Тепловые преобразователи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Вступление. Тепловые преобразователи

Преобразователь тепловой энергии

Преобразователь тепловой энергии в электрическую

Термоэмиссионный преобразователь

Термоэлектронный преобразователь

Термоэлектрический преобразователь

Тепломеханический преобразователь

Прибор для измерения наружных углов изделий

Список литературы

Вступление. Тепловые преобразователи

Тепловые преобразователи служат для преобразования температуры в электрический сигнал. Принцип действия базируется на эффекте возникновения разности потенциалов по обе стороны от границы контакта двух проводников (полупроводников), изготовленных из различных материалов.

Механизм возникновения разности потенциалов по обе стороны от границы контактов проводников объясняется различием в плотностях электронного газа этих проводников.

В процессе теплообмена различают три основных вида передачи теплоты: теплопроводность, теплообмен путем конвекции и тепловое излучение. Интенсивность теплообмена определяется плотностью теплового потока, под который понимается количество теплоты, проходящей в единицу времени через единицу площади поверхности тела. С помощью одной лишь теплопроводности теплота передается только через твердые непрозрачные тела. Теплообмен путем конвекции имеет место при передаче теплоты через жидкости и газы, а также при передаче теплоты от жидкости или газа к поверхности твердого тела или, на оборот, от твердой поверхности к жидкости или газу. Теплообмен путем конвенкции всегда сопровождается теплообменом посредством теплопроводности. Электромагнитные колебания, способные переносить тепловую энергию, обычно называют тепловыми, а процесс их распространения - тепловым излучением. Всякое имеющее температуру, отличную от 0 К, всегда излучает энергию. При попадании на другие тела эта энергия частью поглощается и снова превращается в тепловую, частью отражается, частью проходит сквозь тела. Отраженная и прошедшая сквозь тело энергия в конце концов поглощается другими (окружающими) телами. Следовательно, каждое тело не только непрерывно излучает, но и непрерывно поглощает энергию.

Основным уравнением теплового преобразования является уравнение теплового баланса, физический смысл которого заключается в том, что вся теплота, поступающая к преобразователю, идет на повышение его теплосодержания Qтс и, следовательно, если теплосодержание преобразователя остается неизменным (не изменяются температура и агрегатное состояние), то количество поступающей в единицу времени теплоты равно количеству отдаваемой теплоты. Теплота, поступающая к преобразователю, является суммой количества теплоты Qэл. создаваемой в результате выделения в нем электрической мощности, и количества теплоты Qтопоступающей в преобразователь или отдаваемой им в результате теплообмена с окружающей средой. Таким образом, уравнение теплового баланса имеет вид Qэл +Qто = Qтс и основы расчета тепловых преобразователей заключаются в расчете процессов теплопередачи и теплосодержания.

Преобразователь тепловой энергии

Рисунок 1 -тепловой преобразователь.

Изобретение относится к высокотемпературным источникам электроэнергии с прямым преобразованием тепла в электричество и может быть использовано в солнечной энергетике или при создании автономных источников электроэнергии с произвольным источником высокотемпературного тепла.

Известен преобразователь тепловой энергии непосредственно в электрическую с использованием концентрационного электрохимического элемента, который представляет собой герметичную конструкцию, состоящую из двух отсеков, разделенных ионопроводящей мембраной, к обеим поверхностям которой примыкают газодиффузионные электроды. К одному отсеку подводится тепло от внешнего источника, от другого - отводится. В нагреваемом отсеке находится рабочее тело в жидкой фазе, в охлаждаемом - рабочее тело в паровой фазе в объеме отсека и в жидкой фазе на стенах и дне отсека. За счет разности температур рабочего тела в отсеках и, следовательно, давлений (концентраций) насыщенного пара возникает разность электрохимических потенциалов, приводящая к возникновению электродвижущей силы.

Недостатками преобразователя являются заметные тепловые потери в виде теплового потока по элементам конструкции от нагреваемого отсека к охлаждаемому и в виде потока теплового излучения от поверхности ионопроводящей мембраны к стенкам охлаждаемого отсека. Этот факт отмечен в [1] и там же показано, что эти потери могут уменьшить КПД преобразователя на 10... 15%.

