Metoda za pretvorbo električne energije v toploto in ustvarjanje izmenjave toplote

Med številnimi napravami, ki omogočajo pridobivanje električne energije, zavzemajo posebno mesto naprave, ki omogočajo pretvarjanje toplotne energije v električno. Njihova glavna naloga je neposredna pretvorba ene vrste energije v drugo z minimalnim številom različnih vmesnih členov. Hkrati je rešen problem povečanja koeficienta koristno dejanje tega procesa.

Pretvorniška naprava

Pretvornik je sestavljen iz ogrevanih elementov in električna energija. Za izdelavo ogrevanih elementov se uporablja mehak magnetni material, katerega Curiejeva točka je znižana. Pri segrevanju izgubi svoje magnetne lastnosti in se podvrže faznemu prehodu.

Ti elementi so vključeni v magnetno vezje v obliki črke F. Ima eno srednjo in dve stranski palici. Stranske palice so sestavljene iz dveh elementov, med katerima so zračne reže. Mejijo na srednjo palico in se glede nanjo nahajajo simetrično na obeh straneh.

Ogrevani elementi so povezani s togo palico. Nameščen je na tečaju, ki se nahaja na robu srednje palice vzdolž osi simetrije. Ko palica spremeni svoj položaj, segreti elementi izmenično premostijo zračne reže stranskih palic. V zračnih režah je toplotna cev, skozi katero se toplota dovaja iz grelnika. Če ni premostitve zračnih rež, pridejo segreti elementi v stik s hladilnikom. V srednji palici je vzbujevalno navitje, ki ga napaja enosmerni tok; generatorska navitja generatorja so nameščena na stranskih palicah.

Praktično delovanje pretvornika

Pretvorba toplotne energije v električno se izvaja po določeni shemi. Ko se na navitje dovaja moč, se ustvari magnetni tok, ki se razhaja vzdolž stranskih palic. Premični element pritegne stransko palico in zapre potrebno zračno režo. Magnetni pretok se poveča, segreti element pa pride pod vpliv toplotnega prevodnika. Segreje se na določeno temperaturo, pri kateri pride do izgube magnetnih lastnosti.

Gibljivi element se privlači v režo in magnetni tokokrog stranske palice se sklene. Tako se v eni od stranskih palic magnetno polje poveča, v drugi pa zmanjša. Ta postopek se večkrat ponovi. Končni rezultat vseh teh dejanj je. Njegova količina in moč sta v celoti odvisni od hitrosti dovajanja toplote in hlajenja. To je tudi odgovorno za učinkovitost celotnega sistema.

Fizični viri toka

Kot veste, so vsa telesa sestavljena iz molekul in te molekule ne mirujejo, ampak se nenehno gibljejo. Višja kot je telesna temperatura, hitrejše gibanje molekule snovi tega telesa. Ob prehodu električni tok Vzdolž prevodnika elektroni trčijo ob gibajoče se molekule prevodnika in povečajo njihovo gibanje, kar povzroči segrevanje prevodnika.

Povečanje temperature prevodnika nastane kot posledica pretvorbe električne energije v toplotno. Prej (glej § 13) je bil pridobljen izraz za delo električnega toka (električne energije)

A = I 2 rt joulov.

To odvisnost je sprva (leta 1841) kot rezultat poskusov ugotovil angleški fizik Joule in nekoliko kasneje (leta 1844) neodvisno ruski akademik Lenz.

Da bi bila količina prejete toplotne energije izražena v kalorijah, je potrebno dodatno vnesti faktor 0,24, saj je 1 J = 0,24 kal. Potem je Q = 0,24I 2 rt. Ta enačba izraža Joule-Lenzov zakon.

Emilius Christianovich Lenz (1804-1865) je vzpostavil zakone toplotno delovanje tok, posplošil poskuse na elektromagnetna indukcija, ki to posplošitev predstavi v obliki "Lenzovega pravila". V svojih delih o teor električni stroji Lenz je opisal pojav "armaturne reakcije" v enosmernih strojih in dokazal princip reverzibilnosti električnih strojev. Lenz je v sodelovanju z Jacobijem preučeval privlačnost elektromagnetov in ugotovil odvisnost magnetnega momenta od sile magnetiziranja.

Tako je količina toplote, ki jo ustvari tok pri prehodu skozi prevodnik, odvisna od upora r samega prevodnika, kvadrata toka I 2 in trajanja njegovega prehoda t.

Primer 1. Ugotovite, koliko toplote bo proizvedel tok 6 A, ko bo 3 minute prehajal skozi prevodnik z uporom 2 ohma.

Q = I 2 rt = 36 ⋅ 2 ⋅ 180 = 12960 J.

Formulo za Joule-Lenzov zakon lahko zapišemo na naslednji način.

Metoda se izvaja z uporabo enega ali več zaprtih zavojev vodnika električnega toka kot grelnega elementa, ki tvori sekundarno navitje električnega transformatorja in uvaja hladilno sredstvo v stik s površinami prevodnika. Izum izboljšuje zanesljivost pretvorbe električne energije pri izmenjavi toplote. 1 plača, 1 bol.

