Технология преобразования тепловой энергии в электрическую. Как происходит преобразование тепловой энергии в электрическую

Главная / Забор

Исследовать работоспособность тепловых машин решил молодой французский инженер Н.С.Карно. Его работа «Размышление о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824), в которой он сформулировал общий и абстрактный методы решения специальной задачи, вышла за пределы специального исследования, положив начало новой науке - термодинамике.

Анализируя механизм действия тепловых машин, Карно исходил из того, что для их работы нужно наличие разности температур и затем их выравнивание, так же, как для работы водяных машин необходима разность уровней воды. Поэтому «возникновение движущей силы обязано в паровых машинах не действительной трате теплорода, а переходу его от горячего тела к холодному, т.е. восстановлению его равновесия». Но определяет ли производимую машиной работу? Ведь возможен процесс выравнивания температур без всякой работы, как при непосредственном тепловом контакте. Для того чтобы работа производилась, нужен посредник, рабочее вещество, которое было бы способно отобрать теплоту у нагревателя (более горячего тела) при более высокой температуре и отдать ее холодильнику (более холодному телу) - при более низкой.

Карно рассмотрел идеальную машину, которая имела бы большую эффективность, чем любая реальная машина. Идеальна она потому, что в ней отсутствует внутреннее трение, а процесс характеризуется только двумя температурами.

Теорема Карно, доказанная в этой работе: эффективность любой тепловой машины, работающей при температурах причем меньше эффективности идеальной машины. Кар-

но не вычислял коэффициент полезного действия (КПД), но указал, что он пропорционален разности падения температур единицы теплорода:

Идеи Карно в течение 10 лет не вызывали интереса, пока Клапейрон не выпустил свою книгу (1834), в которой он дал анализ работы Карно, перевел ее на математический язык и несколько улучшил сам цикл Карно - заменил его другим, теперь общеизвестным циклом из двух адиабат и двух изотерм, называемый циклом Карно. Клапейрон впервые употребил графическое изображение обратимых круговых процессов и вычислил работу как соответствующую площадь на графике.

Превращение теплоты в работу для практических целей важно, как и превращение одного вида энергии в другой. Обратимся к схеме работы тепловой машины. В цилиндре машины помещается при атмосферном давлении вещество (газ), называемое рабочим телом. Повысим его температуру, не меняя давление, и газ должен расшириться. Поршень пере-

местится на расстояние х, причем он будет двигаться против внешнего давления атмосферы. Если площадь поршня равна s, то совершается работа против силы, равной ps, так как р - сила, приходящаяся на единицу площади. Поршень переместился на расстояние х, и работа на этом пути Здесь поставлен знак минус, так как работа совершается

газом, который отдает ее внешней среде, перемещаясь в направлении, противоположном приложенной силе. Поскольку произведение sx есть изменение объема газа и равна теплоте,

затраченной на нагревание газа.

Пусть газ под поршнем в цилиндре находится в равновесии с окружающей средой. Будем медленно выдвигать поршень из цилиндра, не нарушая равновесия в каждый данный момент и сохраняя постоянство температуры. Этот процесс соответствует эмпирическому закону Бой-ля - Мариотта: pV= const. Точка 7, представляющая состояние газа, перейдет на плоскости р, V - в точку 2. Если опять же медленно и при постоянной температуре сжимать газ, то точка 2 вернется в точку 1 , потому что изотермический процесс обратим. Существует и другой обратимый процесс в идеально теплоизолированном сосуде - адиабатический. Этот процесс тоже очень медленный, так что температура во время сжатия или расширения выравнивается во всех точках, но меняется в зависимости от объема:

Оба этих обратимых процесса, конечно, идеализированы, реальные процессы могут только приближаться к ним, поскольку всегда есть какие-то потери теплоты на теплоизоляцию, вязкость среды и т. п. Цикл Карно состоит из двух изотермических и двух адиабатических процессов, которые образуют на графике в координатах (р, V) криволинейный четырехугольник. Адиабаты идут круче изотерм, поэтому они образуют боковые линии, а изотермы - основания. Теплота подводится и отнимается при изотермическом процессе, поэтому верхняя изотерма отвечает расширению газа в тепловом контакте с нагревателем температуры Т 1 , а нижняя - сжатию при контакте с холодильником при температуре Т 2 . Пусть газ получает от нагревателя теплоту Q 1 ,а холодильнику отдает теплоту Q 2 . Тогда за весь цикл он получит теплоту Q = Q 1 - Q 2 , равную совершенной работе А. Отношение работы А к теплоте, полученной у нагревателя (с нагревателем связаны основные затраты, ведь это ему нужно топливо), называется коэффициентом полезного действия теплового двигателя: КПД =

Коэффициент полезного действия двигателя, таким образом, определяется разностью температур нагревателя и холодильника, деленной на температуру нагревателя:

На рис. 4.3 графически представлена совершенная работа при Q = А + Q 1 , Возможность построения машины без холодильника, т.е. с КПД = 1, которая могла бы превращать в работу всю теплоту, заимствованную у теплового резервуара, не противоречит закону сохранения энергии. По своему практическому значению она

не уступала бы перпетуум-мобиле, так как могла бы производить работу за счет почти неисчерпаемых запасов внутренней энергии, содержащихся в воде морей и океанов, в атмосфере и недрах Земли. Такую машину У.Оствальд назвал перпетуум-мобиле второго рода (в отличие от перпетуум-мобиле первого рода - вечного двигателя, производящего работу из ничего). Карно исходил из идеи невозможности вечного двигателя, опираясь на факты многочисленных опытов, которая была возведена в постулат, названный вторым началом термодинамики.