Преимуществами является повышенный КПД ввиду уменьшения кондуктивных и излучательных тепловых потерь; уменьшение собственного энергопотребления связано с принципом работы устройства обратной подачи жидкой фазы, не требующем внешнего источника энергии и основанном на явлении поверхностного натяжения и неразрывности жидкости

Преобразователь содержит герметичный корпус, состоящий из трех частей: теплоподводящей 1, теплоизолирующий 2, теплоотводящий 3. Внутреннее пространство корпуса разделено на два отсека - нагреваемый 4 и охлаждаемый 5, пространство нагреваемого отсека 4 образовано теплоподводящей частью корпуса 1, наружной поверхностью ионопроводящей мембраной 6 с внешним электродом 9, внешней поверхностью крышки 7 и гидравлическим коллектором 8. Пространство охлаждаемого отсека 5 образовано теплоизолирующей 2 и теплоотводящей 3 частями корпуса, капиллярной структурой 15, паровым коллектором 16 и внутренними поверхностями крышки 7 и ионопроводящей мембраны 6 с внутренним электродом 10. На обеих сторонах ионопроводящей мембраны 6 размещены проницаемые для рабочего тела электроды, внешний 9 и внутренний 10, причем электрод на внутренней поверхности мембраны 6 электрически соединен с токовыводом 11 токосъемниками 12, а токовывод 11 электроизолирован от корпуса изолятором 13.

Преобразователь тепловой энергии в электрическую

Рисунок 2 - преобразователь тепловой энергии в электрическую.

Сущность: преобразователь содержит постоянные магниты, катушки и источники тепла в виде параллельных тепловых труб. При этом впреобразователь введена установленная симметрично между тепловыми трубами сферическая хлопающая мембрана, на жестком центре которой с обеих сторон мембраны закреплены торцевыми поверхностями цилиндрические постоянные магниты, концентрично охваченные неподвижными катушками. К свободным торцевым поверхностям постоянных магнитов прикреплены термобиметаллические упругие элементы, один из которых введен в упругий контакт с близрасположенной тепловой трубой, а другой удален соответственно от другой тепловой трубы на расстояние, равное изменению прогиба мембраны при хлопке.

Преобразователь содержит установленную симметричную между параллельными тепловыми трубами 1, 2 сферическую хлопающую мембрану 3, зажатую по наружному контуру с помощью кольцевого зажима 4. На жестком центре 5 мембраны 3 с обеих сторон закреплены торцевыми поверхностями цилиндрические постоянные магниты 6, 7, концентрично охваченные неподвижными катушками 8, 9. К свободным торцевым поверхностям постоянных магнитов 6, 7 прикреплены боковой поверхностью U-образные термобиметаллические элементы 10, 11, активный слой которых немагнитная сталь расположен на внутренней поверхности элементов, а пассивный слой инвар на внешней поверхности. При этом один из упругих термобиметаллических элементов 10 введен в упругий контакт с близрасположенной тепловой трубой 1, а другой термобиметаллический элемент 11 удален соответственно от другой тепловой трубы 2 на расстояние, равное изменению прогиба мембраны 3 при хлопке. Кольцевой зажим 4 установлен на направляющих 12 и зафиксирован с помощью регулировочных винтов 13.

На чертеже преобразователь показан в одном из двух своих статических положений, когда мембрана 3 только что «хлопнула» в свое верхнее граничное положение, температура термобиметаллического элемента 10 близка к температуре окружающей среды /воздуха/. При этом за счет осевой регулировки преобразователя термобиметаллический элемент 10 упруго прижат к трубе 1 с усилием, которого недостаточно для срабатывания мембраны 3 в нижнее граничное положение, однако, при котором мембрана 3 находится в критическом состоянии, то есть готова к срабатыванию. При малейшем нагреве термобиметаллического элемента 10 от трубы 1 элемент 10 стремится разжаться, и мембрана 3 «хлопает» в нижнее положение, при котором уже остывший термобиметаллический элемент 11 упруго прижимается к трубе 2, так как он установлен от трубы 2 на расстоянии, равном перемещению мембраны 3 при хлопке. Таким образом процесс перехлопывания мембраны 3 автоматически повторяется с высокой частотой. При этом происходит релейное перемещение постоянных магнитов 6, 7 в рабочих зазорах катушек 8, 9 с высокими относительными скоростями, в результате чего в катушках 8, 9 наводятся переменные ЭДС сравнительно большой амплитуды.

