какие преобразования энергии происходят при работе тепловой машины ?
ТЕПЛОВ? АЯ МАШ? ИНА — устройство (тепловой двигатель, тепловой насос) , преобразующее тепловую энергию в механическую работу (тепловой двигатель) или механическую работу в тепло (холодильник) . В основе действия тепловой машины лежит круговой процесс (термодинамический цикл) внутренней энергии рабочего тела (газ, водяной пар) . Если при осуществлении цикла на одних его участках теплота подводится к рабочему телу, а на других отводится (при более низкой температуре) , то рабочее тело совершает работу, равную (для идеальной тепловой машины) разности количеств подведенной и отведенной теплоты. Работа идеальной машины описывается циклом Карно.
спасибо. очень понпавилось
Похожие вопросы
Способы преобразования энергии солнечного излучения в электроэнергию для нужд космического индустриального ожерелья «Орбита» Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»
Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Юницкий А.Э., Янчук В.В.
Рассмотрены приоритетные типы электростанций для энергообеспечения объектов на околоземной орбите. Описаны принципы, лежащие в основе преобразования солнечного излучения в электрическую энергию. Приведены характеристики работы опытных образцов станций, реализованных в лабораторных условиях.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Юницкий А.Э., Янчук В.В.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СОЛНЕЧНО-ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ НА БАЗЕ ЗАМКНУТЫХ ЦИКЛОВ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ СТИРЛИНГА
Использование двигателей Стирлинга в солнечных установках
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ
Мощные энергодвигательные установки космического назначения с газотурбинным преобразованием энергии по замкнутому циклу Брайтона и особенности их экспериментальной отработки
АНАЛИЗ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ В ЛАЗЕРНЫХ ИСТОЧНИКАХ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Текст научной работы на тему «Способы преобразования энергии солнечного излучения в электроэнергию для нужд космического индустриального ожерелья «Орбита»»
Способы преобразования энергии солнечного излучения в электроэнергию для нужд космического индустриального ожерелья «Орбита»
ЮНИЦКИЙ А.Э., ЯНЧУК В.В. (г. Минск)
Рассмотрены приоритетные типы электростанций для энергообеспечения объектов на околоземной орбите. Описаны принципы, лежащие в основе преобразования солнечного излучения в электрическую энергию. Приведены характеристики работы опытных образцов станций, реализованных в лабораторных условиях.
солнечное излучение, космическая электростанция,
преобразование энергии, космическое индустриальное ожерелье «Орбита»
сновными видами энергии, которые потребуются для жизнеобеспечения космического индустриального ожерелья (КИО «Орбита») [1], будут электрическая, механическая, тепловая и световая. Солнечное излучение — это единственный первичный источник, энергию которого возможно преобразовать непосредственно на орбите во все полезные виды энергии.
Прямое или сконцентрированное солнечное излучение может быть превращено в тепловую энергию нагретых тел, а затем посредством прямой или машинной трансформации — в электрическую энергию. Температуры нагреваемых тел зависят от плотности падающего излучения и организации процессов теплопередачи, в том числе обратного теплового излучения с поверхности (рисунок 1).
Солнечные источники теплоты
В настоящее время самый широко используемый в космической технике способ получения электроэнергии -прямое преобразование солнечной энергии в электрическую, основанное на фотоэлектрическом эффекте. Солнечная батарея (СБ) — несколько объединённых полупроводниковых устройств, переводящих солнечную энергию в постоянный электрический ток [2]. Фотоэлектрический элемент состоит из двух полупроводниковых пластин, изготовленных из кремния. Для придания им проводящих свойств на одну из них наносят бор (/7-область), а на другую — фосфор (р-область) (рисунок 2).
Повышение эффективности работы СБ возможно двумя основными путями: использование новых материалов и применение солнечных концентраторов (например, линзы Френеля). Концентраторы увеличивают плотность потока излучения, следовательно, позволяют уменьшить площадь солнечных батарей при эквивалентной выдаваемой мощности, тем самым способствуют сокращению затрат на солнечную станцию за счёт применения меньшего количества солнечных элементов.