На основе термодинамики У. Томсон (впоследствии лорд Кельвин) предложил абсолютную шкалу температур (см. рис. 4.1). Он исходил из того, что КПД всех обратимых двигателей определяется только абсолютными температурами холодильника и нагревателя. Машина Карно может использоваться для градуировки шкалы, если закрепить точку таяния льда. Проведя цикл Карно между данным телом и тающим льдом и измерив соответствующие количества теплоты, можно из прямой пропорциональности количества теплоты и температур найти абсолютную температуру (в К). С 1954 г., по определению X Генеральной конференции по мерам и весам, температура тройной точки воды (точка равновесного сосуществования льда, воды и пара) считается равной (273,16 К) при давлении 6,09 гПа.

Можно ли повысить КПД за счет уменьшения температуры холодильника? Казалось бы КПД = 1 при Т 2 = 0, но все газы гораздо раньше начинают сжижаться, т. е. перестают быть газами, следовательно, абсолютный нуль температур недостижим. Это и составляет содержание третьего начала термодинамики, утверждающего, что нельзя охладить вещества до температуры абсолютного нуля посредством конечного числа шагов. Понимание этого начала требует представлений об атомном строении вещества, тогда как другие начала есть обобщение непосредственного опыта и не зависят ни от каких предположений. Но: можно ли повысить КПД за счет увеличения температуры нагревателя? По этому пути развивается вся теплотехника (плазменные двигатели, например, имеют температуру горячего вещества до ), но этим путем

повышение КПД происходит медленней, чем понижением Т 2 . А когда хотят понизить температуру холодильника, обычно забывают, что на это надо затратить работу хотя бы с помощью жид-

кого воздуха. В холодильных установках теплота отбирается от холодного тела и отдается горячему, но только за счет работы извне. Смысл второго начала термодинамики в том и состоит, что нельзя непрерывно получать работу, не имея резервуара энергии. Для Земли таким источником энергии является Солнце. На солнечной энергии работают и гидростанции, и солнечные батареи, и ветряные двигатели. Их работа не противоречит второму началу термодинамики. В 1851 г. Кельвин сформулировал второе начало иначе: «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара». Близкую формулировку дал Макс Планк: «Невозможно построить периодически действующую машину, единственным результатом которой было бы поднятие груза за счет охлаждения теплового резервуара». Поэтому иногда говорят: «Процесс Томсона - Планка невозможен». Клаузиус выдвинул второй постулат в таком виде: «Теплота не может самопроизвольно переходить от тела менее нагретого к телу более нагретому». Можно показать, что все эти варианты второго начала эквивалентны и вытекают один из другого.

Преобразование электрической энергии в тепловую пли электронагрев имеет четыре основные разновидности, по которым классифицируются промышленные электропечи; 1) электронагрев через сопротивление; 2) дуговой электронагрев; 3) смешанный электронагрев; 4) индукционный нагрев.
Электронагрев металлургических печей имеет существенные преимущества по сравнению с нагревом в результате сжигания углеродистого топлива: возможность получения весьма высоких температур до 3000° и более при концентрации зон высоких температур в определенных участках рабочего пространства печей; легкость и плавность регулирования величины и распределения температуры в рабочем пространстве; чистота рабочего пространства и возможность избежать загрязнения его золой, серой, газами и различными примесями: низкие потерн металлов со шлаками, пылью, газами и вследствие угара; высокий термический к. п. д., достигающий 70-85%; малое количество газов и пыли; возможность комплексной механизации и автоматизации; культура и чистота рабочих мест; возможность применять любую газовую среду и вакуум.
К недостаткам электронагрева относятся: высокое потребление электроэнергии, значительно превосходящее потребление в других отраслях народного хозяйства, и конструктивное ограничение производительности и мощности для некоторых типов электропечей. в дальнейшем в связи с увеличением мощности и числа электростанций, снижением стоимости электроэнергии и увеличением мощности и производительности электропечей перечисленные недостатки утратят свое значение.
Общая активная, или ваттная мощность трехфазной электропечной установки Р определяется по формуле