Термоэмиссионный преобразователь

Рисунок 3 - структура

Рисунок 4 - продольно-осевое сечение термоэмиссионного преобразователячастного исполнения термоэмиссионного преобразователя цилиндрической геометрии

Изобретение относится к области преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано в электрогенерирующих элементах энергетической установки.

Недостатками такого устройства являются:

- расходная схема циркуляции рабочего тела ЭГК - цезия;

- относительно низкая эффективность преобразования энергии.

Термоэмиссионный преобразователь содержит токоподводы 16, катод со средствами подвода тепла 7 и перфорированный анод со средствами отвода тепла 12, разделенные межэлектродным зазором 8, систему подачи пара цезия через отверстия 10 в перфорированном аноде 12 в межэлектродный зазор 8, образованную соединенными между собой перфорированным анодом 12, капиллярно-пористой прокладкой 6, пропитанной расплавом цезия, и подложкой анода 13, причем по крайней мере часть отверстий 10 перфорированного анода 12 размещена над теплоизолирующими прокладками 14, размещенными в подложке анода 13. Расстояние между отверстиями 10 в перфорированном аноде 12 составляет 0, 7-4 от толщины межэлектродного зазора 8. Размер отверстий 10 в перфорированном аноде 12, расположенных над теплоизолирующими прокладками 14, по крайней мере в вдвое меньше размера отверстий 10 в перфорированном аноде 12, размещенных вне теплоизолирующих прокладок 14.

Устройство работает следующим образом:

При сгорании в камере газовой печи 5 газовоздушной смеси излучением и конвекцией продуктов сгорания поверхность трубчатого катода 7 прогревается до температуры 1100-1300°C с одновременным отводом тепла от подложки анода 13 кипением рабочего вещества термосифона при температуре 250-500°C. Протекающий через межэлектродный зазор 8 эмиссионный ток по стенкам катода 7 и подложки анода 13 поступает к фланцам 17 и далее по токоподводам 16 отводится к потребителю.

Термоэлектронный преобразователь

Рисунок 5 - преобразователь с промежуточными электродами

Преобразователь содержит катод и анод, лежащие в одной плоскости, нагреватель и магнитную систему, расположенную таким образом, что вектор магнитной индукции направлен параллельно плоскости катода и анода и перпендикулярно направлению от катода к аноду. Катод и анод имеют тепловой контакт с нагревателем. Между катодом и анодом могут быть установлены промежуточные электроды, причем зазоры между соседними электродами составляют величину до единиц микрометров. Технический результат - преобразование тепловой энергии в электрическую энергию с высоким коэффициентом полезного действия и широким диапазоном выходных напряжений и токов. Применение переменной магнитной системы дает возможность получить электроэнергию переменного тока в широком диапазоне частот.