Izum se nanaša na tehnologijo za pretvorbo električne energije v toploto in ustvarjanje izmenjave toplote. Lahko se uporablja za ogrevanje tekočin v sistemih za predgretje motorjev z notranjim zgorevanjem, ogrevanje in oskrbo s toplo vodo industrijskih podjetij in stanovanjske zgradbe, za segrevanje plazme in drugih snovi. Znana je metoda za pretvorbo električne energije v toploto in ustvarjanje izmenjave toplote, ki temelji na neposrednem prehodu električnega toka skozi hladilno tekočino, ki nastane z dovajanjem omrežne napetosti preko tokovnih vodnikov do elektrod (glej A.P. Althauzen et al., “Low- temperaturno električno ogrevanje", Moskva, Energija, 1968). Uporablja se za segrevanje tekočin, betona ter za taljenje zemlje, rude, peska in drugih snovi. Glavne pomanjkljivosti te metode so povečana električna nevarnost zaradi relativno visokih napetosti (380 V ali 220 V), pa tudi odvisnost električnega ogrevanja in prenosa toplote od električnega upora hladilne tekočine. Predvsem se segreti vodi dodajo posebni dodatki, ki zagotavljajo dano vrednost električnega upora. Obstaja znana metoda za pretvorbo električne energije v toploto in ustvarjanje izmenjave toplote med grelnim elementom in hladilno tekočino, vključno z napajanjem grelni element, ki je kovinska cev, znotraj katere je grelna tuljava, stisnjena v posebno polnilo, skozi grelno tuljavo prehaja električni tok (glej A.P. Althauzen et al., "Nizkotemperaturno električno ogrevanje", Moskva, Energija, 1968). Ta metoda je postala zelo razširjena na različnih področjih. nacionalno gospodarstvo. cevasto električni grelec(grelni element) lahko postavite v vodo, soli, tekočo kovino, plesen, ohišje motorja z notranjim zgorevanjem itd. Vendar pa je ogrevana tuljava priložena električna napetost neposredno iz napajalnega omrežja in relativno visoke napetosti ni mogoče zmanjšati električni upor spiralo, kar pomeni potrebo po električni izolaciji spirale za zagotovitev električne varnosti in posledično zmanjša toplotno prevodnost med spiralo in kovinsko cevjo ter s tem poslabša izmenjavo toplote med grelnim elementom (ohm) in hladilno tekočino kot cela. Električna izolacija spirale ne izključuje možnosti njene električne okvare in stika s kovinsko cevjo grelnega elementa (a) električni potencial, kar vodi do potrebe po njegovi ozemljitvi. Poleg tega imajo grelni elementi omejeno življenjsko dobo zaradi izgorelosti tuljave. Obstaja znana metoda pretvorbe električne energije v toploto in ustvarjanje izmenjave toplote, imenovana " Uporovno varjenje"(glej N.S. Kabanov, "Varjenje na kontaktnih strojih", Moskva, založba "Višja šola", 1985; Yu.N. Bobrinsky in N.P. Sergeev, "Načrtovanje in nastavitev kontaktnih varilnih strojev", Moskva , založba "Strojništvo" ", 1967; V.G. Gevorkjan, "Osnove varjenja", Moskva, založba "Višja šola", 1991). ta metoda grelni element in hladilno sredstvo je varjena kovina, ki zapira sekundarno navitje varilni transformator, zaradi česar električni tok, ki zadostuje za ogrevanje in varjenje kovine, teče skozi zaprt krog. V tem primeru je vsak obrat sekundarnega navitja transformatorja ločen vir električne energije, saj pokriva isti magnetni tok, ki ga v magnetnem jedru ustvari primarno navitje transformatorja. Ta metoda je prototip. Pomanjkljivost te metode je, da je uporabna samo za hladilne tekočine z relativno nizkim električnim uporom. V primeru uporabe tekočine, na primer vode, bi bilo treba opustiti zmanjšanje napetosti s pomočjo transformatorja in metoda bi postala prva obravnavana z vsemi svojimi pomanjkljivostmi. Varnost in zanesljivost pretvorbe električne energije v toploto ter učinkovitost prenosa toplote pri predlagani metodi se dosežeta z uporabo zaprtega zavoja vodnika električnega toka ali več zavojev, ki tvorijo sekundarno navitje transformatorja kot grelni element, in uvedbo hladilne tekočine v stik s površinami prevodnika. Ko je zavoj prevodnika, ki pokriva magnetni tokokrog transformatorja, zaprt, se v njem inducira EMF, ki je po številu zavojev manjši od tistega, ki se dovaja primarnemu navitju, kar zagotavlja električno varnost, in tok, ki teče skozi zaprt zavoj močno poveča