Рисунок 1 — Схема путей преобразования солнечной энергии в электрическую
Солнечная энергия может быть непосредственно превращена в электрическую с помощью фотопреобразователей. Максимальная плотность потока солнечного излучения вне земной атмосферы равна 1367 Вт/м2, а на Земле -примерно 1000 Вт/мг (на поверхности, перпендикулярной излучению), что обычно значительно ниже из-за неблагоприятных погодных условий (облачность, туман, смог) или экономической нецелесообразности сооружения систем слежения за Солнцем. Соответственно, эффективность любого варианта получения электроэнергии в космическом пространстве будет значительно выше.
На регулировочное устройство
Поперечное сечение солнечной батареи
Рисунок 2 — Принципиальная схема солнечной батареи
Объекты на околоземной орбите обращаются вокруг Земли примерно за 1,5 ч и периодически находятся в тени. Соответственно, требуется применение аккумуляторных батарей. На Международной космической станции (МКС) на каждую из панелей (площадью 105 мг) приходится шесть никель-водородных батарей. Срок службы таких батарей составляет примерно семь лет [3].
В настоящее время перспективными (по удельной мощности) являются солнечные батареи, изготовленные из галлий-арсенидных гетероструктур (GaAs), но они имеют более высокую удельную массу и большую удельную стоимость, чем панели на базе кремния (Si). Вместе с тем отсутствует достаточный объём их испытаний на «низких» орбитах (менее 500 км) при наличии заметной пылевой «атмосферы» вокруг станции и в условиях постоянного термоциклирования (16 циклов в сутки). Температура солнечной батареи в тени Земли снижается до -45. -60 °С. Причём при входе в тень Земли температура батареи падает за 2-3 мин на 70-90 °С. После выхода из тени при фронтальном освещении температура достаточно быстро
(за 1,5-2 мин) поднимается до 65-75 °С; при освещении с тыльной стороны температура СБ возрастает медленнее -за 10-15 мин до 40-45 °С [3]. В связи с этим на МКС и транспортных кораблях до настоящего времени используются фотоэлектрические панели на кремниевой основе.
Значительно более сложными по своей структуре являются электростанции с термодинамическими методами преобразования энергии. В состав солнечной тепловой электростанции входят три основные системы: источник теплоты, трансформация тепловой энергии в электрическую и отвод теплоты.
Организация отвода теплоты является важным вопросом в условиях космического пространства, потому что традиционные для земных условий способы не могут быть использованы. Единственный реализуемый механизм отвода теплоты — излучение. Установки, предназначенные для отвода теплоты в условиях космоса, получили название холодильников-излучателей.
Определяющее уравнение для радиационного тепло-переноса от тела имеет вид:
где е — излучательная способность (степень черноты) поверхности тела;
А — площадь поверхности тела, участвующая в тепло-
а — постоянная Стефана — Больцмана;
Т- абсолютная температура тела.
Из приведённого уравнения видно, что мощность теплового излучения холодильника прямо пропорционально зависит от площади излучателя, а с повышением температуры излучения количество отводимой теплоты растёт в четвёртой степени. Поэтому для сокращения размеров и массы холодильника-излучателя следует
поднимать температуру отвода теплоты. С другой стороны, при увеличении температуры отвода теплоты уменьшается коэффициент эффективности цикла станции, который определяется выражением:
Температура Тпш должна быть максимальной, однако она ограничена свойствами конструкционных материалов. Температура Тгп]п является минимальной температурой цикла и должна быть как можно ниже.
Таким образом, при проектировании космических энергоустановок необходимо решить задачу выбора минимальной температуры цикла. В данном отношении следует принимать во внимание массу холодильника-излучателя, которая составляет до 50-60 % массы системы. Размеры излучателя могут быть уменьшены за счёт увеличения максимальной температуры цикла, что приведёт к падению КПД преобразователя. Увеличение же максимальной температуры цикла возможно при применении редких и дорогостоящих материалов.