Электронагрев через сопротивление

Этот тип электронагрева имеет несколько разновидностей. По способу выделения тепла различают косвенный и прямой нагрев; наибольшее значение и распространение в печной технике имеет косвенный нагрев, характеризующийся тем, что тепло выделяется в специальных нагревательных элементах (сопротивлениях) и передается от них к обрабатываемому материалу теплоотдачей. По температуре рабочего пространства печей различают нагрев; низкотемпературный в интервале 100-700°, среднетемпературный 700-1200° и высокотемпературный 1200-2000°.
При низкотемпературном нагреве весьма большое значение имеет теплообмен между нагревателем и материалом конвекцией, которая всемерно интенсифицируется принудительной циркуляцией с большими скоростями газа или воздуха внутри печен. При среднетемпературном и высокотемпературном нагреве, особенно при отсутствии принудительной циркуляции газов, основное количество тепла передается от нагревателей к обрабатываемым материалам излучением. Для электрических печей сопротивления высокотемпературный нагрев имеет лишь ограниченное значение.
Электронагрев сопротивлением нашел наибольшее применение для сушки и обжига материалов, нагрева и термической обработки металлов и сплавов, плавки легкоплавких металлов - олова, свинца, цинка, алюминия, магния и их сплавов, а также для лабораторных и бытовых нужд. Поскольку, однако, при косвенном нагреве размер нагревательных элементов увеличивается, а размещение их в рабочем пространстве печи оказывается затруднительным, верхний предел мощности электрических печей сопротивления ограничивают величиной 600-2000 квт.
Для нормального протекания процесса преобразования электрической энергии в тепловую и длительной устойчивой работы нагревательные элементы должны обладать следующими качествами: большим удельным электрическим сопротивлением, допускающим достаточное поперечное сечение элементов и ограниченную их длину; малым электрическим температурным коэффициентом, ограничивающим разницу в электрическом сопротивлении нагретого и холодного нагревателя, постоянством электрических свойств во времени; жаростойкостью и неокисляемостью; жаропрочностью, т. е. достаточной механической прочностью при высоких температурах; постоянством линейных размеров; хорошей обрабатываемостью материала (свариваемость, пластичность и др.). Этим требованиям наиболее удовлетворяют сплавы никеля, хрома, железа (нихром, фехраль и жаропрочная сталь), применяемые в электропечах сопротивления в виде проволоки или ленты, и углеродистые материалы, применяемые в виде угольных, графитовых или карборундовых стержней.
Определение размеров нагревательных элементов можно научно обосновать совместным решением двух основных уравнений, описывающих существо работы нагревателей - уравнения мощности и уравнения теплообмена. Поскольку нагревательный элемент является составной частью электрической цели, то для получения необходимой мощности он должен обладать определенными размерами и сопротивлением. С другой стороны, вся тепловая энергия, полученная в нагревательном элементе в результате преобразования электроэнергии, должна быть передана теплоотдачей к перерабатываемым материалам и футеровке печи, для чего необходимо иметь определенную поверхность, температуру и коэффициент теплоотдачи. Если теплоотдача нагревательного элемента не соответствует происходящему в нем тепловыделению - элемент будет перегреваться, а его температура может превысить допустимые для материала пределы, что приведет к разрушению нагревателя.
На основании решения уравнения мощности для нагревательных элементов любой формы и материала выведена общая формула

При расчете размеров нагревателя величина w должна точно соответствовать его удельной теплоотдаче, которую находят решением соответствующего уравнения теплообмена нагревателя, кладки и материала А.Д. Свенчанский проанализировал условия теплоотдачи для различных реальных нагревателей и составил графики и таблицы, с помощью которых можно находить величину w.

Дуговой электронагрев

Этот вид электронагрева применяется в высокотемпературных электрических печах большой мощности преимущественно для плавки различных материалов. Если дуга горит между электродом и перерабатываемым в печи материалом, то такие печи называются печами прямого действия с зависимой дугой: открытой - видимой (рис. 20, а) или закрытой - невидимой дугой, погруженной в слой шихты или расплава (рис. 20, б). Если дуга горит между электродами и непосредственно не соприкасается с перерабатываемыми в печи материалами и продуктами, то такие печи называются печами косвенного действия с независимой дугой (рис. 20, в). Наибольшим термическим к. п. д. обладают дуговые печи прямого действия, особенно с закрытой дугой, поскольку в них имеются наилучшие условия для теплообмена между дугой и материалом, позволяющие быстро и с ограниченными потерями тепла нагревать материал до весьма высокой температуры.