zaradi nizkega električnega upora zavoja in ga segreje ne glede na električni upor hladilne tekočine. Istočasno neposredni stik hladilne tekočine s površinami zaprte tuljave vodnika poveča učinkovitost prenosa toplote zaradi močnega zmanjšanja toplotnih izgub. Ustvarijo se lahko pogoji, ki izključujejo možnost izgorevanja tuljave, kar zagotavlja zanesljivost pretvorbe. Na risbi je prikazan primer opreme, ki izvaja predlagano metodo. Metoda se izvaja na naslednji način. S stikalom K je primarno navitje transformatorja s številom ovojev W 1 priključeno na omrežje izmeničnega toka. V magnetnem krogu 1 nastane izmenični magnetni tok, ki inducira emf v zaprtih zavojih vodnikov 2 in 3 in povzroči električni tok v njih, ki jih segreje. Prevodnik 2 je izdelan v obliki cevi, prevodnik 3 je izdelan iz zaprtega snopa bakrene žice. Hladno hladilno sredstvo se vnese v vhod A, na primer voda, ki vstopi v vodnik 2 in opere zunanjost vodnika 3. Izmenjava toplote poteka skozi vmesnik med vodnikoma 2 in 3 ter hladilno tekočino, hladilna tekočina se segreje in zaradi konvekcije , teče na izhod B. V enem posebnem primeru je vodnik 3 lahko odsoten (potreben je, ko električni upor prevodnika 2 ne ustreza moči transformatorja). V drugem posebnem primeru, da bi preprečili odvajanje toplote z zunanje površine prevodnika 2, lahko namesto prevodnika 2 uporabimo električno izolacijsko cev in takrat bo toplota pritekala v hladilno tekočino samo iz prevodnika 3. V tretjem primeru je prevodnik je lahko samo hladilno sredstvo, nameščeno znotraj izolacijske cevi ali v prostornino druge oblike, ki obdaja magnetno vezje. Primer konkretne izvedbe metode. Vzet je bil žigosani jekleni radiator razreda 2M3-500 (glej stran 189, Handbook of Special Works, ki ga je uredil N.A. Kokhanenko, Moskva, založba gradbene literature, 1964) z ekvivalentno ogrevalno površino 3,53 ecm (ekvivalentno 11-sekcijskim radiator iz litega železa M-140 po GOST 8690-58) s prostornino 13,3 litra. Od jeklena cev s premerom 3/4"" izdelana zaprta tuljava, ki pokriva magnetni tokokrog močnostnega transformatorja z močjo 1,5 kW. Vhod zavoja A je bil povezan z izhodom (cev na dnu radiatorja, nameščena navpično), izhod zavoja B pa je bil povezan z dovodom radiatorja (cev na vrhu) z gumijastimi cevmi. Na vrhu radiatorja je bila nameščena ekspanzijska posoda s prostornino 0,25 litra. Nato smo sistem (radiator - obrat) napolnili z vodo in primarno navitje transformatorja priključili na omrežje z napetostjo 220 V. Temperatura okolice radiatorja pred vklopom transformatorja je bila 4,5 o C v prostornini prostora 300 m 3. Po vklopu transformatorja smo izmerili električno napetost na zavoju 0,8 V in električni tok skozi zavoj, ki je znašal 1875 A. Po 20 minutah se je temperatura vode v radiatorju dvignila na 96 o C ( začetna temperatura vode je bila 12 o C), nato pa je bila s pomočjo tiristorskega krmilnega sistema porabljena moč iz omrežja sprva znižana na 800 W, kar je zagotovilo vzdrževanje temperature vode pri 82 o C, nato pa po 2 urah na 500 W, kar je zagotovilo vzdrževanje temperature vode pri 60 o C. Kot rezultat 4-urnega testa je sobna temperatura dosegla 18 o C. Naslednji dan je bil sistem vklopljen s porabo energije 1,5 kW. Po 4 urah je sobna temperatura dosegla 23 o C, nakar je bil sistem preklopljen na porabo 500 W in je deloval 1 mesec kot grelnik. Izvedeni so bili testi ogrevanja ogrevalnega sistema s prostornino 150 litrov po predlagani metodi s porabo energije 800 W. Med preizkusi je bilo ogrevanje vode nastavljeno s 16 o C na 58,5 o C v 7 urah, nakar je bil sistem preklopljen v način, ki vzdržuje temperaturo 58 o C s porabo energije 500 W. Izvedeni so bili testi za vnos snopa bakrenih žic, zaprtih s spajkanjem (prevodnik 3), v zaprto tuljavo jeklene cevi. Kot rezultat preskusov je bilo ugotovljeno, da je z uporabo vodnika 3 mogoče zmanjšati ekvivalentni električni upor zaprtih zavojev v skoraj vseh mejah in povečati porabo energije, dokler transformator ni popolnoma obremenjen. Preizkusi so pokazali možnost zmanjšanja porabe električne energije za 1,5-2 krat pri uporabi predlagane metode v primerjavi s tradicionalnimi.

