Назначение:

Предназначен для формирования и управления полем множества “точечных” источников теплообмена. “Точечные” источники теплообмена управляются в пределах положительных и отрицательных градиентов температур.

Технический результат:

Простое конструктивное исполнение теплообменника. Простая система управления “точками” теплообмена.

Уникальность:

Линейный полупроводниковый теплообменник с управляемым полем точечных градиентов температур имеет уникальную систему управления “точками” теплообмена.
Система управления “точками” теплообмена построена на инновационном способе развертки питающего напряжения в длинном проводнике (электрической цепи). Способ развертки питающего напряжения в длинном проводнике (электрической цепи) предназначен для формирования локального места на определённом участке проводника (электрической цепи), по которому протекает ток с повышенным напряжением. Местом приложение участка проводника (электрической цепи) с протеканием тока повышенного напряжения можно изменять.

Основание:

За основу взят эффекте Пельтье. Эффект Пельтье – электротермическое явление нагрева и охлаждения мест контакта (спая) двух разнородных проводников (металлов, полупроводников), по которым течёт ток. Когда электрический ток пропускают по цепи мест контакта (спая) двух разнородных проводников (металлов, полупроводников), в одном контакте (спае) выделяется тепло, а в другом – поглощается. Это и известно, как эффект Пельтье.
При контакте металлов эффект Пельтье (нагрев/охлаждение) составляет нескольких градусов. При контакте полупроводников эффект Пельтье (нагрев/охлаждение) составляет десятки градуса.

Конструктивное исполнение теплообменника:

В конструктивном плане теплообменник может быть построен:

1. На биметаллическом проводнике с знакопеременной контактной разностью потенциалов.
2. На объёмных полупроводниках.
   Рассмотрим теплообменник на объёмных полупроводниках.
   Линейный полупроводниковый теплообменник с управляемым полем точечных градиентов температур по конструктивному исполнению похож на элемент Пельтье.
   Линейный полупроводниковый теплообменник с управляемым полем точечных градиентов температур состоит из множества последовательно чередующихся объёмных полупроводников n-типа и p-типа, которые соединены медным проводником через медные теплообменные пластины, рис. № 1.

Рис. № 1 Линейный полупроводниковый теплообменник.

Линейка из множества последовательно чередующихся объёмных полупроводников n-типа и p-типа собирается, например змейкой, непосредственно по всей поверхности или в объёме технологического оборудования, материалов, веществ, соединения и т.п.
Объёмные полупроводники можно изготовить по простым технологиям, которые заявлены в настоящем исследовании контактной разности потенциалов и опубликованы в соответствующем разделе настоящего сайта.
Объёмные полупроводники можно взять из готовых элементов Пельтье, см. рис. № 2. В настоящее время промышленность выпускает большую линейку элементов пельтье с полупроводниковыми элементами кубической и прямоугольной формы размерами от 1 до 10 мм.

Рис. № 2. Элемент Пельтье в разобранном виде.

Принцип работы системы управления:

Управление градиентами температур отдельных сборок объёмных полупроводников осуществляется с помощью системы развёртки питающего напряжения.
Система развёртки питающего напряжения построена на основе нового инновационного способа развертки питающего напряжения в длинном проводнике (электрической цепи).
Схематически, способ управления градиентами температур представлен на рис. № 3.
Для управления питанием отдельных источников теплообмена в линейный полупроводниковый теплообменник подают с обоих сторон возбуждающие напряжениях противоположной полярности.

Управлении фазовыми соотношениями двух возбуждающих напряжениях противоположной полярности происходит в высокочастотном трансформаторе Т1 с двумя обмотками со средними точками.

Рис. № 3. Схема реализации способа управления градиентами температур.

Частота возбуждающих напряжений Uвозб. противоположной полярности равной:

F возб. = С / (2*L)
Где:

С – скорость света, м/сек.

L – длина теплообменника (длинна последовательной сборки объёмных полупроводников различной структуры), м. Одновременно в полупроводниковый линейный теплообменник подается с двух сторон напряжение развертки Uразв., противоположной полярности с частотой:

Fразв. = (С*L1) / L

Где:

• L1 – размер “точек” теплообмена (сборок объёмных полупроводников), м.

• С – скорость света, м/сек.

• L – длина теплообменника (длинна последовательной сборки объёмных полупроводников различной структуры), м.