Вторая группа способов получения электрической энергии из солнечного излучения — косвенная трансформация с промежуточным получением тепловой энергии. По типу преобразователя тепловой энергии в электрическую все солнечные энергоустановки могут быть разделены на две группы: установки с прямым «безмашинным» превращением тепловой энергии в электрическую и установки с промежуточным преобразованием тепловой энергии в механическую (с машинными преобразователями). К термоэлектрическим явлениям относится группа физических явлений, обусловленных существованием взаимосвязи между тепловыми и электрическими процессами в проводниках электричества.
В замкнутой цепи, состоящей из разнородных материалов, возникает термоэлектродвижущая сила (ТЭДС), если места контактов (спаев) поддерживать при различных температурах (эффект Зеебека). ТЭДС зависит только от температур горячего и холодного спаев и природы материалов, составляющих термоэлемент. При наличии разности температур на концах проводника возникает поток электронов от горячего конца к холодному. На холодном конце накапливается отрицательный заряд. Возникшая разность потенциалов создаёт встречный поток электронов, равный первичному потоку, вызванному различием тепловых скоростей. Разность таких падений потенциалов в двух проводниках, образующих термоэлемент, и обуславливает возникновение ТЭДС.
Первый солнечный термоэлекгрогенератор для космических целей создан в США. В конструкции использовались
термоэлектрические элементы (ТЭЭЛ) объёмом 2,5 мм5, размещённые между двумя пластинами металлической фольги. На 1 мг их приходилось около 3000 шт. (рисунок 3). В космическом пространстве обращённая к Солнцу пластина нагревается до 300 °С, а холодная сторона имеет температуру порядка 70 °С. Каждый элемент в этой конструкции выдаёт 10 мВт с КПД — 2 %. 1 мг термоэлектрической панели модели весит 10 кг и выдаёт приблизительно 30-40 Вт/мг электроэнергии. Солнечный генератор для космического корабля поверхностью 30 смгс 12 рядами ТЭЭЛ (по 12 ТЭЭЛ в каждом ряду) характеризовался выдачей 2 Вт электроэнергии в космическом пространстве [4].
Поглощаемое тепло (горячая сторона)
Выделяемое тепло (холодная сторона)
Рисунок 3 — Устройство термоэлектрического преобразователя
Для увеличения градиента температур между горячими и холодными спаями возможно применение концентраторов солнечной энергии, которые позволяют увеличить температуру горячего спая до 1000 °С. Соответственно повышается КПД, который растёт пропорционально разности температур горячего и холодного спаев и абсолютной температуре горячего спая.
Масштабные испытания генераторных модулей проводились в земных условиях. По результатам построены зависимости мощности, напряжения и тока от разности температур между холодными и горячими спаями (рисунок 4) [5].
Термоэлектрический модуль с концентратором (рисунок 5) представляет собой термобатарею, установленную в фокусе сфероидального или цилиндрического зеркала.
В космических солнечных станциях могут использоваться три основных типа машинных преобразователей теплоты — газопоршневые, газотурбинные и паротурбинные, реализующие циклы Стирлинга, Брайтона и Ренкина.
Рисунок 4 — График зависимости тока / (А), напряжения ¿/(В) и мощности Я [Вт] от разности температур между горячей и холодной сторонами генераторного модуля
В солнечных тепловых энергоустановках (СТЭУ) с машинными преобразователями тепловая энергия подводится к рабочему телу преобразователя, находящемуся в жидком или газообразном состоянии, и превращается в механическую энергию в паро- или газотурбинном преобразователе либо поршневой машине, после чего механическая энергия трансформируется в электрическую с помощью электрогенератора.
Двигатели Стирлинга являются машинами с возвратно-поступательным движением (возможны и многие другие схемы двигателей Стирлинга с вращательным движением).
Американской фирмой «Дженерал Моторс» также была создана космическая энергоустановка мощностью 3 кВт. В качестве рабочего тела для двигателя Стирлинга применялся гелий при среднем давлении 10,3 МПа, а нагрев осуществлялся посредством солнечного излучения, концентрировавшегося с помощью большой линзы Френеля. Отличительная особенность данного двигателя заключается в следующем: это первый из двигателей Стирлинга, использующий промежуточный жидкометаллический теплоноситель (ИаК) при температуре 677 °С для нагрева рабочего тела. Расчётный эффективный КПД двигателя равен 30,5 %. В процессе первых испытаний была достигнута мощность 2565 Вт при КПД 23 % [6].
