoionici

Sono chiamati anche generatori termoionici o motori termoelettrici e convertono direttamente il calore in elettricità sfruttando l'emissione termoionica. L’energia termica può essere convertita in energia elettrica con efficienza molto elevata attraverso un processo di flusso di elettroni indotto dalla temperatura noto come radiazione termoionica.

Il principio di funzionamento di base dei convertitori di energia termoionica è che gli elettroni evaporano dalla superficie di un catodo riscaldato nel vuoto e poi si condensano su un anodo più freddo. Fin dalla loro prima dimostrazione pratica nel 1957, i convertitori di energia termoionica sono stati utilizzati con una varietà di fonti di calore, ma tutti richiedono un funzionamento a alte temperature- sopra 1500 K. Mentre è possibile il funzionamento dei convertitori di energia termoionica a temperature relativamente basse (700 K - 900 K), l'efficienza del processo, che tipicamente è >50%, è significativamente ridotta poiché il numero di elettroni emessi per unità di area dal il catodo dipende dalla temperatura di riscaldamento.

Per i materiali catodici tradizionali come metalli e semiconduttori, il numero di elettroni emessi è proporzionale al quadrato della temperatura del catodo. Tuttavia, uno studio recente dimostra che la temperatura del calore può essere ridotta di un ordine di grandezza utilizzando il grafene come catodo caldo. I risultati mostrano che un convertitore termoionico catodico a base di grafene operante a 900 K può raggiungere un’efficienza del 45%.

Diagramma schematico il processo di emissione termoionica degli elettroni è mostrato nella foto.

TIC a base di grafene, dove Tc e Ta sono rispettivamente la temperatura del catodo e la temperatura dell'anodo. Basandosi sul nuovo meccanismo di emissione termoionica, i ricercatori suggeriscono che un convertitore di energia catodica a base di grafene potrebbe trovare applicazione in riutilizzo calore proveniente dai rifiuti industriali, che spesso raggiunge intervallo di temperatura da 700 a 900 K.

Il nuovo modello presentato da Liang e Eng potrebbe avvantaggiare i progetti di convertitori energetici basati sul grafene. I convertitori di potenza a stato solido, che sono fondamentalmente generatori termoelettrici, tipicamente funzionano in modo inefficiente nell'intervallo di basse temperature (efficienza inferiore al 7%).

Il riciclaggio dei rifiuti energetici è diventato un obiettivo popolare per i ricercatori e gli scienziati che si propongono metodi innovativi per raggiungere questo obiettivo. Uno dei settori più promettenti sono i dispositivi termoelettrici basati sulla nanotecnologia, che sembrano nuovo approccio al risparmio energetico. La conversione diretta del calore in elettricità o dell'elettricità in calore è detta termoelettricità, in base all'effetto Peltier. Per essere precisi, l'effetto prende il nome da due fisici: Jean Peltier e Thomas Seebeck.

Peltier ha scoperto che la corrente inviata a due diversi conduttori elettrici collegati a due giunzioni provoca il riscaldamento di una giunzione mentre l'altra si raffredda. Peltier continuò la sua ricerca e scoprì che una goccia d'acqua poteva essere fatta congelare nella giunzione bismuto-antimonio (BiSb) semplicemente cambiando la corrente. Peltier scoprì anche che la corrente elettrica può fluire quando c'è una differenza di temperatura attraverso la giunzione di diversi conduttori.

La termoelettricità è estremamente fonte interessante elettricità grazie alla sua capacità di convertire il flusso di calore direttamente in elettricità. Fornisce convertitori di energia facilmente scalabili e privi di parti mobili o combustibile liquido, rendendoli applicabili praticamente in qualsiasi situazione in cui gran numero il calore viene tipicamente disperso nei rifiuti, dagli indumenti ai capi di abbigliamento impianti industriali.

Le nanostrutture utilizzate nei materiali termopila semiconduttori contribuiranno a mantenere una buona conduttività elettrica e a ridurre la conduttività termica. Pertanto, le prestazioni dei dispositivi termoelettrici possono essere aumentate attraverso l'uso di materiali basati sulla nanotecnologia sfruttando l'effetto Peltier. Hanno proprietà termoelettriche migliorate e una buona capacità di assorbimento dell'energia solare.

Applicazioni della termoelettricità:

1. Fornitori di energia e sensori nelle gamme.
2. Bruciando lampada ad olio, che controlla un ricevitore wireless per la comunicazione remota.
3. Applicazione di piccoli dispositivi elettronici come lettori MP3, orologi digitali, chip GPS/GSM e contatori di impulsi con il calore del corpo.
4. Sedili a raffreddamento rapido nelle auto di lusso.
5. Rimozione del calore di scarto dalle automobili convertendolo in elettricità.
6. Conversione del calore di scarto proveniente da fabbriche o siti industriali in potenza extra.
7. Il solare termoelettrico può essere più efficiente del fotovoltaico per la generazione di elettricità, soprattutto nelle aree con meno luce solare.