Дуговые печи прямого действия получили наибольшее применение для выплавки стали и ферросплавов, плавки и рафинирования меди и никеля и переработки различного рудного сырья. При плавке металлов или сплавов с высокой (металлической) электропровадностью можно работать только с открытой дугой, горящей на поверхности материала, так как погружение электродов в слой материала поведет к короткому замыканию. Работа с закрытой дугой возможна, когда перерабатываемые материалы и продукты имеют ограниченную (не металлическую) электропроводность. Дуговые печи непрямого действия применяются в тех случаях, когда соприкосновение перерабатываемого материала с дугой ухудшает качество продуктов или увеличивает потери, например при плавке некоторых цветных металлов и сплавов (латунь, бронза и др.). Следует особо подчеркнуть, что дуговой электронагрев в отличие от нагрева сопротивлением не имеет каких-либо ограничений по общей мощности печей.
Дуговой электронагрев слагается из процесса преобразования электроэнергии в тепловую, протекающего в горящей дуге, и процесса теплообмена между дугой, материалом и футеровкой. Описание закономерностей первого процесса является предметом так называемой теории дуги и особенно дуги переменного тока большой мощности. Значительный вклад в разработку теории дуги внесли В.В. Петров, В.Ф. Миткевич, С.И. Тельный, И.Т. Жердев, К.К. Хренов, Г.А. Сисоян и др. Вопросами теплообмена между дугой, материалом и футеровкой занимались Д.А. Диомидовский, Н.В. Окороков и др.
Электрическая дуга может быть получена при постоянном и переменном токе, но все промышленные печи работают обычно на переменном токе. Для устойчивого горения дуги и ограничения толчков тока при коротких замыканиях последовательно с ней в электрическую цепь включается индуктивное сопротивление, поглощающее небольшую долю активной мощности. При переменном токе в течение каждого полупериода напряжение сети и сила тока достигают максимума и проходят через нуль. На рис. 21, а показаны теоретические кривые мгновенного значения силы тока и напряжения дуги Iд и Uд и напряжения питающего источника Uист. Когда напряжение источника после перехода через нуль начинает расти, дуга зажигается только при достижении величины напряжения зажигания U1. С этого момента в цепи появляется ток, возрастающий по периодической кривой, отличной От синусоиды. Дуга затухает при напряжении затухания т. е. раньше перехода через нуль напряжения источника, и в этот момент прекращается ток. После перехода через нуль все описанные явления повторяются. Таким образом, ток в дуге идет прерывисто и дуга то зажигается, то погасает. Длительность перерывов в горении дуги зависит от многих факторов и, в частности, от материала электродов, степени разогрева печного пространства и др. Понятно, что прерывистая дуга снижает эффективность дугового нагрева и поэтому должны создаваться условия, обеспечивающие непрерывное горение дуги переменного тока. Основным средством для непрерывного горения дуги переменного тока является последовательное включение в цепь дуги индуктивного сопротивления, что видно из рис. 21, б и в.
Исследование дифференциального уравнения дуги переменного тока, имеющей в цепи активное и индуктивное сопротивления, определило соотношение величин индуктивного X и активного R сопротивлений, обеспечивающее непрерывное горение дуги при заданных напряжениях источника Uист и дуги Uд (рис. 22).

Эффективность дугового нагрева в весьма большой степени зависит от электрического режима горящей дуги и, в первую очередь, от величин напряжения и силы тока.
В настоящее время еще не создана научно обоснованная методика определения наивыгоднейшего напряжения для питания дуговых печей. Поэтому напряжение выбирают по данным заводской практики в пределах от 100 до 600 в, причем более высокое напряжение обычно принимается для дуговых печей большой мощности и для печей с закрытой дугой. Связь максимального рабочего напряжения Uлин и номинальной мощности печи Рном принято выражать эмпирической формулой

где k и n - эмпирические коэффициенты, имеющие различные значения в зависимости от типа печи и характера процесса. Например для дуговых сталеплавильных печей к = 15; n = 0,33. Работа на повышенном напряжении более рациональна, так как снижает потери электроэнергии и увеличивает длину и тепловое излучение дуги. Верхний предел напряжения (600 в) обусловлен в основном условиями электрической изоляции печи и безопасности обслуживающего персонала.
После определения величины напряжения выбор других показателей электрического режима электропечной установки с дуговым нагревом - оптимальной силы тока, cos φ и к. п. д. - производится по ее рабочим характеристикам. Рабочие характеристики дуговых печей нaxодят построением круговых диаграмм: для действующих заводских печей снимают с натуры, для вновь проектируемых печей - по расчетным данным.
Для теории дугового нагрева и расчета дуговых печей весьма большое значение имеет процесс теплообмена между горящей дугой и перерабатываемыми в печи материалами. Однако теория теплообмена в рабочем пространстве дуговых печей находится еще в начальной стадии своего развития и требует дальнейшей углубленной разработки.

Смешанный электронагрев

Этот тип нагрева, являющийся результатом совместного тепловыделения в электрической дуге и в сопротивлении слоя шихты или расплавов, имеет основное значение для рудно-термических печей, выплавляющих ферросплавы, чугун и перерабатывающих рудное сырье и полупродукты цветной металлургии и химической промышленности.
в наиболее сложном случае электрический ток, проходящий через дугу и слои шихты, шлака и металла, преобразуется в них в тепловую энергию Qдуги, Qшихты, Qшлака, Q металла, печи Робщ представляет сумму перечисленных тепловыделений. Принципиальная схема расчета всех этих тепловыделений и связь их с геометрией горна рудно-термических печей была в свое время освещена автором но для точного расчета тепловыделений не достает еще очень многих данных по термической характеристике дуги, электросопротивлениям шихты и расплавов, форме и размерам токопроводящих участков и т. п. Соответственно предложенный автором методом расчета руднотермических электропечей носит пока ориентировочный характер и имеет ограниченное применение.
Для цветной металлургии наибольшее значение имеют рудно-термические печи, работающие с электродами, погруженными в толстый слой шлака, в которых происходит смешанный электронагрев, складывающийся из двух основных составляющих: Qдуги и Qшлака.
М.С. Максименко предложил разделять все электротермические процессы на две основные группы; 1) процессы, в которых доля энергии, поглощаемая в дуге р, больше доли энергии, поглощаемой в шихте и расплавах 2) процессы, у которых р

Индукционный электронагрев

Индукционный электронагрев осуществляется по принципу трансформатора, у которого вторичная обмотка замкнута на. себя, в результате чего индуктируемый электрический ток преобразуется в тепловую энергию. Роль вторичной обмотки играет обычно сам нагреваемый материал. Электрическая энергия, подводимая в первичную обмотку (индуктор), совершает сложный переход в энергию быстропеременного магнитного поля, которая, в свою очередь, вновь переходит во вторичной цепи в электрическую энергию, преобразуемую здесь за счет сопротивления цепи в тепловую энергию. Если нагреваемый материал ферромагнитен, те часть энергии переменного магнитного поля преобразуется в тепловую энергию непосредственно, без перехода в электрическую энергию.
Наибольшее распространение в технике имеют два типа индукционных печей: 1) печи с железным сердечником; 2) печи без сердечника - высокочастотные.