В циклах газовых турбин космического назначения в качестве рабочих тел применяют инертные газы и их смеси. Положительной их стороной является отсутствие фазовых превращений и практически полное отсутствие эрозионного и коррозионного влияния рабочего тела на конструкцию преобразователя.
Цикл Брайтона имеет сравнительно низкий КПД, большие затраты мощности турбины на привод компрессора и значительные потери давления рабочего тела в элементах теплообменного оборудования преобразователя. В результате характерные значения коэффициента использования у газотурбинных преобразователей не превышают 0,25, и для получения высоких КПД преобразователя необходимо увеличивать перепад температур в цикле, главным образом за счёт возрастания температуры газа перед турбиной, т. е. в приёмнике излучения.
Изотермичность процессов подвода и отвода теплоты в паротурбинных преобразователях существенно поднимает термический КПД. Кроме того, в отличие от газовых турбин, имеются более низкие затраты на привод насоса, что в комплексе позволяет получить достаточно высокие значения коэффициента использования (-0,5), а следовательно, и эффективного КПД (20-25 %), возрастающего при увеличении мощности установки. Этими факторами и обусловлены основные, с точки зрения требований к тепловым преобразователям солнечной энергии, преимущества паротурбинных преобразователей перед преобразователями, работающими согласно циклам Брайтона и Стирлинга (рисунок 6).
Эффективность паротурбинных преобразователей в значительной степени зависит от свойств рабочего тела, в качестве которого могут применяться вода, жидкие металлы и органические соединения. Разработчики проектов тепловых солнечных космических станций пришли к выводу, что наиболее подходящими рабочими телами для паротурбинных преобразователей являются жидкие металлы. К числу самых оптимальных относятся калий и цезий, однако предпочтительным считается калий, ввиду его большей доступности в количествах, необходимых для станции.
Рисунок 5 — Термоэлектрический модуль на цилиндрическом концентраторе: 1 — горячие спаи; 2 — холодные спаи; 3 — концентратор
Эффективный КПД поршневых машин обычно выше. Особенно это характерно для малых мощностей, что связано с большими утечками в лопатках турбин малой мощности. При малых мощностях (до 1 МВт) двигатели Стирлинга предпочтительнее двигателей, работающих по циклу Ренкина, из-за простой конструкции, большего КПД и удельной мощности. Более того, для двигателей Стирлинга выбор давления и температуры можно производить независимо, что невозможно для систем с парообразным рабочим телом. В космических энергоустановках КПД является определяющим фактором. При высоком КПД имеются меньшие площади и масса холодильника-излучателя, так как от станции требуется отводить меньшее количество теплоты.
Возможно модульное исполнение станции, когда необходимая мощность составляется из определённого числа стандартных единиц (рисунок 7) [7].
В таблице приведены проектные параметры космических станций с машинными преобразователями тепловой энергии в электрическую [8].
Альтернативным вариантом рабочего органа тепловой электростанции может быть магнитогидродинамический генератор (МГД-генератор) — установка, в которой энергия рабочего тела, движущегося в магнитном поле, трансформируется непосредственно в электрическую энергию. Принцип действия основан на явлении электромагнитной индукции, т. е. в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля, возникает ток. Проводником в МГД-генераторе является само рабочее тело, в котором при движении поперёк магнитного поля возникают потоки носителей зарядов. В качестве рабочих тел применяют электролиты, жидкие металлы и ионизованные газы. Солнечная тепловая энергия используется для разгона и ионизации рабочего тела.
Для создания электропроводности газа его необходимо нагреть до температуры термической ионизации (около 10 ООО °К). Для работы при меньших температурах
Рисунок 6 — Принципиальные схемы солнечной газотурбинной и паротурбинной энергоустановок: 1 — концентратор; 2 — солнечный котёл; 3 — компрессор; 4 — турбина; 5 — электрогенератор; 6 — регенератор; 7 — холодильник-излучатель; 8 — насос
газ обогащают парами щелочных металлов, что позволяет снизить температуру смеси до 2200-2700 °К. Скорость движения плазмы в канале генератора после разгона при прохождении сопла составляет порядка 2000 м/с.