Недостатком такого преобразователя является сложность конструкции, обусловленная необходимостью устройства экранов в масштабах порядка циклотронного (ларморовского) радиуса электронов, и сложность получения большой плотности потока электронов с катода на анод при равных температурах электродов и, тем более, в случае когда температура анода существенно превышает температуру катода. Также недостатком являетсянизкий коэффициент полезного действия, обусловленный потерями тепловой энергии на охлаждаемом аноде, а также потерями электрической энергии на ускоряющем электроде.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в термоэлектронном преобразователе, содержащем катод и анод, лежащие в одной плоскости, нагреватель и магнитную систему, расположенную таким образом, что вектор магнитной индукции направлен параллельно плоскости катода и анода и перпендикулярно направлению от катода к аноду, катод и анод имеют тепловой контакт с нагревателем, причем грани катода и анода, обращенные к нагревателю, закрыты электрическим изолятором. Между катодом и анодом могут быть установлены промежуточные электроды, причем зазоры между любыми соседними электродами составляют величину до единиц микрометров. Кроме того, преобразователь может быть снабжен пластиной или пленкой из материала с низкой электропроводностью, например, из полупроводника или полуметалла, расположенной таким образом, что ее поверхность находится в контакте с поверхностями электродов, лежащими в одной плоскости и свободными от электрического изолятора. Электроды могут быть выполнены непосредственно на пластине или пленке путем металлизации или легирования ее поверхности. Катод, анод и промежуточные электроды в этом случае могут быть объединены в сплошной тонкий слой таким образом, что электродная система вместе с пластиной или пленкой представляет собой спай разнородных материалов. Для преобразования тепловой энергии в электрическую энергию переменного тока магнитная система выполнена переменной.

Термоэлектрический преобразователь

Рисунок 6 - вариант термоэлектрического преобразователя с взаимно перпендикулярными спаями.

Изобретение относится к области производства, преобразования и распределения электрической энергии и может быть использовано в устройствах для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую энергию.

Недостатком такого преобразователя является низкий коэффициент полезного действия.

Заявляемое изобретение направлено на увеличение коэффициента полезного действия преобразования тепловой энергии в электрическую энергию.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в термоэлектрический преобразователь, содержащий плоские спаи разнородных материалов, введена магнитная система, расположенная таким образом, что один спай находится в магнитном поле и плоскость спая параллельна направлению магнитного поля, а второй спай находится вне магнитного поля или, по крайней мере, в области второго спая, составляющая вектора магнитной индукции, параллельная плоскости второго спая, существенно меньше, чем в обласУ преобразователя по фиг. 3 и 4 оба спая находятся в сильном магнитном поле, однако плоскость спая 4 перпендикулярна направлению вектора магнитной индукции и баллистический перенос электронов происходит вдоль магнитного поля, т. е. спай 4 в отношении влияния магнитного поля на баллистический перенос электронов можно считать незамагниченным.

У преобразователя оба спая находятся в сильном магнитном поле, однако плоскость спая 4 перпендикулярна направлению вектора магнитной индукции и баллистический перенос электронов происходит вдоль магнитного поля, т. е. спай 4 в отношении влияния магнитного поля на баллистический перенос электронов можно считать незамагниченным.

Предполагаемое устройство позволяет производить преобразование с высоким коэффициентом полезного действия, что позволяет использовать его в качестве источника электрической энергии.

Тепломеханический преобразователь

Рисунок 7 - общий вид тепломеханического преобразователя.

Известен тепловой двигатель (прототип), содержащий барабан, установленный на горизонтальной оси с возможностью вращения, термобиметаллические элементы и источники тепла, размещенную внутри барабана систему диаметрально расположенных прямых закрытых трубок, частично заполненных жидкостью, равномерно удаленных друг от друга в окружном направлении, соответственно смещенных друг за другом в направлении оси барабана и упруго закрепленных своими концами в установленных на внутренней поверхности барабана втулках, в которых размещены термобиметаллические элементы, имеющие возможность теплообмена с источниками тепла и охлаждающим пространством (см. патент RU 2200252 С2, кл. F03G 7/06, 2001).

Недостатком данного двигателя является его громоздкость и массивность при низкой эффективности преобразования энергии, поскольку теплочувствительные элементы в данной конструкции не способны быстро нагреваться и охлаждаться в реальном режиме работы двигателя из-за чрезмерного экранирования их втулками и самим барабаном.

Целью изобретения является создание простой и универсальной конструкции тепловых двигателей, работающих от любых источников тепла и пригодных к практическому использованию в самых различных как стационарных, так и мобильных устройствах.