Печи с железным сердечником имеют принципиальную схему (рис. 23, а), похожую на схему обычного трансформатора, у которого первичная обмотка насажена на железный сердечник, а вторичная представлена замкнутым кольцом расплавленного металла, т. е. совмещена с нагрузкой. В результате энергичной циркуляции металл, нагреваемый в кольцевом канале, поднимается вверх в рабочее пространство печи и, соприкасаясь с находящейся там шихтой, нагревает и расплавляет ее.
Печи без сердечника по своей схеме представляют воздушный трансформатор (рис. 23, б), первичной обмоткой которого является медная катушка - индуктор, а вторичная-сама металлическая шихта, загруженная в тигель.
Действующее значение индуктируемой электродвижущей силы Е. в, зависит от амплитудной величины полезного магнитного потока Фм, вб, частоты переменного тока f, пер/сек, числа витков обмотки w, и выражается формулой

В печах с железным сердечником величина достаточно большая благодаря концентрации полезного магнитного потока в сердечнике, а в печах без сердечника величина мала из-за большого магнитного рассеивания. Вследствие этого в индукционных печах с железным сердечником необходимая величина электродвижущей силы Е легко достигается на переменном токе с нормальной и пониженной частотой (f Основные преимущества индукционного нагрева следующие: выделение тепла прямо в массе нагреваемого материала, что уменьшает роль теплообменных процессов, обеспечивает более равномерный прогрев материала и значительно повышает термический к. п. д. индукционных печей; исключительная чистота рабочего пространства печей (обусловленная отсутствием загрязняющих его продуктов горения топлива, материалов нагревательных элементов и электродов), позволяющая получать особо чистые металлы и сплавы; возможность полной изоляции рабочего пространства печей от окружающего воздуха и ведения плавки в вакууме или в газовой защитной атмосфере; возможность получения весьма высокой температуры, лимитируемой только свойствами нагреваемого материала и огнеупорной кладки; энергичное перемешивание расплавов электромагнитными и тепловыми потоками, позволяющее получать сплавы равномерного химического состава; высокая удельная производительность индукционных печей; большая скорость нагрева и плавления; малые потери металлов от угара; высокая техническая культура печных агрегатов, отсутствие пыли и газов.
К недостаткам индукционного нагрева относятся: пониженный коэффициент мощности, поскольку для печей с железным сердечником соs φ = 0,3/0,8 и для бессердечниковых печей соs φ = 0,03/0,1; ограниченные размеры, мощность и емкость индукционных печей по сравнению с другими агрегатами; сложность электрического оборудования бессердечниковых печей, требующих специальных источников переменного тока высокой частоты и конденсаторных батарей значительной емкости; ограниченная стойкость футеровки каналов печей с железным сердечником и тиглей бессердечниковых печей: низкая температура нагрева шлаков.
Преимущества индукционного нагрева обусловили его широкое распространение. Индукционные печи с железным сердечником являются в настоящее время основным агрегатом для плавки и литья цветных металлов и производства цветных сплавов. Индукционные печи без сердечника применяются для плавки цветных и благородных металлов и для получения качественных стальных отливок. В металлургии меди, никеля и цинка также применяются индукционные печи, работающие на конечных переделах. Индукционный нагрев широко применяется на машиностроительных заводах при термической обработке различных металлических заготовок и изделий.
Теория индукционных печей с железным сердечником базируется на теории однофазного двухобмоточного трансформатора с железным сердечником. Отличие обычного трансформатора от индукционной печи с железным сердечником заключается в том, что у трансформатора вторичная обмотка и сеть потребления (нагрузка) находятся на значительном расстоянии одна от другой, а в индукционной печи вторичная обмотка совмещена с нагрузкой и представлена кольцом расплавленного металла.
Преобразуемая мощность Рпр может быть выражена через вторичный ток I2 и фактическое активное сопротивление металла в канале r2 формулой

Мощность, теряемая в индукторе (электрические потери) Рэл, выражается через первичный ток I1 и фактическое активное сопротивление обмотки индуктора

Полная активная (ваттная) мощность индукционной печи с железным сердечником Р будет

В теории индукционных печей без железного сердечника эти печи рассматриваются как воздушные трансформаторы, у которых в результате отсутствия замкнутого железного магнитопровода магнитные потоки проходят по перерабатываемой шихте и по воздуху.
Частота питающего индуктор переменного тока f зависит от емкости (мощности) индукционной печи и удельного сопротивления перерабатываемой шихты р2. Исследования показывают, что чем больше емкость печи и ее размеры, в частности диаметр шихты d, см, и чем меньше удельное сопротивление расплавленного металла р2. ом/см3, тем меньше может быть минимальная частота fмин, гц; указанная зависимость выражается формулой