Таблица — Проектные параметры космических СТЭУ с машинными преобразователями тепловой энергии
Выходная мощность, кВт
Газопоршневой с двигателем Стирлинга
12 примеров тепловой энергии в повседневной жизни
Тепловая энергия относится к энергии, которой обладает объект в результате движения частиц внутри объекта. Это внутренняя кинетическая энергия объекта, которая исходит от случайных движений молекул и атомов объекта.
В то время как молекулы и атомы, составляющие материю, постоянно движутся, когда объект нагревается, повышение температуры заставляет эти частицы двигаться быстрее и сталкиваться друг с другом. Чем быстрее движутся эти частицы, тем выше тепловая энергия объекта.
Она может быть записана математически как произведение постоянной Больцмана (k B) и абсолютной температуры (T).
Тепловая энергия = k B T
Термин «тепловая энергия» может также применяться к количеству передаваемого тепла или энергии, переносимой тепловым потоком.
Тепловая энергия (или термическая энергия) может передаваться от одного тела другому через три процесса —
- Проводимость: это наиболее распространенная форма теплопередачи, которая происходит через физический контакт: передача внутренней энергии за счет микроскопических столкновений частиц и движения электронов внутри тела.
- Конвекция: представляет собой передачу тепла из одной области в другую в результате движения жидкостей, например, жидкостей и газов.
- Излучение — это передача энергии в виде частиц или волн через пространство или среду. Чем горячее объект, тем больше он будет излучать тепловой энергии.
Чтобы лучше объяснить это явление, мы собрали некоторые из лучших примеров тепловой энергии, которые вы видите в повседневной жизни.
12. Солнечная энергия
Тип теплопередачи: Излучение
Солнце — это почти идеальная сфера горячей плазмы, которая преобразует водород в гелий посредством миллиардов химических реакций, которые в конечном итоге производят интенсивное количество тепла.
Вместо того, чтобы находиться рядом с Солнцем, тепло излучается вдаль от звезды и в космос. Небольшая часть этой энергии (тепла) достигает Земли в виде света. В основном она содержит инфракрасный, видимый и ультрафиолетовый свет. Передача тепловой энергии таким образом называется тепловым излучением.
В то время как часть тепловой энергии проникает в атмосферу Земли и достигает земли, часть ее блокируется облаками или отражается от других объектов. Солнечный свет, достигающий поверхности Земли, нагревает ее.
По данным Университета Орегона, вся Земля получает в среднем 164 Ватта на квадратный метр в течение суток. Это означает, что вся планета получает 84 тераватта энергии.
11. Тающий лед
Тип теплопередачи: Конвекция
Тепловая энергия всегда течет из регионов с более высокой температурой в регионы с более низкой температурой. Например, когда вы добавляете к напитку кубики льда, тепло переходит из жидкости в кубики льда.
Температура жидкости падает по мере того, как тепло переходит от напитка к льду. Тепло продолжает перемещаться в самую холодную область напитка до тех пор, пока не достигнет равновесия. Потеря тепла приводит к падению температуры напитка.
10. Топливные элементы
Теплопередача: зависит от типа топливного элемента
Топливные элементы — это электрохимические устройства, которые преобразуют химическую энергию топлива и окислителя в электрическую энергию. При работе топливного элемента значительная часть входной энергии используется для выработки электрической энергии, а оставшаяся часть преобразуется в тепловую энергию в зависимости от типа топливного элемента.
Тепло, получаемое в ходе этого процесса, используется для повышения энергоэффективности. Теоретически топливные элементы являются гораздо более энергоэффективными, чем обычные процессы: если отработанное тепло улавливается в когенерационной схеме, эффективность может достигать 90%.