Поставленная задача решается тем, что заявляемый тепломеханический преобразователь, содержащий установленный в подшипниках вал, теплочувствительные элементы, а также зоны нагрева и охлаждения (температурные зоны), согласно изобретению имеет связанный с теплочувствительными элементами опорный фланец, опирающийся через подшипник на наклонный фланец вала, жестко связанного с золотником, управляющим потоками нагревательного и охлаждающего теплоносителей (тепловых агентов).

Опорный фланец позволяет преобразовывать поочередное изменение длин связанных с ним теплочувствительных элементов под действием меняющейся температуры в циклическое изменение направления его наклона, воздействующее на фланец вала, получающего при этом вращТепломеханический преобразователь в наиболее универсальном по источнику тепловой энергии варианте содержит корпус 1, на одном конце которого расположен кольцевой анкер 2 для трубчатых теплочувствительных элементов (ТЧЭ) 3, например, U-образной формы, а на втором конце - трубная решетка 4 с отверстиями для открытых концов ТЧЭ и центральным отверстием для вала 5. На валу 5 имеются жестко связанные с ним наклонный фланец 6 и подвижная часть золотника 7 с системой каналов для подвода к группам ТЧЭ и отвода от них нагревающего и охлаждающего агентов. На торцевой поверхности золотника 7 выполнены дугообразные пазы 8 и 9. На его хвостовике с кольцевыми пазами имеется гильза 10 с патрубками. Вал 5 установлен в подшипниковых узлах 11 и 12, последний является элементом натяжного устройства. ТЧЭ 3 снабжены теплоизоляцией, внутренним оребрением, упорами 13, опертыми через коромысла 14 на фланец 15, который через упорный подшипник связан с фланцем 6.

Заявляемый преобразователь способен работать от самых различных источников тепловой энергии (с использованием теплообменников или без них) и ориентирован главным образом на ее возобновляемые виды, а также на утилизацию энергии теплосодержащих технологических продуктов и тепловых сбросов в окружающую среду. При достаточно высокой температуре нагревающего агента возможно каскадное включение таких преобразователей, что повысит их общийк. п. д.

Прибор для измерения наружных углов изделий.

Угломер с нониусом0-320

Рисунок 7 -угломер с нониусом 0-320

Универсальный угломер предназначен для измерения внутренних и наружных углов.

По ГОСТ 5378-88:

2. 1. 1. Угломеры должны быть изготовлены в соответствии с требованиями настоящего стандарта по конструкторской документации, утвержденной в установленном порядке.

2. 1. 2. Цена деления шкалы оснований, угломеров с отсчетом по нониусу 2' и 5' должна быть 1°, у угломеров с отсчетом по нониусу 10' должна быть 1 или 2°.

2. 1. 3. Детали угломеров, имеющие измерительные поверхности или шкалы, должны быть изготовлены из инструментальной, нержавеющей или легированной конструкционной сталей.

2. 1. 4. Наружные поверхности деталей угломеров, за исключением измерительных поверхностей и деталей, изготовленных из нержавеющей стали, должны быть хромированы.

2. 1. 5. Допускается применение шкал угломеров, изготовленных из нержавеющей стали, с матовым покрытием.

2. 1. 6. Твердость измерительных поверхностей деталей угломеров должна быть не менее 57 HRCэ - изготовленных из инструментальной или легированной конструкционной стали; 51 HRCэ - изготовленных из нержавеющей стали.

2. 1. 7. Параметр шероховатости измерительных поверхностей Ra должен быть не более 0, 2 мкм по ГОСТ 2789.

2. 1. 8. Каждое пятое деление шкалы основания должно быть отмечено удлиненным штрихом, а каждое десятое - цифрой, обозначающей значение измеряемого угла, или угла, дополняющего до 180°, 270° или 360°. Длина видимой части коротких штрихов шкал основания и нониуса должна быть не менее 2 - 3 мм.

2. 1. 9. Штрихи шкал основания и нониуса должны быть направлены радиально. Шкала нониуса исполнения 1 должна перекрывать шкалу основания не менее чем на 0, 5 мм, а штрихи нониуса - доходить до края, перекрывающего шкалу основания.