Каждой емкости печи и сопротивлению соответствует определенная оптимальная частота питающего тока, при которой к. п. д. печи достигает возможного максимального значения. Для бессердечниковых печей большой емкости (мощности) оказалось возможным применять пониженную частоту переменного тока, вплоть до нормальной 50 гц.
Активная мощность бессердечниковой печи Ра состоит из мощности, преобразуемой в шихте, и мощности, теряемой в индукторе, и выражается формулой

На основании закономерностей процессов горения топлива и преобразования электрической энергии в тепловую могут решаться следующие наиболее важные задачи по теории, эксплуатации и проектированию металлургических печей:
а) выбор системы нагрева печей (углеродистое топливо или электроэнергия);
б) выбор типа и сорта топлива и системы его сжигания;
в) выбор параметров электроэнергии и системы ее преобразования в тепловую энергию;
г) расчеты процессов горения топлива;
д) выбор и расчет топочных устройств;
е) расчет и конструирование электрических печей.

Изобретение предназначено для использования в области энергетики, транспорта, авиации и космонавтики, где большую роль играет повышение экономичности тепловых машин. Способ преобразования тепловой энергии в механическую осуществляется путем использования двух разнородных тел в газовой фазе, их раздельного сжатия, раздельного подвода тепла к рабочим телам, смешения, адиабатического расширения смеси с получением механической работы, регенерации тепла, охлаждения и разделения смеси. Изобретение позволяет повысить КПД цикла и использовать низкопотенциальное тепло. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение предназначено для использования в области энергетики, транспорта, авиации и космонавтики, где большую роль играет повышение экономичности тепловых машин. Известен способ преобразования тепловой энергии в механическую, при котором сжатый в компрессоре воздух подают в камеру сгорания, где подводят теплоту в цикле при сжигании топлива, а образующиеся в ней продукты сгорания подают в парогазовый эжектор, в котором при их смешении с перегретым паром, образующимся в парогенераторе при подводе к воде теплоты и преобразуемым в активный поток ускорением в паровом сопле эжектора до достижения высокой скорости истечения, происходит увеличение скорости продуктов сгорания за счет передачи им кинетической энергии пара с последующим повышением давления продуктов сгорания в составе парогазовой смеси, которую расширяют в турбине, и через систему регенеративного подогрева воды, после отделения от парогазовой смеси продуктов сгорания, их удаляют из установки (см. патент РФ N 2076929, МПК F 01 К 21/04, 1997). Недостатком данного способа являются большие затраты теплоты на получение перегретого пара, использование громоздкой системы регенеративного подогрева воды и значительные потери при смешении в эжекторе. Известен способ преобразования тепловой энергии в механическую в замкнутом процессе с подводом тепла от сжигания твердого, жидкого или газообразного топлива или от другого источника, при котором инертный газ, например ксенон или CO 2 , сжимается в компрессоре, нагревается в газонагревателе и затем расширяется в первой газотурбинной ступени. Отработавшие, но еще обладающие энергией, газы попадают в смеситель, где они смешиваются с рабочей средой, например водой, или фреоном, или паром этой среды. Рабочая среда испаряется или перегревается. Смесь поступает во вторую газотурбинную ступень, где расширяется. Отработавшую смесь подают из второй газотурбинной ступени в конденсатор, причем благодаря конденсации одновременно вновь происходит разделение веществ. Газ поступает в компрессор, а рабочая смесь в сборник жидкости и через насос - в подогреватель или испаритель (см. заявку DE N 3605466, МПК F 01 K 21/04, 1987). Недостатком этого способа являются большие потери тепла и громоздкость применяемого оборудования. Из известных способов преобразования тепловой энергии в механическую (электрическую) наиболее близким является способ преобразования тепловой энергии в механическую путем использования двух разнородных рабочих тел, их раздельного сжатия, подведения тепла, смешения, адиабатического расширения смеси с получением механической работы, охлаждения и разделения смеси на рабочие тела (см. патент US, N 5444981, МПК F 01 K 21/04, 1995). В этом способе преобразования турбина извлекает полезную энергию при меньшем падении давления, чем потребовалось бы при использовании только одного рабочего тела. Однако указанный способ применим только для использования высокопотенциального тепла сжигания топлива в котле и имеет недостаточно высокий КПД цикла. Использование котла в качестве источника тепла и совместный подогрев смешанных рабочих тел предопределяют выбор в качестве рабочих тел паров воды и гелия, которые соответственно имеют недостаточно оптимальные теплофизические свойства в процессе преобразования тепловой энергии. Недостатком способа является также отсутствие процесса регенерации тепла. Задачей настоящего изобретения является повышение КПД цикла и получение возможности использования низкопотенциального тепла, например тепла солнца, тепла окружающей среды и др. Поставленная задача решается тем, что в способе преобразования тепловой энергии в механическую путем использования двух разнородных рабочих тел, их раздельного сжатия, подведения тепла, смешения, адиабатического расширения смеси с получением механической работы, охлаждения и разделения смеси на рабочие тела, согласно изобретению в качестве рабочих тел используют разнородные тела в газовой фазе (He - CO 2 , He - N 2 , Ar - CO 2 , H 2 - N 2 или их смеси), тепло к рабочим телам подводят раздельно, а после расширения смеси производят регенерацию тепла к первоначальным рабочим телам. Поставленная задача решается тем, что смешение рабочих тел осуществляют в газовом эжекторе со сверхзвуковым диффузором или пульсирующем газовом эжекторе. На чертеже приведена T-S диаграмма сжатия, нагрева, смешения, расширения смеси, регенерации тепла от смеси на вход к первоначальным газам, охлаждения и разделения газов. Процессы адиабатического раздельного сжатия 0-1 и 0-1" двух различных газов в диапазоне температур от T 0 до T 1 изображены пунктиром, так как они начинаются из одной точки с параметрами P 0 и T 0 , а заканчиваются в точках 1 и 1" из-за различия свойств применяемых газов. Газы сжимаются соответственно до давлений P 1 и P" 1 , и далее идут процессы изобарического раздельного подвода тепла 1-2 и 1"-2" от постороннего источника до температуры 2 . После подвода тепла газы смешиваются в газовом эжекторе - процесс 2 - P см - 2" при температуре T см = T 2 . Возможно повторное смешение смеси газов после эжектора с одним из рабочих тел для достижения оптимальных параметров рабочей смеси перед расширением. Смесь газов эжектора расширяется в процессе P см - P" см до температуры T" см с получением механической (электрической) энергии. В процессе P" см - P"" см происходит регенерация тепла (изобарический отвод тепла от смеси к первоначальным рабочим телам). При этом температура смеси снижается до T 1 . Процесс P"" см P 0 - адиабатический, замыкает термодинамический цикл, и смесь приобретает первоначальные параметры P 0 и T 0 . В точке 0 происходит охлаждение и разделение смеси на первоначальные компоненты с использованием энергии основного цикла. Способ преобразования тепловой энергии в механическую осуществляется следующим образом. Разнородные рабочие тела в газовой фазе, например He - CO 2 , He - N 2 , Ar - CO 2 , H 2 - N 2 или их смеси раздельно сжимаются до давлений P 1 и P" 1 и к ним раздельно подводится тепло, например тепло солнца, тепло окружающей среды или другое низкопотенциальное тепло (процесс 1-2 и 1"-2"). Затем нагретые рабочие тела смешиваются, например, в газовом эжекторе (точка P см). Наиболее предпочтительным является смешение рабочих тел в газовом эжекторе со сверхзвуковым диффузором. Смесь рабочих тел адиабатически расширяется до давления P" см с получением механической работы (или электрической энергии). В процессе P" см - P"" см происходит регенерация тепла. Тепло от смеси изобарически отводится и передается к первоначальным рабочим телам. Процесс P"" см - P 0 адиабатический, замыкает термодинамический цикл, и смесь приобретает первоначальные параметры P 0 и T 0 . В точке 0 происходит охлаждение и разделение смеси на первоначальные компоненты с использованием энергии основного цикла. Таким образом, в предлагаемом способе преобразования тепловой энергии в механическую (электрическую) осуществляется многоконтурный замкнутый термодинамический цикл, в котором разнородные рабочие тела после их сжатия и раздельного подвода тепла к ним попеременно то смешиваются, то разделяются после расширения смеси в турбине. Положительный эффект от применения такого цикла объясняется резким различием теплофизических свойств используемых газов в качестве рабочих тел и оптимальными параметрами и свойствами смесей, получаемых при смешении этих газов в эжекторе. Все это позволяет повысить термический КПД тепловой машины и использовать в качестве подогрева рабочих тел низкопотенциальное тепло окружающей среды (или солнечный нагрев).