9. Геотермальная энергия
Тип теплопередачи: мантийная конвекция
Геотермальная энергия — это тепло, получаемое в недрах Земли. Оно содержится в жидкостях и породах под земной корой и может быть найдено глубоко в горячей расплавленной породе Земли — магме.
Она образуется в результате радиоактивного распада материалов и непрерывной потери тепла от формирования планеты. Температура и давление на границе ядра и мантии могут достигать более 4000°C и 139 ГПа, в результате чего некоторые породы расплавляются, а твердая мантия ведет себя пластически.
Это приводит к тому, что части мантии конвектируются вверх (так как расплавленная порода легче, чем окружающие твердые породы). Пар и/или вода переносят геотермальную энергию на поверхность планеты, откуда она может быть использована для охлаждения и обогрева, или может быть использована для производства чистого электричества.
8. Тепловая энергия в океане
Тип теплопередачи: Конвекция и Проводимость
На протяжении десятилетий океаны поглощали более 9/10 избыточного тепла атмосферы от выбросов парниковых газов. Согласно исследованию, океан нагревается со скоростью 0,5-1 ватт энергии на квадратный метр в течение последних десяти лет.
Океаны обладают невероятным потенциалом для хранения тепловой энергии. Поскольку их поверхности подвергаются воздействию прямых солнечных лучей в течение длительных периодов времени, существует огромная разница между температурами мелководных и глубоководных морских районов.
Эта разница температур может быть использована для запуска теплового двигателя и выработки электроэнергии. Этот тип преобразования энергии, известный как преобразование тепловой энергии океана, может работать непрерывно и может поддерживать различные побочные отрасли.
7. Солнечная плита
Тип теплопередачи: излучение и проводимость
Солнечная плита — это низкотехнологичное, недорогое устройство, использующее энергию прямых солнечных лучей для нагрева, приготовления или пастеризации напитков и других пищевых материалов. В солнечный день она может достигать температуры до 400°C.
Все солнечные плиты работают по трем основным принципам:
- Концентрат солнечного света : устройство имеет зеркальную поверхность для концентрации солнечного света в небольшой зоне для приготовления пищи.
- Преобразование световой энергии в тепловую энергию. Когда свет падает на материал приемника (кастрюлю), он преобразует свет в тепло, и это мы называем проводимостью.
- Ловушка тепловой энергии : стеклянная крышка изолирует воздух внутри плиты от наружного воздуха, сводя к минимуму конвекцию (потери тепла).
6. Потирая руку
Тип теплопередачи: Проводимость
Когда вы потираете руки, трение превращает механическую энергию в тепловую. Механическая энергия относится к движению ваших рук.
Поскольку трение происходит за счет электромагнитного притяжения между заряженными частицами на двух соприкасающихся поверхностях, трение рук друг о друга приводит к обмену электромагнитной энергией между молекулами наших рук. Это приводит к тепловому возбуждению молекул наших рук, которые в конечном итоге вырабатывают энергию в виде тепла.
5. Тепловой двигатель
Тип теплопередачи: Конвекция
Тепловой двигатель преобразует тепловую энергию в механическую энергию, которую затем можно использовать для выполнения механической работы. Двигатель забирает энергию из тепла (по сравнению с окружающей средой) и превращает ее в движение.
В зависимости от типа двигателя применяются разные процессы, такие как использование энергии ядерных процессов для выработки тепла (уран) или воспламенение топлива в результате сгорания (уголь или бензин). Во всех процессах цель одна и та же: преобразовать тепло в работу.
Ежедневные примеры тепловых двигателей включают паровоз, двигатель внутреннего сгорания и тепловую электростанцию. Все они приводятся в действие расширением нагретых газов.
4. Горящая свеча
Тип теплопередачи: Проводимость, Конвекция, Излучение
Свечи делают свет, производя тепло. Они преобразуют химическую энергию в тепло. Химическая реакция называется сгоранием, при котором воск свечи вступает в реакцию с кислородом на воздухе и образует бесцветный газ, называемый углекислым газом, вместе с небольшим количеством пара.
Пар образуется в синей части пламени, где воск горит чисто с большим количеством кислорода. Но поскольку ни один воск не горит идеально, они также производят немного дыма (аэрозоль) в яркой, желтой части пламени.
