Thermogeneratoren: hoe elektriciteit op een gasfornuis te 'lassen'

Een van de elektrische forums stelde de volgende vraag: "Hoe kan ik elektriciteit krijgen met gewoon huishoudelijk gas?" Dit werd gemotiveerd door het feit dat het gas van deze kameraad, en inderdaad, zoals velen, eenvoudig wordt betaald door normen zonder een meter.

Hoeveel u ook gebruikt, u betaalt hoe dan ook een vast bedrag, en waarom niet al betaald maar ongebruikt gas in vrijstaande elektriciteit veranderen? Dus verscheen er een nieuw onderwerp op het forum, dat werd opgepikt door de rest van de deelnemers: een intiem gesprek helpt niet alleen om de werkdag te verminderen, maar ook om vrije tijd te doden.

Er zijn veel opties gesuggereerd. Koop gewoon een benzinegenerator en vul deze met benzine verkregen door destillatie van huishoudelijk gas, of maak de generator opnieuw om direct op gas te werken, zoals een auto.

In plaats van een verbrandingsmotor werd een Stirling-motor voorgesteld, ook bekend als een externe verbrandingsmotor. Dat is gewoon de beste starter (degene die het nieuwe onderwerp heeft gecreëerd) beweerde een generatorvermogen van minstens 1 kilowatt, maar het was gerationaliseerd, zeggen ze, zo'n stirling past zelfs niet in de keuken van een kleine eetkamer. Bovendien is het belangrijk dat de generator stil is, anders weet u zelf wat.

Na veel suggesties herinnerde iemand zich dat hij een foto in een boek zag met een kerosinelamp met een sterapparaat met meerdere stralen voor het voeden van een transistorontvanger. Maar dit zal een beetje verder worden besproken, maar voor nu ...

Thermo-elektrische generator. Geschiedenis en theorie

Om elektriciteit rechtstreeks van een gasbrander of andere warmtebron te ontvangen, worden warmtegeneratoren gebruikt. Net als een thermokoppel is hun werkingsprincipe gebaseerd op Seebeck effectgeopend in 1821.

Het genoemde effect is dat in een gesloten circuit van twee ongelijke geleiders een EMF verschijnt als de knooppunten van de geleiders zich op verschillende temperaturen bevinden. Een hete kruising bevindt zich bijvoorbeeld in een vat kokend water en de andere in een kop smeltend ijs.

Het effect komt voort uit het feit dat de energie van vrije elektronen afhankelijk is van de temperatuur. In dit geval beginnen de elektronen uit de geleider te bewegen, waar ze een hogere energie in de geleider hebben, waar de energie van de ladingen minder is. Als een van de knooppunten meer wordt verwarmd dan de andere, dan is het verschil in de energieën van de ladingen erop groter dan op de koude. Daarom, als het circuit gesloten is, ontstaat er een stroom in, precies dezelfde thermopower.

De grootte van de thermopower kan bij benadering worden bepaald met een eenvoudige formule:

E = α * (T1 - T2). Hier is a de thermo-elektrische coëfficiënt, die alleen afhankelijk is van de metalen waaruit het thermokoppel of thermokoppel is samengesteld. De waarde ervan wordt meestal uitgedrukt in microvolt per graad.

Het temperatuurverschil van de juncties in deze formule (T1 - T2): T1 is de temperatuur van respectievelijk de hot junction en T2 van de kou. De bovenstaande formule wordt duidelijk geïllustreerd in figuur 1.

Figuur 1. Thermokoppel principe

Deze tekening is klassiek, hij kan in elk natuurkundeboek worden gevonden. De afbeelding toont een ring bestaande uit twee geleiders A en B. Het knooppunt van de geleiders wordt knooppunten genoemd. Zoals weergegeven in de afbeelding heeft de thermopower in een warme junctie T1 een richting van metaal B naar metaal A. A in een koude junction T2 van metaal A naar metaal B. De in de figuur aangegeven richting van de thermopower is geldig voor het geval wanneer de thermopower van metaal A positief is ten opzichte van metaal B .

Hoe het thermo-elektrisch vermogen van een metaal te bepalen

Het thermo-elektrisch vermogen van een metaal wordt bepaald met betrekking tot platina. Hiervoor wordt een thermokoppel, waarvan een van de elektroden platina (Pt) is en de andere het testmetaal is, verwarmd tot 100 graden Celsius. De verkregen millivoltwaarde voor sommige metalen wordt hieronder weergegeven.Bovendien moet worden opgemerkt dat niet alleen de grootte van de thermopower verandert, maar ook het teken met betrekking tot platina.

