нечную энергию в электрическую в зависимости от той же разности температур - 2- этих кривых видно, как общий к. п. д. tig сначала растет с увеличением разности - /2. а затем начинает падать, несмотря на увеличение разности температур, а следовательно к. п. д. термопар.

Пример 3. Найти температуры и горячего и холодного спаев железо-константановой термопары длиной 1= 5 см, с сечением железного проводника Si=2 мм и константанового Sj = .,.[5 мм, снабженной охлаждающим крылом площадью = 600 мм и пластиной у горячего спая площадью s, = 540 если температура горячих газов /=530° С, а TCKiiepaTypa воздуха у холоДного конца /,=20° С.

Сравнить с температурами <г и tj, получающимися при тех же условиях и размерах для медно-коистантановой термопары.

Так как температуры и спаев термопары неизвестны, то среднюю температуру термопары определяем по формуле (3), подставляя в нее вместо и t, и t.

530 -h 20

ioa йо m С

Фиг. 11. Кривые зависимости эффективности коллектора (\ и к. п. д. термоэлектрического генератора tjg, использующего солнечную энергию, в зависимости от -

I - коллектор вастеклен двумя слоями обычного стекла: 2 - коллектор застеклен четырьмя слоями специального стекла.

леза Х] = ЗЫО-в и константана xj ление термопары (обратное ее теплопроводности) будет:

1 I 0,05-10-8

= 275° С.

Находим по табл. 2 для 275° С теплопроводности же-= 33-10-8. Тепловое сопротив-

Sixi-I-Sjxj -2-31-1-2,5-33

= 346.

Принимая коэффициент теплопередачи а, лежащий в пределах 20-7-40-10- , равным 25-10-8, находим тепловые сопротивления на границах между горячими газами и пластиной у горячего спая

1 106 1 -= - g. = 80 и между воздухом и крыльями охлаждения -- =

25-600 -°-

Пользуясь полученными значениями для определения перепада температур между воздухом и крыльями охлаждения, находим температуру последних:

(530 -20)-67

80-3464-67 -Ь20:87°С.

Подставляя их в формулу (25), определяющую разность температур горячего и холодного спаев, и добавляя температуру холодного спая t, находим температуру горячего спая:

(530 - 20) 346

87.= 447° С.

80 + 346 + 67

Для проверки определим среднюю температуру проводников термопары, подставляя в формулу (3) найденные значения и t:

447 + 87

= 267° С,

что весьма близко к найденному ранее ориентировочно значению 275° С.

В случае медно-константановой термопары, беря теплопроводность меди при 275° С по табл. 2 xi = 375-10-е, находим тепловое сопротивление термопары:

1 0,05-106

= 60,

откуда при прежних значениях

2-375 -1-2,5-33

находим

(530 - 20)67 :с = кТбОТб7 + 20= °С

(530 - 20) 60 г = Б0Тб0Тб7+ 6 = 330°С.

Полученные результаты расчета показывают, что из-за большой теплопроводности меди ее сечение следует брать весьма малым во избежание резкого снижения перепада температур на концах термопары

9. ВЫБОР КОНСТРУКТИВНЫХ РАЗМЕРОВ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА

Практически при конструировании термоэлектрического генератора горячие спаи термопар обычно располагаются в ограниченном пространстве вблизи пламени горелки нагревателя. Все тепло, уносимое горячими газами из этого пространства, теряется бесполезно.

Поэтому геометрические размеры термопар следует выбирать так, чтобы обеспечить возможно большую отдачу полезной мощности каждой из термопар, даже

3 А. с. Бернштейн 33

за счет снижения их к. п. д. тг). Для этого должно удовлетворяться условие (27). Соотношение между Sy и Sj при этом следует выбирать наивыгоднейшим с точки зрения повышения -ц по формуле (10).

Ради удобства крепления термопар в блоке и обеспечения достаточной то.пщнны теплоизоляционных прокладок, отделяющих нагреватель от окружающего воздуха, длину термопар / нельзя выбирать слишком малой. Выбор сечений проводников термопары s, и Sj определяется необходимостью обеспечить достаточную механическую прочность термопары.

Площади и определяются при помощи формул (27) и (26), причем обычно удобно выбирать больше, чем S так как крылья охлаждения располагаются значительно свободнее, чем пластины горячих спаев.

Общий вес конструкции определяется по формуле

WK(s,/r, + s,lb + 0,5sdj-Ь 0,5sjij, (28)

где Y[ и Y2 - удельный вес материалов проводников, образующих термопары; у. и - удельный вес материалов пластины у горячих спаев термопары и крыльев охлаждения; и d - толщина пластины у горячих спаев и толщина крыльев.