I generatori di potenza magnetoidrodinamici generano elettricità attraverso l'interazione di un fluido in movimento (solitamente gas ionizzato o plasma) e campo magnetico. Dal 1970, i programmi di ricerca MHD sono stati condotti in diversi paesi con un focus particolare sull’uso del carbone come combustibile.

Il principio alla base della generazione MHD è elegante. Tipicamente, si forma un gas elettricamente conduttivo quando ipertensione bruciando combustibili fossili. Il gas viene quindi diretto attraverso un campo magnetico, generando al suo interno una forza elettromotrice secondo la legge di induzione di Faraday (dal nome del fisico e chimico inglese del XIX secolo Michael Faraday).

Il sistema MHD è un motore termico che prevede l'espansione del gas dall'alto verso il basso bassa pressione lo stesso di un turbogeneratore a gas convenzionale. In un sistema MHD, l'energia cinetica del gas viene convertita direttamente in energia elettrica mentre gli viene consentito di espandersi. L'interesse per la generazione di MHD è stato inizialmente suscitato dalla scoperta che l'interazione del plasma con un campo magnetico può avvenire a temperature molto più elevate di quelle possibili in una turbina meccanica rotante.

I limiti prestazionali in termini di rendimento dei motori termici furono stabiliti all'inizio del XIX secolo dall'ingegnere francese Sadi Carnot. Potenza di uscita del generatore MHD per ciascuno metro cubo il suo volume è proporzionale al prodotto della conducibilità del gas, al quadrato della velocità del gas e al quadrato dell'intensità del campo magnetico attraverso il quale passa il gas. Affinché i generatori MHD funzionino in modo competitivo, con buone prestazioni e dimensioni fisiche ragionevoli, la conduttività del plasma deve essere nell'intervallo di temperature superiore a 1800 K (circa 1500 C o 2800 F).

La scelta del tipo di generatore MHD dipende dal carburante utilizzato e dall'applicazione. Le abbondanti riserve di carbone in molti paesi del mondo stanno facilitando lo sviluppo di sistemi MHD basati sul carbonio per la generazione di elettricità.

Metodi di base e metodi per convertire l’energia elettrica in calore classificati come segue. Si distingue tra riscaldamento elettrico diretto e indiretto.

A riscaldamento elettrico diretto la conversione dell'energia elettrica in energia termica avviene a seguito del passaggio di corrente elettrica direttamente attraverso un corpo o mezzo riscaldato (metallo, acqua, latte, terra, ecc.). A riscaldamento elettrico indiretto Una corrente elettrica passa attraverso uno speciale dispositivo di riscaldamento (elemento riscaldante), dal quale il calore viene trasferito al corpo o mezzo riscaldato attraverso conduttività termica, convezione o irraggiamento.

Esistono diversi tipi di conversione dell'energia elettrica in energia termica, che determinano Metodi di riscaldamento elettrico.

Il flusso di corrente elettrica attraverso solidi elettricamente conduttivi o mezzi liquidi è accompagnato dal rilascio di calore. Secondo la legge di Joule-Lenz, la quantità di calore è Q=I 2 Rt, dove Q è la quantità di calore, J; Io - silatok, A; R - corpo o resistenza media, Ohm; t - tempo di flusso della corrente, s.

Il riscaldamento a resistenza può essere effettuato con metodi a contatto ed elettrodi.

Metodo di contatto utilizzato per riscaldare i metalli sia secondo il principio del riscaldamento elettrico diretto, ad esempio nelle saldatrici a contatto elettrico, sia secondo il principio del riscaldamento elettrico indiretto - negli elementi riscaldanti.

Metodo dell'elettrodo utilizzato per riscaldare materiali e mezzi conduttivi non metallici: acqua, latte, mangime succulento, terreno, ecc. Il materiale o mezzo riscaldato viene posizionato tra gli elettrodi, ai quali viene fornita una tensione alternata.

La corrente elettrica che scorre attraverso il materiale tra gli elettrodi lo riscalda. L'acqua ordinaria (non distillata) conduce corrente elettrica, poiché contiene sempre una certa quantità di sali, alcali o acidi, che si dissociano in ioni portatori di cariche elettriche, cioè corrente elettrica. La natura della conduttività elettrica del latte e di altri liquidi, del terreno, dei mangimi succulenti, ecc. è simile.

Il riscaldamento diretto dell'elettrodo viene effettuato solo su corrente alternata, Perché DC provoca l'elettrolisi del materiale riscaldato ed il suo deterioramento.

Riscaldamento elettrico tramite resistenza trovato ampia applicazione in produzione grazie alla sua semplicità, affidabilità, versatilità e basso costo dei dispositivi di riscaldamento.

Riscaldamento ad arco elettrico

In un arco elettrico che si verifica tra due elettrodi in un mezzo gassoso, l'energia elettrica viene convertita in energia termica.