In dit geval speelt platina dezelfde rol als 0 graden op de temperatuurschaal, en de hele schaal van thermopower-waarden is als volgt:

Antimoon +4.7, ijzer +1.6, cadmium +0.9, zink +0.75, koper +0.74, goud +0.73, zilver +0.71, tin +0.41, aluminium + 0,38, kwik 0, platina 0.

Na platina zijn metalen met een negatief thermo-elektrisch vermogen:

Kobalt -1.54, nikkel -1.64, constantan (een legering van koper en nikkel) -3.4, bismut -6.5.

Met behulp van deze schaal is het heel eenvoudig om de waarde van het thermo-elektrisch vermogen te bepalen dat is ontwikkeld door een thermokoppel dat is samengesteld uit verschillende metalen. Om dit te doen, volstaat het om het algebraïsche verschil te berekenen in de waarden van de metalen waarvan de thermo-elektroden zijn gemaakt.

Voor een antimoon-bismutpaar is deze waarde bijvoorbeeld +4,7 - (- 6,5) = 11,2 mV. Als een ijzer-aluminiumpaar als elektroden wordt gebruikt, is deze waarde slechts +1,6 - (+0,38) = 1,22 mV, wat bijna tien keer minder is dan die van het eerste paar.

Als de koude overgang op een constante temperatuur wordt gehouden, bijvoorbeeld 0 graden, dan zal de thermopower van de hete overgang evenredig zijn met de temperatuurverandering, die wordt gebruikt in thermokoppels.

Hoe thermogeneratoren werden gemaakt

Al in het midden van de 19e eeuw werden tal van pogingen gedaan om te creëren warmte generatoren - apparaten voor het opwekken van elektrische energie, dat wil zeggen voor het voeden van verschillende verbruikers. Als dergelijke bronnen moest het batterijen van in serie geschakelde thermokoppels gebruiken. Het ontwerp van een dergelijke batterij is weergegeven in figuur 2.

Figuur 2. Thermische batterij, schematisch

De eerste thermo-elektrische batterij gecreëerd in het midden van de 19e eeuw door natuurkundigen Oersted en Fourier. Bismut en antimoon werden gebruikt als thermo-elektroden, precies hetzelfde paar pure metalen met de hoogste thermo-elektrische kracht. Hete knooppunten werden verwarmd door gasbranders, terwijl koude knooppunten in een vat met ijs werden geplaatst.

In experimenten met thermo-elektriciteit werden later thermopiles uitgevonden, geschikt voor gebruik in sommige technologische processen en zelfs voor verlichting. Een voorbeeld is de Clamone-batterij, ontwikkeld in 1874, waarvan de kracht voldoende was voor praktische doeleinden: bijvoorbeeld voor galvanisch vergulden, en voor gebruik in drukkerijen en workshops voor het graveren van helio's. Rond dezelfde tijd was de wetenschapper Noé ook betrokken bij de studie van thermozuilen; zijn thermozuilen waren toen ook vrij wijdverbreid.

Maar al deze experimenten, hoewel succesvol, waren gedoemd te mislukken, omdat thermozuilen op basis van puur metaal thermokoppels een zeer lage efficiëntie hadden, wat hun praktische toepassing belemmerde. Puur metaalrook heeft een efficiëntie van slechts enkele tienden van een procent. Halfgeleidermaterialen hebben een veel grotere efficiëntie: sommige oxiden, sulfiden en intermetallische verbindingen.

Halfgeleider thermokoppels

Een ware revolutie in de creatie van thermokoppels werd gemaakt door het werk van Academician A.I. Joffe. Aan het begin van de jaren dertig van de twintigste eeuw bracht hij het idee naar voren dat het met behulp van halfgeleiders mogelijk is om thermische energie, inclusief zonne-energie, om te zetten in elektrische energie. Dankzij het onderzoek al in 1940 werd een halfgeleiderfotocel gecreëerd om zonne-energie om te zetten in elektrische energie.

Eerste praktische toepassing halfgeleider thermokoppels het moet blijkbaar worden beschouwd als een "partijdige bowler", die het mogelijk maakte om stroom te leveren aan sommige draagbare partijdige radiostations.