На протяжении всего процесса фитиль поглощает воск и горит, чтобы произвести свет и тепловую энергию.
3. Электрические тостеры
Тип теплопередачи: тепловое излучение
Электрический тостер забирает электрическую энергию и очень эффективно преобразует ее в тепло. Он состоит из рядов тонких проволок (нитей), которые расположены достаточно широко друг от друга, чтобы поджарить всю поверхность хлеба.
Когда электричество течет по проводу, энергия передается от одного конца к другому. Эта энергия переносится электронами. На протяжении всего процесса электроны сталкиваются друг с другом и с атомами в металлической проволоке, выделяя тепло. Чем больше электрический ток и чем тоньше провод, тем больше происходит столкновений и выделяется больше тепла.
2. Современные системы отопления дома
Тип теплопередачи: Конвекция
Два распространенных типа отопительных систем, установленных в зданиях, — это системы отопления теплым воздухом и горячей водой. Первая использует тепловую энергию для нагрева воздуха, а затем циркулирует по системе воздуховодов и регистров. Теплый воздух выдувается из воздуховодов и циркулирует по помещениям, вытесняя холодный воздух.
Второй использует тепловую энергию для нагрева воды, а затем прокачивает ее по всему зданию в системе труб и радиаторов. Горячий радиатор излучает тепловую энергию в окружающий воздух. Затем теплый воздух движется по помещениям конвекционными потоками.
1. Процессоры и другие электрические компоненты
Тип теплопередачи: Конвекция и Проводимость
Процессор, графический процессор и система на чипе рассеивают энергию в виде тепла за счет сопротивления в электронных схемах. Графические процессоры в ноутбуках/настольных компьютерах потребляют и рассеивают значительно больше энергии, чем мобильные процессоры из-за их более высокой сложности и скорости.
Для поддержания оптимальной температуры микропроцессоров используются различные типы систем охлаждения. Например, обычная настольная система охлаждения ЦП предназначена для рассеивания до 90 Вт тепла без превышения максимальной температуры соединения для ЦП настольного компьютера.
Преобразование энергии Солнца в тепловую энергию
Солнечный коллектор – установка для прямого преобразования энергии Солнца в тепловую энергию. Принципы солнечного отопления известны на протяжении тысячелетий – люди нагревали воду при помощи Солнца до того, как ископаемое топливо заняло лидирующее место в мировой энергетике.
Солнечный коллектор – наиболее известное приспособление, непосредственно использующее энергию Солнца, они были разработаны около двухсот лет назад. Самый известный из них – плоский коллектор – был изготовлен в 1767 году швейцарским ученым по имени Гораций де Соссюр. Позднее им воспользовался для приготовления пищи сэр Джон Гершель во время своей экспедиции в Южную Африку в 30-х годах ХIX века.
Типы солнечных коллекторов
Плоский солнечный коллектор
Плоский коллектор – самый распространенный вид солнечных коллекторов, используемых в бытовых водонагревательных и отопительных системах. Этот коллектор представляет собой теплоизолированную остекленную панель, в которую помещена пластина поглотителя. Пластина поглотителя изготовлена из металла, хорошо проводящего тепло (чаще всего меди или алюминия). Чаще всего используют медь, т.к. она лучше проводит тепло и меньше подвержена коррозии, чем алюминий. Пластина поглотителя обработана специальным высокоселективным покрытием, которое лучше удерживает поглощенный солнечный свет. Это покрытие состоит из очень прочного тонкого слоя аморфного полупроводника, нанесенного на металлическое основание, и отличается высокой поглощающей способностью в видимой области спектра и низким коэффициентом излучения в длинноволновой инфракрасной области. Благодаря остеклению (в плоских коллекторах обычно используется матовое, пропускающее только свет, стекло с низким содержанием железа) снижаются потери тепла. Дно и боковые стенки коллектора покрывают теплоизолирующим материалом, что еще больше сокращает тепловые потери.