2. 1. 10. Угломеры со значением отсчета по нониусу 2' и 5' должны иметь приспособления для микрометрической подачи или какое-либо другое устройство для тонкой подачи при установке нониуса на требуемый угол. Холостой ход такой подачи не должен превышать ј оборота.

2. 1. 11. Подвижные детали угломеров должны плавно перемещаться и надежно закрепляться в требуемом положении.

2. 1. 12. Конструкция угломеров типа 4 должна позволять производить разметочные работы на плоскости.

2. 1. 13. Средняя наработка на отказ угломеров должна быть не менее 18000 условных измерений.

Установленная безотказная наработка угломеров - не менее 3000 условных измерений.

2. 1. 14. Полный средний срок службы угломеров - не менее 8 лет.

2. 1. 15. Установленный полный срок службы - не менее 5 лет.

2. 1. 16. Срок сохраняемости - не менее 2 лет.

2. 1. 17. Среднее время восстановления угломера - не более 4 ч.

2. 2. Комплектность

2. 2. 1. К комплекту угломера с принадлежностями должен быть приложен паспорт по ГОСТ 2. 601, включающий инструкцию по эксплуатации.

2. 3 Маркировка, упаковка

2. 3. 1. Маркировка и упаковка угломеров - по ГОСТ 13762.

2. 3. 2. На каждом угломере должны быть нанесены:

- товарный знак предприятия-изготовителя;

- пределы измерений в градусах;

- значение отсчета по нониусу;

- номер угломера согласно нумерации предприятия-изготовителя;

- год выпуска или его обозначение;

- цена деления шкалы основания.

2. 3. 3. Для угломеров типов 1 и 4 допускается мягкая упаковка.

3. Приемка

3. 1. Для проверки соответствия угломеров требованиям настоящего стандарта проводят государственные испытания, приемочный контроль, периодические испытания и испытания на надежность.

3. 2. Государственные испытания - по ГОСТ 8. 001 и ГОСТ 8. 383.

4. Методы контроля и испытаний

4. 1. Поверка угломеров - по МИ 2131-90.

4. 2. При проверке влияния транспортной тряски используют ударный стенд, создающий тряску ускорением 30 м/с2 при частоте 80 - 120 ударов в минуту.

Угломеры в упаковке крепят к стенду и испытывают при общем числе ударов 15000.

4. 3. Воздействие климатических факторов внешней среды при транспортировании проверяют в климатических камерах. Испытания угломеров в упаковке проводят в следующем порядке:

сначала при температуре минус (50 ± 3) °С, затем плюс (50 ± 3) °С и далее при относительной влажности (95 ± 3) % при температуре 35 °С. Выдержка в климатической камере по каждому виду испытаний - не менее 2ч.

4. 4. План контроля показателей безотказности:

продолжительность испытаний - 14400 условных измерений;

число испытуемых изделий - 5.

Если за время испытаний отказов не наблюдалось, то результаты испытаний считают положительными.

4. 5. Результаты анализа подконтрольной эксплуатации следует считать положительными, если:

- среднее время восстановления контролируемых изделий не более 4 ч

- среднее значение полного срока службы контролируемого изделия не менее 8 лет;

- все контролируемые угломеры не достигнут своего предельного состояния до 5-летнего срока службы;

5. Транспортирование и хранение

5. 1. Транспортирование и хранение угломеров - по ГОСТ 13762.

6. Гарантии изготовителя

6. 1. Изготовитель гарантирует соответствие угломеров требованиям настоящего стандарта при соблюдении условий эксплуатации, транспортирования и хранения.

6. 2. Гарантийный срок эксплуатации угломеров - 12 мес со дня ввода их в эксплуатацию.

Список литературы

преобразователь тепловая энергия

1. http://www.findpatent.ru/

2. http://www.fips.ru/

3. Е. В Николаева, В. В Макаров. Учебное пособие «Измерительные преобразователи. Принципы измерения физических величин»

Размещено на Allbest.ru