De basis van de thermogenerator was elementen uit constantan en SbZn. De temperatuur van de koude verbindingen werd gestabiliseerd door kokend water, terwijl de hete verbindingen werden verwarmd door de vlam van een vuur, terwijl een temperatuurverschil van ten minste 250 ... 300 graden werd gewaarborgd. De efficiëntie van een dergelijk apparaat was niet meer dan 1,5 ... 2,0%, maar het vermogen om de radiostations van stroom te voorzien was voldoende.Natuurlijk was het ontwerp van de 'bowler' in die oorlogstijd een staatsgeheim en zelfs nu wordt het ontwerp op veel internetfora besproken.

Warmtegeneratoren voor huishoudelijk gebruik

Al in de naoorlogse jaren vijftig begon de Sovjetindustrie met de productie thermische generatoren TGK - 3. Het belangrijkste doel was het voeden van radio's op batterijen in niet-geëlektrificeerde landelijke gebieden. Het generatorvermogen was 3 W, wat het mogelijk maakte om de batterijontvangers te voeden, zoals Tula, Iskra, Tallinn B-2, Rodina-47, Rodina-52 en enkele anderen.

Het uiterlijk van de TGK-3 thermogenerator wordt getoond in figuur 3.

Figuur 3. Thermische generator TGK-3

Ontwerp thermische generator

Zoals reeds vermeld, was de warmtegenerator bedoeld voor gebruik op het platteland, waar verlichting werd gebruikt kerosine lampen "bliksem". Zo'n lamp, uitgerust met een thermische generator, werd niet alleen een lichtbron, maar ook elektriciteit.

Tegelijkertijd waren extra brandstofkosten niet nodig, omdat precies dat deel van kerosine dat gewoon in de pijp vloog, in elektriciteit veranderde. Bovendien was zo'n generator altijd klaar voor gebruik, het ontwerp was zodanig dat er eenvoudig niets in te breken was. De generator kon gewoon stilstaan, werken zonder belasting, was niet bang voor kortsluiting. De levensduur van de generator, vergeleken met galvanische batterijen, leek eenvoudig eeuwig.

De rol van de uitlaatpijp van de "bliksem" van de kerosinelamp wordt gespeeld door het langwerpige cilindrische deel van het glas. Bij gebruik van de lamp samen met de warmtegenerator werd het glas ingekort en werd een metalen warmteoverdrachtseenheid 1 erin gestoken, zoals weergegeven in figuur 4.

Figuur 4. Kerosinelamp met thermo-elektrische generator

Het externe deel van de warmteoverbrenger heeft de vorm van een veelzijdig prisma waarop thermozuilen zijn gemonteerd. Om de efficiëntie van de warmteoverdracht te vergroten, had de warmtezender binnenin verschillende longitudinale kanalen. Bij het passeren van deze kanalen gingen de hete gassen in de uitlaatpijp 3, terwijl tegelijkertijd de thermozuil werd verhit, meer bepaald zijn hete verbindingen.

Een luchtgekoelde radiator werd gebruikt om de koude verbindingen te koelen. Het is een metalen rib die is bevestigd aan de buitenoppervlakken van thermozuilblokken.

Thermogenerator - TGK3 bestond uit twee onafhankelijke secties. Een van hen genereerde een spanning van 2V bij een laadstroom tot 2A. Deze sectie werd gebruikt om de anodespanning van de lampen te verkrijgen met behulp van een trillingsomvormer. Een ander gedeelte met een spanning van 1,2 V en een laadstroom van 0,5 A werd gebruikt om de gloeidraad van de lampen te voeden.

Het is gemakkelijk om te berekenen dat het vermogen van deze warmtegenerator niet hoger was dan 5 Watt, maar het was voldoende voor de ontvanger, waardoor lange winteravonden konden worden opgefleurd. Nu lijkt dit natuurlijk belachelijk, maar in die tijd was zo'n apparaat ongetwijfeld een wonder van technologie.

In 1834 ontdekte de Fransman Jean Charles Atanaz Peltier het effect tegenovergesteld aan het Seebick-effect. De betekenis van de ontdekking is dat wanneer stroom door de kruising stroomt van ongelijke materialen (metalen, legeringen, halfgeleiders), warmte vrijkomt of wordt geabsorbeerd, afhankelijk van de richting van de stroom en de soorten materialen. Dit wordt hier in detail beschreven: Peltier-effect: het magische effect van elektrische stroom