Per innescare l'arco, gli elettrodi collegati al generatore vengono brevemente in contatto e poi lentamente separati. La resistenza di contatto al momento dell'allargamento degli elettrodi è fortemente riscaldata dalla corrente che la attraversa. Gli elettroni liberi, in costante movimento nel metallo, accelerano il loro movimento all'aumentare della temperatura nel punto di contatto degli elettrodi.

All'aumentare della temperatura, la velocità degli elettroni liberi aumenta così tanto che si staccano dal metallo degli elettrodi e volano nell'aria. Mentre si muovono, entrano in collisione con le molecole d'aria e le dividono in ioni con carica positiva e negativa. Lo spazio d'aria tra gli elettrodi viene ionizzato e diventa elettricamente conduttivo.

Sotto l'influenza della tensione della sorgente, gli ioni positivi si precipitano verso il polo negativo (catodo) e gli ioni negativi verso il polo positivo (anodo), formando così una scarica di lunga durata - arco elettrico accompagnato dal rilascio di calore. La temperatura dell'arco non è la stessa nelle sue diverse parti e per gli elettrodi metallici è: al catodo - circa 2400 °C, all'anodo - circa 2600 °C, al centro dell'arco - circa 6000 - 7000 °C .

Esistono riscaldamenti ad arco elettrico diretti e indiretti. Nozioni di base applicazione pratica trova il riscaldamento diretto dell'arco elettrico negli impianti di saldatura ad arco elettrico. Nelle installazioni riscaldamento indiretto l'arco viene utilizzato come potente fonte di raggi infrarossi.

Se un pezzo di metallo viene posto in un campo magnetico alternato, in esso verrà indotta una variabile e. d.s, sotto l'influenza di cui si formeranno correnti parassite nel metallo. Il passaggio di queste correnti nel metallo ne provocherà il riscaldamento. Questo metodo di riscaldamento del metallo è chiamato induzione. Il dispositivo di alcuni riscaldatori a induzione basato sull'utilizzo del fenomeno dell'effetto di superficie e dell'effetto di prossimità.

Per il riscaldamento a induzione vengono utilizzate correnti industriali (50 Hz) e ad alta frequenza (8-10 kHz, 70-500 kHz). Il più diffuso riscaldamento ad induzione corpi metallici (parti, pezzi grezzi) nell'ingegneria meccanica e nella riparazione di attrezzature, nonché per la tempra parti metalliche. Il metodo a induzione può essere utilizzato anche per riscaldare acqua, terra, cemento e pastorizzare il latte.

Riscaldamento dielettrico

L'essenza fisica del riscaldamento dielettrico è la seguente. Nei solidi e nei liquidi con scarsa conduttività elettrica (dielettrici) posti in un campo elettrico rapidamente variabile, l'energia elettrica viene convertita in energia termica.

Qualsiasi dielettrico contiene cariche elettriche vincolato da forze intermolecolari. Queste cariche sono chiamate legate in contrasto con le cariche libere nei materiali conduttivi. Sotto l'influenza campo elettrico le cariche legate sono orientate o spostate nella direzione del campo. Lo spostamento delle cariche legate sotto l'influenza di un campo elettrico esterno è chiamato polarizzazione.

Nella variabile campo elettrico Esiste un movimento continuo di cariche e, di conseguenza, di molecole ad esse associate da forze intermolecolari. L'energia spesa dalla sorgente per polarizzare le molecole dei materiali non conduttori viene rilasciata sotto forma di calore. Alcuni materiali non conduttori contengono una piccola quantità di cariche libere che, sotto l'influenza di un campo elettrico, creano una piccola corrente di conduzione, che contribuisce al rilascio di calore aggiuntivo nel materiale.

Durante il riscaldamento dielettrico, il materiale da riscaldare viene posto tra elettrodi metallici - piastre del condensatore, a cui viene fornita una tensione ad alta frequenza (0,5 - 20 MHz e superiore) da uno speciale generatore ad alta frequenza. L'impianto per il riscaldamento dielettrico è costituito da un generatore tubolare ad alta frequenza, trasformatore di potenza e un dispositivo di asciugatura con elettrodi.

Il riscaldamento dielettrico ad alta frequenza è un metodo di riscaldamento promettente e viene utilizzato principalmente per l'essiccazione e il trattamento termico di legno, carta, alimenti e mangimi (essiccazione di cereali, frutta e verdura), pastorizzazione e sterilizzazione del latte, ecc.

Riscaldamento (elettronico) con fascio di elettroni

Quando un flusso di elettroni incontra ( fascio di elettroni), accelerato in un campo elettrico, con un corpo riscaldato, l'energia elettrica viene convertita in energia termica. Una caratteristica del riscaldamento elettronico è alta densità concentrazione di energia pari a 5x10 8 kW/cm2, che è diverse migliaia di volte superiore rispetto al riscaldamento ad arco elettrico. Il riscaldamento elettronico viene utilizzato nell'industria per saldare parti molto piccole e fondere metalli ultra puri.

Oltre ai metodi considerati di riscaldamento elettrico, viene utilizzato anche nella produzione e nella vita di tutti i giorni. riscaldamento a infrarossi (irradiazione).