Formula izuma

1. Metoda za pretvorbo električne energije v toploto in ustvarjanje izmenjave toplote med grelnim elementom in hladilno tekočino z uporabo kot grelnega elementa sekundarnega navitja električnega transformatorja, izdelanega v obliki zaprte tuljave prevodnika v obliki cev z dovodom in odvodom hladilne tekočine, označena s tem, da zagotavlja konvekcijo hladilne tekočine skozi grelni element tako, da povezuje njegov dovod z izhodom hladilne tekočine iz radiatorja in izhod hladilne tekočine iz grelnega elementa z dovodom radiatorja, povezave so izvedene s cevmi, radiator se namesti navpično tako, da je izhod hladilne tekočine iz radiatorja v njegovem spodnjem delu, v zgornjem delu radiatorja se namesti ekspanzijska posoda in se celoten sistem napolni s hladilno tekočino ter priključi transformator na omrežje. 2. Postopek po zahtevku 1, označen s tem, da je sklenjen zavoj v obliki cevi izdelan iz elektroizolacijskega materiala in je znotraj njega nameščen en ali več sklenjenih zavojev prevodnika.

RISBE

MM4A Predčasna prekinitev patenta Ruske federacije za izum zaradi neplačila pristojbine za ohranitev veljavnosti patenta v predpisanem roku

Toplotna energija zavzema posebno mesto v človekovi dejavnosti, saj se uporablja v vseh sektorjih gospodarstva, spremlja večino industrijski procesi in preživetje ljudi. V večini primerov se odpadna toplota izgubi nepovratno in brez kakršne koli ekonomske koristi. Ta zapravljeni vir ni več vreden ničesar, zato bo njegova ponovna uporaba pomagala zmanjšati energetsko krizo in zaščititi okolje. Zato so nove metode pretvorbe toplotne energije v električno energijo in pretvorbe odpadne toplote v električno energijo danes bolj aktualne kot kadarkoli.

Pretvarjanje naravnih virov energije v električno, toplotno ali kinetično energijo zahteva maksimalna učinkovitost, zlasti v elektrarnah na plin in premog, za zmanjšanje emisij CO 2 . obstajajo različne načine pretvorbo toplotne energije v električno, odvisno od vrste primarne energije.

Med energetskimi viri se premog in zemeljski plin uporabljata za pridobivanje električne energije z zgorevanjem (toplotna energija), uran pa z jedrsko fisijo (jedrska energija) za uporabo energije pare za vrtenje parne turbine. Na fotografiji je predstavljenih deset največjih držav proizvajalk električne energije za leto 2017.

Tabela uspešnosti obstoječih sistemov pretvorbo toplotne energije v električno.

Izbira načina pretvorbe toplotne energije v električno in njegova ekonomska upravičenost sta odvisni od potreb po energiji, razpoložljivosti naravnega goriva in zadostnosti gradbišča. Vrsta proizvodnje se po svetu razlikuje, kar ima za posledico širok razpon cen električne energije.

Tehnologije za pretvorbo toplotne energije v električno energijo, kot so termoelektrarne, jedrske elektrarne, IES, plinske turbinske elektrarne, termoelektrarne, termoelektrični generatorji, MHD generatorji imajo različne prednosti in slabosti. Raziskovalni inštitut za električno energijo (EPRI) ponazarja prednosti in slabosti tehnologij naravnega pridobivanja energije, pri čemer obravnava kritične dejavnike, kot so stroški gradnje in energije, zahteve po zemljiščih, vodi, emisije CO 2 , odpadki, cenovna dostopnost in prilagodljivost.

Ugotovitve EPRI poudarjajo, da pri obravnavanju tehnologij za proizvodnjo električne energije ni enotnega pristopa za reševanje vseh težav, vendar še vedno več koristi Zemeljski plin, ki je cenovno dostopen za gradnjo, ima nizke stroške električne energije in ustvarja manj emisij kot premog. Vendar pa vse države nimajo dostopa do obilnega in poceni zemeljski plin. V nekaterih primerih je dostop do zemeljskega plina ogrožen zaradi geopolitičnih napetosti, kot je bilo pri Vzhodna Evropa in nekatere zahodnoevropske države.

Tehnologije obnovljivih virov energije, kot so solarni fotovoltaični moduli, proizvajajo emisijsko električno energijo. Vendar pa ponavadi zahtevajo veliko zemlje in rezultati njihove učinkovitosti so različni in odvisni od vremena. Premog, glavni vir toplote, je najbolj problematičen. Prednjači v emisijah CO 2 ter zahteva veliko čisto vodo za hlajenje hladilne tekočine in zajema velika površina za gradnjo postaje.

Namen novih tehnologij je zmanjšati številne težave, povezane s tehnologijami za proizvodnjo električne energije. Na primer, plinske turbine skupaj z rezervno baterijo zagotavljajo rezerve za nepredvidljive razmere brez izgorevanja goriva, občasne izzive obnovljivih virov pa je mogoče ublažiti z ustvarjanjem cenovno dostopnega obsežnega shranjevanja energije. Tako danes ne obstaja niti ena popolna metoda za pretvorbo toplotne energije v električno, ki bi zagotavljala zanesljivost in ekonomičnost učinkovita elektrika z minimalnim vplivom na okolju.

Termoelektrarne

V termoelektrarnah visokotlačna in temperaturna para, pridobljena iz ogrevalne vode med zgorevanjem trdno gorivo(predvsem premog), vrti turbino, povezano z generatorjem. Tako pretvarja svojo kinetično energijo v električno. Obratovalne komponente termoelektrarne:

1. Kotel s plinskim kuriščem.
2. Parna turbina.
3. Generator.
4. Kondenzator.
5. Hladilni stolpi.
6. Črpalka za obtočno vodo.
7. Črpalka za dovod vode kotla.
8. Prisilno izpušni ventilatorji.
9. Ločila.

Tipičen diagram je predstavljen spodaj.

Parni kotel se uporablja za pretvorbo vode v paro. Ta proces se izvaja s segrevanjem vode v ceveh s toploto iz gorečega goriva. Zgorevalni procesi se neprekinjeno izvajajo v zgorevalni komori goriva z zrakom, ki se dovaja od zunaj.

Parna turbina prenaša energijo pare za obračanje generatorja. Para z visokim tlakom in temperaturo potisne lopatice turbine, nameščene na gredi, tako da se ta začne vrteti. V tem primeru se parametri pregrete pare, ki vstopa v turbino, zmanjšajo na nasičeno stanje. Nasičena para vstopi v kondenzator, moč rotorja pa se uporablja za vrtenje generatorja, ki proizvaja tok. Danes so skoraj vse parne turbine kondenzatorskega tipa.