Прямоточный вакуумированный трубчатый солнечный коллектор
В каждую вакуумированную трубку встроен медный поглотитель с гелиотитановым покрытием, гарантирующим высокий уровень поглощения солнечной энергии и малую эмиссию теплового излучения. Вакуумированное пространство позволяет практически полностью устранить теплопотери. На поглотителе установлен коаксиальный трубчатый прямоточный теплообменник, выходящий в коллектор. Протекающий через него теплоноситель забирает тепло от поглотителя. К преимуществам этой системы можно отнести непосредственную передачу тепла воде, что позволяет сократить теплопотери. Так как полный коэффициент потерь в вакуумном коллекторе мал, теплоноситель в нем можно нагреть до температур 120-160°С.
Вакуумированный трубчатый солнечный коллектор с тепловой трубкой
Конструкция вакуумированного трубчатого коллектора с тепловой трубкой похожа на конструкцию термоса: одна стеклянная/металлическая трубка вставлена в другую большего диаметра. Между ними – вакуум, который представляет собой отличную теплоизоляцию. Благодаря ему потери на излучение, особенно заметные при повышенных температурах нагреваемой воды, очень низкие. В каждую вакуумированную трубку встроена медная пластина поглотителя с гелиотитановым покрытием, гарантирующим высокий уровень поглощения солнечной энергии и малую эмиссию теплового излучения. Под поглотителем установлена тепловая труба, заполненная испаряющейся жидкостью. С помощью гибкого соединительного элемента тепловая труба подсоединена к конденсатору, находящемуся в теплообменнике типа “труба в трубе”. Соединение относится к так называемому “сухому” типу, что позволяет поворачивать или заменять трубки и при заполненной установке, находящейся под давлением. Наиболее важное преимущество вакуумированного коллектора с тепловой трубкой заключается в том, что он способен работать при температурах до -30°С (коллекторы со стеклянными тепловыми трубками) или даже до -45°С (коллекторы с металлическими тепловыми трубками).
Принцип действия
Принцип действия плоского солнечного коллектора
Солнечный свет проходит через остекление и попадает на поглощающую пластину, которая нагревается, превращая солнечную радиацию в тепловую энергию. Это тепло передается теплоносителю – воде или антифризу, циркулирующему через солнечный коллектор. Теплоноситель нагревается и отдает затем тепловую энергию через теплообменник воде в емкостном водонагревателе. В нем горячая вода находится до момента ее использования. Также в емкостном водонагревателе можно установить электрическую вставку, чтобы в случае понижения температуры ниже установленной (например, из-за продолжительной пасмурной погоды) она догревала воду до заданной температуры.
Принцип действия прямоточного вакуумированного солнечного коллектора
Солнечная радиация проходит сквозь вакуумированную стеклянную трубку, попадает на поглотитель и превращается в тепловую энергию. Тепло передается жидкости, протекающей по коаксиальному трубчатому прямоточному теплообменнику. Каждая трубка теплообменника соединена с накопительным баком так называемым “коллектором” – системой из 2 медных труб. По одной из них нагретая вода передается в бак-накопитель, по другой – холодная вода из бака-накопителя поступает на нагрев в вакуумированные трубки.
Принцип действия вакуумированного солнечного коллектора с тепловой трубкой
Это более сложный и более дорогой тип коллектора. Тепловая трубка – это закрытая медная/стеклянная трубка с небольшим содержанием легкокипящей жидкости. Под воздействием тепла жидкость испаряется и забирает тепло вакуумной трубки. Пары поднимаются в верхнюю часть, где конденсируются и передают тепло теплоносителю основного контура водопотребления или незамерзающей жидкости отопительного контура. Конденсат стекает вниз, и все повторяется снова. Приемник солнечного коллектора медный с теплоизоляцией. Передача тепла происходит через медную “гильзу” приемника, благодаря этому отопительный контур отделен от трубок, и при повреждении одной трубки коллектор продолжает работать. Отдельную трубку можно заменить в случае необходимости, коллектор при этом продолжает функционировать. Процедура замены трубок очень проста, при этом нет необходимости сливать незамерзающую жидкость из контура теплообменника.