Целью нашей работы было разработать метод превращения низкопотенциальной тепловой энергии (с разностью температур нагревателя и холодильника в 10-50 градусов) в электрическую с коэффициентом полезного действия большим, чем у полупроводниковых термоэлементов. Было решено использовать электрохимический метод преобразования теплоты в работу. В основе разработанного метода лежит обратимая экзотермическая реакцию взаимодействия серной кислоты с водой.
Разделение растворов кислоты на более и менее концентрированный происходит за счет тепловой энергии (в более нагретом сосуде происходит испарение воды из раствора, в менее нагретом- конденсация).
Генерация электрической энергии происходит в концентрационном гальваническом элементе. По нашим расчетам, в температурном интервале от 0 до 150 С коэффициент полезного действия электрохимического преобразователя значительно превосходит КПД полупроводниковых преобразователей.
Невысокий коэффициент полезного действия полупроводниковых термоэлементов объясняется тем, что большая часть теплоты переходит от горячего контакта к холодному путем теплопроводности [1].
В нашем случае непосредственный контакт между нагревателем и холодильником отсутствует. В нагревателе происходит испарение растворителя (соответственно, концентрация электролита повышается), в холодильнике происходит конденсация растворителя (соответственно, концентрация электролита падает). Таким образом, перенос теплоты неизбежно сопровождается полезной реакцией.
Работу электрохимического термоэлемента можно разделить на 2 процесса: процесс перегонки электролита и, собственно, работу концентрационного гальванического элемента. По отдельности эти процессы очень хорошо изучены. В качестве электролита мы используем серную кислоту. Давление паров над растворами серной кислоты различной концентрации при различных температурах приведены в справочнике [2].
Например, при 20 С давление над 10 процентным раствором 17 мм рт. столба, а давление над 50 процентным раствором при 40 С- 20 мм рт. столба. Следовательно, если температура одного сосуда с раствором серной кислоты 40 С, а другого 20 С, возможно осуществить перегонку раствора кислоты от 10% до 50% процентной концентрации. При атмосферном давлении это будет очень медленный процесс, однако при пониженном давлении он идет гораздо быстрее. Не менее хорошо изучена зависимость потенциала ряда электродов от концентрации серной кислоты. Например, для свинцового аккумулятора его ЭДС описывается эмпирической формулой 0.85+р, где р-плотность электролита в граммах на кубический сантиметр [3].
Два стандартных кислотных аккумулятора с разной концентрацией электролита, включенных навстречу друг другу, будут работать как концентрационный гальванический элемент. Аккумулятор с большей плотностью электролита будет разряжаться, и плотность электролита в нем уменьшится, а аккумулятор с меньшей концентрацией электролита будет заряжаться, и его плотность электролита будет расти. Конечно, после каждого цикла аккумуляторы надо менять местами.
Тут важно отметить, что в отличие от большинства концентрационных гальванических элементов, в данном случае наблюдается не логарифмическая, а практически линейная зависимость потенциала от концентрации электролита. Это связано с тем, что реакция растворения серной кислоты в воде экзотермическая, и именно эта энергия выделяется в процессе работы концентрационного гальванического элемента. В приведенном выше примере (концентрации электролита 10% и 50%) ЭДС концентрационного гальванического элемента составит 0,32 В.
Т.к. для перегонки раствора была использована разность температур в 20 К, эффективная термоЭДС подобной конструкции будет 16 мВ/К. Важно отметить, что для полупроводниковых термопар максимальные значения термоЭДС составляют 1,5 мВ/К, т.е. на порядок ниже. Однако коэффициент полезного действия в этом случае будет достаточно мал (меньше 1%) т.к. в этом случае мы перегоняем слишком много воды. При перегонке электролита от 40% до 55% (при тех же температурах в 40 С и 20 С для горячего и холодного контакта) КПД будет уже 4,5 %.
Таким образом, коэффициент полезного действия зависит не только от разницы температур, но и от разности концентраций исходного и конечного растворов кислот.
При дальнейшем повышении температуры нагревателя до 80-100 С возможно повышение КПД до 12-14%.
Заключение. Показана принципиальная возможность создания электрохимического преобразователя тепловой энергии в электрическую, основанного на обратимой реакции взаимодействия серной кислоты с водой. Коэффициент полезного действия подобного преобразователя в в температурном интервале от 0 до 150 С будет значительно превосходить КПД полупроводниковых преобразователей, что делает его пригодным для использования низкопотенциальной тепловой энергии и геотермальной энергии.
Библиографический список
- Vassel S. THE CONCEPT OF ALTERNATING CURRENT THERMOCOUPLE WITH LOW THERMAL CONDUCTIVITY.// Современные научные исследования и инновации. – Март 2014. – № 3, С.1
- В.А. Рабинович, З.Я. Хавин, Краткий химический справочник. Изд. 2-е, испр. и доп. – Л.: Химия, 1978, с. 285
- М. Дасоян, Стартерные аккумуляторные батареи: Устройство, эксплуатация, ремонт- М.: Транспорт, 1991, с. 142
Количество просмотров публикации: Please wait