Kondenzatorji so naprave za pretvorbo pare v vodo. Para teče zunaj cevi, hladilna voda pa teče znotraj cevi. Ta oblika se imenuje površinski kondenzator. Hitrost prenosa toplote je odvisna od pretoka hladilne vode, površine cevi in ​​temperaturne razlike med vodno paro in hladilno vodo. Proces spreminjanja vodne pare poteka pri nasičenem tlaku in temperaturi, v tem primeru je kondenzator pod vakuumom, ker je temperatura hladilne vode enaka zunanji temperaturi, maksimalna temperatura kondenzacija vode blizu zunanje temperature.

Generator pretvarja mehansko energijo v stator in rotor. Stator je sestavljen iz ohišja, v katerem so tuljave, postaja rotorja magnetnega polja pa je sestavljena iz jedra, v katerem je tuljava.

Glede na vrsto proizvedene energije delimo termoelektrarne na kondenzacijski IES, ki proizvajajo električno energijo in soproizvodnje toplote in električne energije (SPTE), ki skupaj proizvajajo toploto (paro in topla voda) in električna energija. Slednji imajo sposobnost pretvarjanja toplotne energije v električno energijo z visoka učinkovitost.

Jedrske elektrarne

Jedrske elektrarne uporabljajo toploto, ki se sprošča med jedrsko cepitvo, za ogrevanje vode in proizvodnjo pare. Para se uporablja za vrtenje velikih turbin, ki proizvajajo elektriko. Med cepitvijo se atomi razcepijo in tvorijo več majhni atomi, sproščanje energije. Proces poteka znotraj reaktorja. V njegovem središču je sredica, ki vsebuje uran 235. Gorivo za jedrske elektrarne pridobivajo iz urana, ki vsebuje izotop 235U (0,7 %) in necepljivi 238U (99,3 %).

Jedrski gorivni cikel je niz industrijskih korakov, vključenih v proizvodnjo električne energije iz urana v jedrskih reaktorjih. Uran je razmeroma pogost element, ki ga najdemo po vsem svetu. Kopljejo ga v številnih državah in predelajo, preden ga uporabijo kot gorivo.

Dejavnosti v zvezi s proizvodnjo električne energije se skupaj nanašajo na jedrski gorivni cikel za pretvorbo toplotne energije v električno energijo v jedrskih elektrarnah. Cikel jedrskega goriva se začne z izkopavanjem urana in konča z odlaganjem jedrskih odpadkov. Pri ponovni predelavi uporabljenega goriva kot možnosti za jedrsko energijo tvorijo koraki pravi cikel.

Za pripravo goriva za uporabo v jedrskih elektrarnah se izvajajo postopki pridobivanja, predelave, pretvorbe, obogatitve in sproščanja gorivnih elementov. Cikel goriva:

1. Izgorevanje urana 235.
2. Žlindranje - 235U in (239Pu, 241Pu) iz 238U.
3. Pri razpadu 235U se njegova poraba zmanjša, izotopi pa se pridobivajo iz 238U pri pridobivanju električne energije.

Stroški gorivnih palic za VWR znašajo približno 20 % stroškov proizvedene električne energije.

Ko uran preživi približno tri leta v reaktorju, gre lahko uporabljeno gorivo skozi drug postopek uporabe, vključno z začasnim skladiščenjem, ponovno predelavo in recikliranjem, preden se odpadki odstranijo. Jedrske elektrarne zagotavljajo neposredno pretvorbo toplotne energije v električno. Toplota, ki nastane pri jedrski fisiji v jedru reaktorja, se uporablja za pretvorbo vode v paro, ki spremeni lopatice parne turbine v generatorje, ki proizvajajo elektriko.

Para se ohladi v vodo v ločeni strukturi v elektrarni, imenovani hladilni stolp, ki uporablja vodo iz ribnikov, rek ali oceana za hlajenje čiste vode parnega krogotoka. Ohlajena voda se nato ponovno uporabi za proizvodnjo pare.

Delež proizvodnje električne energije v jedrskih elektrarnah glede na skupno bilanco njihove proizvodnje različne vrste virov, v kontekstu nekaterih držav in v svetu - na spodnji fotografiji.

Princip delovanja plinskoturbinske elektrarne je podoben delovanju parne turbinske elektrarne. Razlika je le v tem, da parna turbinska elektrarna za vrtenje turbine uporablja stisnjeno paro, medtem ko plinska turbinska elektrarna uporablja plin.

Razmislimo o principu pretvorbe toplotne energije v električno energijo v plinskoturbinski elektrarni.

V plinskoturbinski elektrarni se zrak stisne v kompresorju. Ta stisnjen zrak gre nato skozi zgorevalno komoro, kjer nastane mešanica plina in zraka in temperatura se dvigne. stisnjen zrak. Ta zmes visoke temperature in visokega tlaka prehaja skozi plinska turbina. V turbini se močno razširi in prejme kinetično energijo, ki zadostuje za vrtenje turbine.

V plinskoturbinski elektrarni so turbinska gred, alternator in zračni kompresor pogosti. Mehanska energija, ustvarjena v turbini, se delno porabi za stiskanje zraka. Plinskoturbinske elektrarne se pogosto uporabljajo kot rezervni dobavitelj pomožne energije hidroelektrarnam. Ustvarja pomožna moč ob zagonu hidroelektrarne.

Zasnova plinskoturbinske elektrarne je veliko enostavnejša od parne turbinske elektrarne. Velikost plinske turbinske elektrarne je manjša od parne turbinske elektrarne. Ni komponente kotla, zato je sistem manj kompleksen. Ni pare, zato ni potreben kondenzator ali hladilni stolp.

