Вступление. Термопара является простейшей машиной, превращающей тепловую энергию в электрическую.
Термодинамика термопары достаточно проста:
электрическая мощность равна
Pe=a * (T1-T2 )* I, где а- коэффициент Зеебека,
T1-T2 разность температур и I — сила тока.
В результате протекания тока через контакт происходит выделение или поглощение теплоты Пельтье.
Мощность выделения теплоты Пельтье равна
Ph=a * T * I,
где Т- абсолютная температура.
Причем при работе термопары в режиме генератора на горячем спае происходит поглощение, а на холодном- выделение теплоты Пельтье. Таким образом, К.П.Д. идеальной термопары, в которой нет теплопередачи от горячего контакта к холодному, был бы равен отношению полезной мощности к тепловой мощности:
η=Pe/Ph=(T1-T2 )/T1
Как мы видим, коэффициент полезного действия идеальной термопары не зависит от коэффициентов Зеебека и равен К.П.Д. цикла Карно.
Концепция термопары переменного тока.
В реальных термопарах теплопередача от горячего контакта к холодному присутствует. Проблема в том, что хорошие проводники электричества являются и хорошими проводниками теплоты. А хорошие теплоизоляторы являются также хорошими диэлектриками. Постоянный ток через них не пройдет.
Совсем другое дело- переменный ток. Два проводника, разделенных диэлектриком, являются конденсатором. Конденсатор для переменного тока не преграда.
Термопара переменного тока , в которой горячий и холодный контакт разделены друг от друга термоизолирующим диэлектриком (или вакуумом), по своим качествам была бы ближе к идеальной термопаре, а её коэффициент полезного действия был бы ближе к К.П.Д. цикла Карно.
Возникает вопрос- как заставить термопару изменить знак Э.Д.С. не меняя местами горячий и холодный спай? Тут нам поможет продольный эффект Нернста- Эттингсгаузена. В магнитном поле коэффициенты Зеебека для металла или полупроводника меняются.
Принципиальная схема термопары переменного тока изображена на рис. 1.
Рис.1 Термопара переменного с внешним источником магнитного поля.
Таким образом, весь термоэлемент состоит из одного и того же материала. Магнитное поле поочередно включается то в области конденсатора 1, то в области конденсатора 2, в результате чего термоЭ.Д.С. будет менять знак.
Можно попытаться использовать собственное поле тока для изменения коэффициентов Зеебека. Схема термопары переменного тока с внутренним источником магнитного поля представлена на рисунке 2.
Рис. 2 Термопара переменного тока с внутренним источником магнитного поля.
В зависимости от направления тока магнитное поле генерируется в районе конденсатора 1 или конденсатора 2. Разумеется, Э.Д.С одиночной термопары мал, чтобы обеспечить правильную работу диодов, поэтому устройство состоит из множества термопар, соединенных последовательно, двух диодов и двух катушек.
Согласно литературным данным [1] в CdxHgbxTe в поле напряженностью 1 Тл термоЭДС меняется на 400 мкВ/К.
Выводы:
1.Коэффициент полезного действия термопар низок из-за их высокой тепловодности
2. В термопарах постоянного тока этот недостаток является принципиально неустранимым, т.к. хорошие проводники электричества являются также хорошими проводниками тепла
3. Цепи переменного тока, состоящие из проводников и конденсаторов, лишены подобного недостатка, т.к. диэлектрик или вакуум конденсатора будет теплоизолятором.
4. Разработана концепция термопары переменного тока на основе продольного эффекта Нернста-Эттингсгаузена.
Библиографический список
- АЛИЕВ C. A., СЕЛИМ-ЗАДЕ Р. И., ГАДЖИЕВ Т. Г. ТЕРМОМАГНИТНЫЕ ЭФФЕКТЫ НЕРНСТА-ЭТТИНГСГАУЗЕНА В CdxHgbxTe В УСЛОВИЯХ ФОНОННОГО УВЛЕЧЕНИЯ //FiZiKA. – 1998. – Т. 655. – №. 3.
References
- АЛИЕВ C. A., СЕЛИМ-ЗАДЕ Р. И., ГАДЖИЕВ Т. Г. ТЕРМОМАГНИТНЫЕ ЭФФЕКТЫ НЕРНСТА-ЭТТИНГСГАУЗЕНА В CdxHgbxTe В УСЛОВИЯХ ФОНОННОГО УВЛЕЧЕНИЯ //FiZiKA. – 1998. – Т. 655. – №. 3.
Количество просмотров публикации: Please wait