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ преобразования тепловой энергии в механическую путем использования двух разнородных рабочих тел, их раздельного сжатия, подведения тепла, смешения, адиабатического расширения смеси с получением механической работы, охлаждения и разделения смеси на рабочие тела, отличающийся тем, что в качестве рабочих тел используют разнородные тела в газовой фазе (He - CO 2 , He - N 2 , Ar - CO 2 , H 2 - N 2 или их смеси), тепло к рабочим телам подводят раздельно, а после расширения смеси производят регенерацию тепла к первоначальным рабочим телам. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что смешение рабочих тел осуществляют в газовом эжекторе со сверхзвуковым диффузором.

Формула изобретения

Они являются устройствами непосредственного превращения тепловой энергии в электрическую. Принцип действия ТЭГ основан на применении эффекта Зеебека. С помощью такого эффекта во многих энергетических системах (например, в двигателях внутреннего сгорания) можно преобразовывать бесполезно теряемую (сбросовую) тепловую энергию от двигателя в электрическую и использовать ее для питания различных устройств в автомобиле. Термоэлектрические генераторы могут найти применение также на некоторых электростанциях, где используется метод когенерации, т.е. в дополнение к произведенной электроэнергии вырабатывается тепло, которое применяется в альтернативных целях. Термоэлектричество может использоваться также в системах преобразования солнечной энергии.