Načrtovanje in izgradnja močnih plinskoturbinskih elektrarn je veliko enostavnejša in cenejša, kapitalski stroški in obratovalni stroški so bistveno nižji od stroškov podobne parnoturbinske elektrarne.

Konstantne izgube v plinskoturbinski elektrarni so v primerjavi s parnoturbinsko elektrarno bistveno manjše, saj v parni turbini power point Kotel mora delovati neprekinjeno, tudi če sistem ne obremeni omrežja. Plinskoturbinsko elektrarno je mogoče zagnati skoraj v trenutku.

Slabosti plinske turbinske elektrarne:

1. Mehanska energija, ustvarjena v turbini, se uporablja tudi za delovanje zračnega kompresorja.
2. Ker se glavnina mehanske energije, ustvarjene v turbini, porabi za krmiljenje zračni kompresor, splošna učinkovitost plinska turbinska elektrarna ni tako visoka kot enakovredna parna turbinska elektrarna.
3. Izpušni plini iz plinskoturbinske elektrarne se zelo razlikujejo od tistih iz kotla.
4. Pred dejanskim zagonom turbine je treba zrak predhodno stisniti, kar zahteva dodaten vir energije za zagon plinskoturbinske elektrarne.
5. Temperatura plina je v elektrarni s plinsko turbino precej visoka. Posledica tega je, da ima sistem krajšo življenjsko dobo kot enakovredna parna turbina.

Zaradi nižjega izkoristka plinskoturbinske elektrarne ni mogoče uporabiti za komercialno proizvodnjo električne energije, običajno se uporablja za napajanje drugih klasičnih elektrarn, kot so na primer hidroelektrarne.

Termionski pretvorniki

Imenujejo jih tudi termoelektrični generator ali termoelektrični motor, ki neposredno pretvarjajo toploto v električno energijo s pomočjo termoelektrične emisije. Toplotno energijo je mogoče pretvoriti v električno energijo z zelo visokim izkoristkom s postopkom pretoka elektronov, ki ga povzroči temperatura, znanim kot termionsko sevanje.

Osnovni princip delovanja termoelektričnih pretvornikov energije je, da elektroni izparevajo s površine segrete katode v vakuumu in nato kondenzirajo na hladnejši anodi. Od prve praktične predstavitve leta 1957 so bili termionski pretvorniki energije uporabljeni z različnimi viri toplote, vendar vsi zahtevajo delovanje pri visoke temperature- nad 1500 K. Medtem ko je delovanje termionskih pretvornikov energije pri sorazmerno nizkih temperaturah (700 K - 900 K) možno, je izkoristek procesa, ki je običajno > 50 %, znatno zmanjšan, saj je število elektronov, oddanih na enoto površine iz katoda je odvisna od temperature segrevanja.

Pri tradicionalnih katodnih materialih, kot so kovine in polprevodniki, je število oddanih elektronov sorazmerno s kvadratom temperature katode. Vendar pa nedavna študija dokazuje, da je mogoče temperaturo toplote zmanjšati za red velikosti z uporabo grafena kot vroče katode. Ugotovitve kažejo, da lahko katodni termionski pretvornik na osnovi grafena, ki deluje pri 900 K, doseže učinkovitost 45 %.

Shematski diagram na fotografiji je prikazan proces elektronske termionske emisije.

TIC na osnovi grafena, kjer sta Tc in Ta temperatura katode oziroma temperatura anode. Raziskovalci na podlagi novega mehanizma termionske emisije kažejo, da bi katodni pretvornik energije na osnovi grafena lahko našel uporabo v ponovno uporabo toplote industrijskih odpadkov, ki pogosto doseže temperaturno območje od 700 do 900 K.

Novi model, ki sta ga predstavila Liang in Eng, bi lahko koristil modelom pretvornikov energije na osnovi grafena. Polprevodniški pretvorniki moči, ki so v bistvu termoelektrični generatorji, običajno delujejo neučinkovito v nizkotemperaturnem območju (manj kot 7-odstotni izkoristek).

Recikliranje energetskih odpadkov je postalo priljubljen cilj raziskovalcev in znanstvenikov, ki se domislijo inovativne metode za dosego tega cilja. Eno najbolj obetavnih področij so termoelektrične naprave na osnovi nanotehnologije, ki izgledajo kot nov pristop za varčevanje z energijo. Neposredna pretvorba toplote v elektriko ali elektrike v toploto je znana kot termoelektrika, ki temelji na Peltierjevem učinku. Če smo natančni, je učinek poimenovan po dveh fizikih – Jeanu Peltierju in Thomasu Seebecku.

Peltier je odkril, da bo tok, poslan v dva različna električna prevodnika, ki sta povezana na dveh stičiščih, povzročila segrevanje enega stičišča, medtem ko se bo drugo ohlajalo. Peltier je nadaljeval svoje raziskave in ugotovil, da lahko kapljico vode zmrzne na stičišču bizmut-antimona (BiSb) preprosto s spremembo toka. Peltier je tudi odkril, da lahko električni tok teče, ko je na stičišču različnih prevodnikov temperaturna razlika.

Termoelektrika je izjemno zanimiv vir električne energije zaradi svoje sposobnosti pretvarjanja toplotnega toka neposredno v električno energijo. Zagotavlja pretvornike energije, ki jih je mogoče zlahka prilagoditi in nimajo gibljivih delov ali tekočega goriva, zaradi česar so uporabni v skoraj vseh situacijah, kjer veliko število toplota se običajno izgubi v odpadke, od oblačil do velikih industrijskih objektov.