Следует иметь в виду, что термо-э. д. с, р и х используемых материалов могут довольно значительно отклоняться от значений, взятых из таблиц и справочников (на 10 - 20%), причем для сплавов эти отклонения могут быть еще выше. Однако нет необходимости очень точно придерживаться наивыгоднейшего соотношения сечений Sj и Sj, так как отклонение на 10 - 20/р от расчетного вызовет еще очень слабое понижение к. п. д. Если начинать с выбора размеров, определяющих Sj, то ошибка при вычислении наивыгоднейшей длины термопар / = 52, могущая возникнуть из-за недостаточной определенности величины а и, следовательно, р, слабо сказывается на величине отдаваемой полезной мощности, по крайней мере пока эта ошибка не выходит за пределы - 50%, + 1000/е-

Пример 4. Рассчитать термоэлектрический генератор на железо-константановых термопарах для питания приемника, потребляющего по цепям накала О 52 а при I а и по анодным цепям 11 ма при 90 е. В качестве источника тепла использовать керосиновую лампу, потребляю-

щую 9 = 70 г керосина в час, с теплотворной способностью Q = 11.500 втч/кг, принимая, что она дает температуру вблизи пламени 300-400° С.

Ориентировочно принимаем -/ = 200=С и среднее значение термо-э. д. с. для железо-константановой термопары 55-Ю-е в/л/°С.

Для ориентировочного определения средней температуры материалов термопары примем температуру ее холодного спая t=WC. Тогда, так как выше было принято t - t равным 200° С, средняя температура по формуле (3) будет

i=40+-Y

140 С.

Беря из табл.2 р], рз а и zj, соответствующие приблизительно 140° С, и учитывая, что температура горячих спаев в градусах абсолютной шкалы равна 273 + 40 200 =s: 500° С, находим по формуле (11):

200 1

IjKCKC - 500 л ОО ЛП , ЧЛП omi = 0,33%.

500 4 (/0,22 42 >0,49-29) + 552.10-6.500

Обычно и) лежит между 10-30%; таким образом, от генератора можно получить

Q-1-%aKc =11 500-0,07.0,0033 (0,1 ч- 0,3) = О 28 н- 0,84 вт.

Следовательно, накал можно питать непосредственно от генератора, анодные же цепи можно питать лишь от аккумуляторов, предварительно заряжаемых от термоэлектрического генератора.

Принимая, что для зарядки аккумулятора генератор должен развивать напряжение 2,2 е, и определяя по формуле (4) термо-э. д. с. одной термопары = 55-10-6.200 = 0,011 в. находим, что он должен

состоять из q = 200 термопар. С >.угой стороны, генератор должен питать цепи накала и потому согласно формуле (16) должно быть:

0,011-0,52 г-

откуда следует, что сопротивление каждой из термопар должно быть:

0,011 - 0,005 0,52

-= 0,012 ол<.

Наивыгоднейшее соотношение сечений проводников термопары согласно формуле (10) будет:

, ,/0.22 . 29

Пользуясь формулой (1), находим, что / г 0,012

3 Pi ~

0,22

o-Ж+°

= 0,013.

Если принять температуру воздуха порядка 10-15° С и температуру горячих газов около 400° С, то при соблюдении условия (27) и выборе соотношения между площадью пластин и крыльев Sx ~ б5, получим иа концах термопар примерно те температуры <г = 240°С и /jj. = 40° С, которые были приняты ориентировочно в начале расчета.

Приняв 0 = 25-10-6 из условия (27), переписанного в виде:

получаем:

откуда

= (42-0,55 -f 29)10-6-1,17

2,43

2,43

0,013

525-10-6 = 187л(Л(2,

= = 6-187 = 1 122 ммК

Принимая длину термопар равной 4 см, находим:

0,04

2 =

0,013

= 3,1 л(Л(2:

Ч = а = 0,55-3,1 = 1,7 л(Л(3.

Принимая, что пластины у горячих спаев и крылья сделаны из меди толщиной в 1 мм, находим по формуле (28) общий вес конструкции:

W = 200 (1.7-0.04-7,8 + 3,1 -0,04-8,9 + 0,5-187-0,001 -8.9 + + 0,5-1 122-0,001-8,9) = 1 490 г 1,5 кг.

При зарядке от такого термоэлекрического генератора щелочных аккумуляторов на 1,4 е, имеющих в процессе зарядки напряжение 1.5 в, зарядный ток

2,2-1.5 -200-0,012 -0.29

и отдаваемая при этом мощность

Р = 0.29-1.5 = 0.44 ет.

При питании анодных цепей через вибропреобразователь с к. п. д. 0,55 для обеспечения 1 часа работы приемника будет требоваться 0,011-90

044-055 = Р°0ы генератора на аккумулятор.

10. ЛАБОРАТОРНЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Из термоэлектрических генераторов начала XX в. наибольшую известность приобрела так называемая батарея Гюльхера (фиг. 12). Составляющие ее 66 термопар укрепле-

ны в два ряда на шиферной пластине и электрически соединены между собой последовательно; каждая из них представляет собой никелевую трубочку, являющуюся одновременно одним из проводников термопары и газовой горелкой.

Фиг. 12. Батарея Гюльхера.

фиг. 13. Термоэлектрический генератор для зарядки аккумуляторов.

нагревающей горячий спай термопары. У верхнего конца трубочки, где горит газ, к ней прикреплен второй проводник термопары из сплава цинка с сурьмой. Между собой термопары соединены широкими медными пластинками, которые одновременно служат крыльями охлаждения. Генератор раз-