Простейший полупроводниковый термоэлектрогенератор (термоэлемент) состоит из отрицательной (н-типа проводимости) и положительной (р-типа проводимости) ветвей. Материал с электронной проводимостыо имеет отрицательную ТЭДС, а с дырочной проводимостью - положительную, поэтому можно получить большее значение термо-ЭДС (а следовательно, повышенное 77).

Рис. 4.54.

Электрическая цепь работающего ТЭГ состоит из р- и и-ветвей одного или нескольких термоэлементов (рис. 4.54), коммутационных пластин горячего (при температуре Т г) и холодного (при температуре Г) спаев и активной нагрузки 7?.

При нагреве горячих спаев термоэлемента до температуры Т г и рассеивании тепла О на холодных спаях, поддерживаемых при температуре Т, а также при разомкнутой цепи 7?, между спаями стационарно устанавливается разность температур (Г г - Г х). Тепловой поток через термоэлемент, в данном случае после некоторых упрощений, можно записать как

где к - среднее значение теплопроводностей ветвей в интервале температур Г г - Г х; А и / - площадь поперечного сечения и длина р- и я-ветвей соответственно.

Разность температур па спаях термоэлемента вызывает термодиффузию носителей, в результате чего горячие спаи ветвей обедняются электронами и дырками, которые концентрируются на холодных спаях. Нарушение электрической нейтральности создает поле, направленное от холодных участков к горячим, которое препятствует дальнейшей термодиффузии носителей. Поле и создает термоэлектродвижущую силу V, возникающую на концах разомкнутой цепи термоэлемента. Возникающая ЭДС пропорциональна разности температур и разности коэффициентов ТЭДС каждой ветви:

В момент замыкания термоэлемента на внешнюю нагрузку 7? в цепи потечет обусловленный эффектом Зеебека постоянный ток:

(ЯРТЭГ), солнечные концентраторы различного исполнения (СТЭГ). Ориентировочно полагается, что при электрических мощностях от 1 до 10 кВт на космическом летательном аппарате целесообразны РИТЭГ и СТЭГ, а при повышенных уровнях мощности (в особенности, в дальнем космосе) - ЯРТЭГ.

Для катодной защиты магистральных газо- и нефтепроводов от коррозии, при отсутствии вдоль трассы линии электропередачи используются ТЭГ, работающие на газообразном топливе. Для работы автоматики газовых буровых скважин применяются ТЭГ, использующие перепад температур окружающей среды и газа из скважины. Недостатками ТЭГ являются сравнительно низкий (3-5%) КПД преобразования энергии и значительная (10-15 кг/кВт) удельная масса. Поверхностная плотность мощности ТЭГ достигает 10 кВт/м 2 (па единицу поперечного сечения элемента), а объемная плотность мощности равна 200-400 кВт/м 3 .

Для получения в ТЭГ стандартного рабочего напряжения в 30 В при значении ТЭДС одного термоэлемента 0,1-0,3 В требуется последовательно соединить в батарею до 100 элементов. Для космических аппаратов создаются ТЭГ мощностью от единиц до сотен ватт. Каскадное соединение ТЭГ позволяет повысить КПД преобразования энергии до 13%.

Термоэлектрические генераторы бывают низкотемпературные, среднетемпературные и высокотемпературные. Максимальная рабочая температура низкотемпературных (самых распространенных) ТЭГ с типовыми размерами 3x3 и 4x4 см 2 достигает 470-520 К. Напряжение, ток и мощность подобных ТЭГ при температурах холодного и горячего спаев 323 и 423 К равны соответственно 2 В, 1 А и 2 Вт.

Рис. 4.55. Вид промышленного ТЭГ (о) и его принципиальное устройство (б) где г - внутреннее сопротивление термоэлемента. Этот же токвызовет выделение и поглощение тепла Пельтье на спаях р- и/7-ветвей термоэлемента с металлическими пластинами. Движение носителей будет происходить от горячих спаев к холодным, что соответствует поглощению на горячих спаях теплотыПельтье. Другими словами, вся электрическая мощность, вырабатываемая термоэлементом, есть разница теплот Пельтьеего горячего и холодного спаев. Эффективность термоэлементов для термоэлектрических генераторов оценивается соотношением Иоффе (4.13). Принципиальные преимущества ТЭГ (рис. 4.55) перед другими источниками электропитания состоят в следующем: длительный срок службы, не требующий специальногообслуживания, и практически неограниченный срок храненияпри полной готовности к работе в любое время; устойчивость в работе, стабильное напряжение, невозможность короткого замыкания и режима холостого хода, высокая надежность, стабильность параметров;
полная бесшумность в работе (из-за отсутствия движущихся частей)и вибростойкость. Благодаря перечисленным свойствам ТЭГ находят применение в областях, где необходимы сверхнадежные источникиэлектроэнергии, обладающие длительным сроком эксплуатации и не требующие обслуживания. Они используются для питания электричеством аппаратуры в труднодоступных объектах, которые монтируются в отдаленных районах Земли, - автоматических метеостанциях, морских маяках, космическихлетательных аппаратах. В перспективе такие объекты могутмонтироваться на Луне или на других планетах. В качествеисточников тепла для подвода к горячим спаям ТЭГ применяются радиоактивные изотопы (РИТЭГ), ядерные реакторы

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Выбор редакции