Nanostrukture, ki se uporabljajo v polprevodniških termoelektričnih materialih, bodo pomagale vzdrževati dobro električno prevodnost in zmanjšati toplotno prevodnost. Tako je mogoče učinkovitost termoelektričnih naprav povečati z uporabo materialov na osnovi nanotehnologije z uporabo Peltierjevega učinka. Imajo izboljšane termoelektrične lastnosti in dobro sposobnost absorpcije sončne energije.

Uporaba termoelektrike:

1. Dobavitelji energije in senzorji v ponudbi.
2. goreče oljna svetilka, ki upravlja brezžični sprejemnik za komunikacijo na daljavo.
3. Uporaba majhnih elektronskih naprav, kot so MP3 predvajalniki, digitalne ure, GPS/GSM čipi in števci impulzov s toploto telesa.
4. Hitro hlajenje sedežev v luksuznih avtomobilih.
5. Odstranjevanje odpadne toplote iz avtomobilov s pretvorbo v električno energijo.
6. Pretvarjanje odpadne toplote iz tovarn ali industrijskih območij v dodatna moč.
7. Solarni termoelektriki so lahko učinkovitejši od fotovoltaike za proizvodnjo električne energije, zlasti na območjih z manj sončne svetlobe.

Magnetohidrodinamični generatorji električne energije proizvajajo elektriko z interakcijo premikajoče se tekočine (običajno ioniziranega plina ali plazme) in magnetno polje. Od leta 1970 se raziskovalni programi MHD izvajajo v več državah s posebnim poudarkom na uporabi premoga kot goriva.

Osnovno načelo generacije MHD je elegantno. Običajno nastane električno prevoden plin, ko visok krvni tlak s kurjenjem fosilnih goriv. Plin se nato usmeri skozi magnetno polje, zaradi česar v njem deluje elektromotorna sila v skladu s Faradayevim zakonom indukcije (imenovan po angleškem fiziku in kemiku iz 19. stoletja Michaelu Faradayu).

Sistem MHD je toplotni motor, ki vključuje ekspanzijo plina od visoke do nizek pritisk enako kot pri klasičnem plinskem turbogeneratorju. V sistemu MHD se kinetična energija plina pretvori neposredno v električno energijo, ko se lahko razširi. Zanimanje za generacijo MHD je sprva sprožilo odkritje, da lahko pride do interakcije plazme z magnetnim poljem pri veliko višjih temperaturah, kot je to mogoče v rotirajoči mehanski turbini.

Meje učinkovitosti toplotnih strojev je v začetku 19. stoletja postavil francoski inženir Sadi Carnot. Izhodna moč MHD generatorja za vsakega kubični meter njegova prostornina je sorazmerna s produktom prevodnosti plina, kvadratom hitrosti plina in kvadratom jakosti magnetnega polja, skozi katerega prehaja plin. Da bi MHD generatorji delovali konkurenčno, z dobro zmogljivostjo in razumnimi fizikalnimi dimenzijami, mora biti prevodnost plazme v temperaturnem območju nad 1800 K (približno 1500 C ali 2800 F).

Izbira vrste generatorja MHD je odvisna od uporabljenega goriva in uporabe. Obilne zaloge premoga v številnih državah po svetu omogočajo razvoj MHD sistemov za proizvodnjo električne energije na osnovi ogljika.

Osnovne metode in metode pretvorbe električne energije v toploto razvrščeni kot sledi. Ločimo neposredno in posredno električno ogrevanje.

pri neposredno električno ogrevanje pretvorba električne energije v toplotno se pojavi kot posledica prehoda električnega toka neposredno skozi segreto telo ali medij (kovina, voda, mleko, tla itd.). pri posredno električno ogrevanje Električni tok teče skozi posebno grelno napravo (grelni element), od katere se s toplotno prevodnostjo, konvekcijo ali sevanjem prenaša toplota na segreto telo ali medij.

Obstaja več vrst pretvorbe električne energije v toplotno, ki določajo Metode električnega ogrevanja.

Pretok električnega toka skozi električno prevodne trdne ali tekoče medije spremlja sproščanje toplote. Po Joule-Lenzovem zakonu je količina toplote Q=I 2 Rt, kjer je Q količina toplote, J; I - silatok, A; R - telo ali srednji upor, Ohm; t - trenutni čas pretoka, s.

Uporovno segrevanje se lahko izvaja s kontaktnimi in elektrodnimi metodami.

Kontaktna metoda uporablja se za ogrevanje kovin tako po principu neposrednega električnega segrevanja, na primer v električnih kontaktnih varilnih strojih, kot po principu indirektnega električnega segrevanja - v grelnih elementih.

Elektrodna metoda uporablja se za segrevanje nekovinskih prevodnih materialov in medijev: vode, mleka, sočne krme, prsti itd. Segret material ali medij se namesti med elektrode, na katere se napaja izmenična napetost.

Električni tok, ki teče skozi material med elektrodama, ga segreva. Navadna (nedestilirana) voda prevaja električni tok, saj vedno vsebuje določeno količino soli, alkalij ali kislin, ki disociirajo na ione, ki so nosilci električnih nabojev, to je električnega toka. Podobna je narava električne prevodnosti mleka in drugih tekočin, zemlje, sočne krme itd.

Neposredno ogrevanje elektrod se izvaja samo na izmenični tok, ker D.C. povzroči elektrolizo segretega materiala in njegovo propadanje.

Ugotovljeno električno ogrevanje z uporom široka uporaba v proizvodnji zaradi svoje enostavnosti, zanesljivosti, vsestranskosti in nizkih stroškov ogrevalnih naprav.

Ogrevanje z električnim oblokom

V električnem obloku, ki nastane med dvema elektrodama v plinastem mediju, se električna energija pretvori v toplotno.

Za sprožitev obloka sta elektrodi, povezani z virom energije, za kratek čas v stiku in nato počasi razmaknjeni. Kontaktni upor v trenutku širjenja elektrod se močno segreje s tokom, ki teče skozi njega. Prosti elektroni, ki se nenehno premikajo v kovini, pospešijo svoje gibanje z naraščajočo temperaturo na mestu stika elektrod.

Z naraščanjem temperature se hitrost prostih elektronov toliko poveča, da se odtrgajo od kovine elektrod in poletijo v zrak. Med premikanjem trčijo ob molekule zraka in jih razcepijo na pozitivno in negativno nabite ione. Zračni prostor med elektrodama se ionizira, kar postane električno prevodno.

Pod vplivom napetosti vira pozitivni ioni hitijo na negativni pol (katoda), negativni ioni pa na pozitivni pol (anoda), s čimer tvorijo dolgotrajno razelektritev - električni lok spremlja sproščanje toplote. Temperatura obloka v različnih delih ni enaka in je za kovinske elektrode: na katodi - okoli 2400 °C, na anodi - okoli 2600 °C, v središču obloka - okoli 6000 - 7000 °C. .

Obstaja neposredno in posredno ogrevanje z električnim oblokom. Osnove praktična uporaba najde neposredno ogrevanje z električnim oblokom v napravah za elektroobločno varjenje. V inštalacijah indirektno ogrevanje lok se uporablja kot močan vir infrardečih žarkov.

Če kos kovine postavimo v izmenično magnetno polje, se v njem inducira spremenljivka e. d.s, pod vplivom katerega se bodo v kovini pojavili vrtinčni tokovi. Prehod teh tokov v kovino bo povzročil, da se ta segreje. Ta način ogrevanja kovine se imenuje indukcija. Naprava nekaterih indukcijski grelci temelji na uporabi pojava površinskega učinka in učinka bližine.

Za indukcijsko ogrevanje se uporabljajo industrijski (50 Hz) in visokofrekvenčni tokovi (8-10 kHz, 70-500 kHz). Najbolj razširjena indukcijsko ogrevanje kovinska telesa (deli, surovci) v strojništvu in popravilu opreme ter za kaljenje kovinski deli. Indukcijsko metodo lahko uporabljamo tudi za segrevanje vode, zemlje, betona in pasterizacijo mleka.

Dielektrično ogrevanje

Fizikalno bistvo dielektričnega ogrevanja je naslednje. V trdnih snoveh in tekočinah s slabo električno prevodnostjo (dielektriki), postavljenih v hitro spremenljivo električno polje, se električna energija pretvori v toplotno.

Vsak dielektrik vsebuje električni naboji vežejo medmolekularne sile. Ti naboji se imenujejo vezani v nasprotju s prostimi naboji v prevodnih materialih. Pod vplivom električno polje vezani naboji so usmerjeni ali premaknjeni v smeri polja. Premik vezanih nabojev pod vplivom zunanjega električnega polja imenujemo polarizacija.

V spremenljivki električno polje Obstaja neprekinjeno gibanje nabojev in posledično molekul, ki so z njimi povezane z medmolekulskimi silami. Energija, ki jo vir porabi za polarizacijo molekul neprevodnih materialov, se sprosti v obliki toplote. Nekateri neprevodni materiali vsebujejo majhno količino prostih nabojev, ki pod vplivom električnega polja ustvarijo majhen prevodni tok, kar prispeva k sproščanju dodatne toplote v materialu.

Pri dielektričnem segrevanju se material, ki ga segreva, namesti med kovinske elektrode - kondenzatorske plošče, na katere se iz posebnega visokofrekvenčnega generatorja napaja visokofrekvenčna napetost (0,5 - 20 MHz in več). Napeljavo za dielektrično ogrevanje sestavljajo visokofrekvenčni cevni generator, močnostni transformator in sušilno napravo z elektrodami.

Visokofrekvenčno dielektrično segrevanje je obetavna metoda ogrevanja in se uporablja predvsem za sušenje in toplotno obdelavo lesa, papirja, živil in krmil (sušenje žita, zelenjave in sadja), pasterizacijo in sterilizacijo mleka itd.

Ogrevanje z elektronskim žarkom (elektronsko).

Ko se tok elektronov sreča ( elektronski žarek), pospešeno v električnem polju, se pri segretem telesu električna energija pretvori v toplotno. Značilnost elektronskega ogrevanja je visoka gostota koncentracija energije znaša 5x10 8 kW/cm2, kar je nekaj tisočkrat več kot pri segrevanju z elektrooblokom. Elektronsko ogrevanje se uporablja v industriji za varjenje zelo majhnih delov in taljenje ultra čistih kovin.

Poleg obravnavanih načinov električnega ogrevanja se uporablja tudi v proizvodnji in vsakdanjem življenju. infrardeče ogrevanje (obsevanje).