Трансформатор Т1 изменяет фазы двух возбуждающих напряжений разной полярности так, что они встречаются и пересекаются на элементе длины проводника L1 (рис. № 4).
За каждый такт напряжения возбуждения в полупроводниковом теплообменнике формируется элемент длинной L1 (рис. № 4), в котором течет ток с напряжением:

U = 2 * U возб.

График изменения напряжений в полупроводниковом теплообменнике показан на рис. № 4.

Рис. № 4. График изменения напряжений в полупроводниковом теплообменнике.

Благодаря управлению фазовыми сдвигами – в каждом такте подачи напряжений возбуждений присутствует строго заданное место L1 в полупроводниковом теплообменнике общей длинной L, по которому протекает ток с напряжением:

            U = 2 * U возб. 

Все последовательно соединённые объёмные полупроводниковые элементы теплообменника, при подаче напряжения возбуждения (U возб.) становятся источниками небольшого (фонового) равномерного теплообмена по аналогии с процессами, которые протекают в элементе Пельтье.

Ситуация с теплообменом меняется, когда в каждый такт подачи напряжения возбуждения (U возб.) по выбранному участку длинны L1 протекает ток с удвоенным напряжением возбуждения (U = 2 * U возб.). На участке длинны L1, объёмные полупроводниковые термоэлементы становятся источником дополнительного теплообмена, местом приложения которого можно управлять по аналогии, как управляется развёртка изображения в телевизоре.

    В линейном полупроводниковом теплообменнике с управляемым полем точечных градиентов температур,  температурное поле состоит из множества “точек” (сборок объёмных полупроводников) теплообмена с независимым управлением положительными и отрицательными температурными градиентами. Отдельными “точками” теплообмена можно управлять (нагревом / охлаждение) в пределах десятков градусов. Размер “точек“ теплообмена зависит от выбора размеров объёмных полупроводников. 

ВЫВОД:

1. Линейный полупроводниковый теплообменник способен формировать поле множества градиентов температур в десятки градусов как охлаждения, так и нагрева.
2. Линейный полупроводниковый теплообменник имеет простое конструктивное исполнение, которое может быть повторено в любой лаборатории.
3. Линейный полупроводниковый теплообменник предназначен в первую очередь для НИОКР, для проведения различных термофизических и термохимических превращений внутри и на поверхности продуктов, материалов, веществ, соединений и т.п.
4. Линейный полупроводниковый теплообменник лишён всех недостатков, которые есть у матричного теплообменника.
5. Инновационная система управления развёрткой питающих напряжений теплообменника позволяет проводить независимое управление каждой теплообменной сборкой в любых направления изменения градиента температуры, как нагрев, так и охлаждение. Более подробно о развёртке питающих напряжений заявлено в соответствующем разделе сайта vihrihaosa.ru.

Назначение:

Предназначен для формирования и управления полем множества “точечных” источников теплообмена. “Точечные” источники теплообмена управляются в пределах положительных и отрицательных градиентов температур.

Технический результат:

Простое конструктивное исполнение теплообменника. Простая система управления “точками” теплообмена.

Основание:

За основу взят эффекте Пельтье. Эффект Пельтье – электротермическое явление нагрева и охлаждения мест контакта (спая) двух разнородных проводников (металлов, полупроводников), по которым течёт ток. Когда электрический ток пропускают по цепи мест контакта (спая) двух разнородных проводников (металлов, полупроводников), в одном контакте (спае) выделяется тепло, а в другом – поглощается. Это и известно, как эффект Пельтье.
При контакте металлов эффект Пельтье (нагрев/охлаждение) составляет нескольких градусов. При контакте полупроводников эффект Пельтье (нагрев/охлаждение) составляет десятки градуса.

Конструктивное исполнение теплообменника:

В конструктивном плане теплообменник может быть построен:

1. На биметаллическом проводнике с знакопеременной контактной разностью потенциалов.
2. На объёмных полупроводниках.
   Рассмотрим теплообменник на объёмных полупроводниках.
   В конструктивном плане представляет собой плоскую сеточную структуру в виде множества вертикальных и горизонтальных тонких электрических проводников. Схематически матричный полупроводниковый теплообменник представлен на рис. № 1.
   Места пересечений электрических проводников (узлы сетки) соединены между собой (спаяны) кубиками полупроводникового материала через медные теплообменные прокладки.
   Матричный полупроводниковый теплообменник содержит основное управляемое поле градиентов температур, которое используется для технологических целей и техническое (служебное) поле градиентов температур (см. рис. № 1). Техническое поле градиентов температур в работе не используется и выполняет служебную функцию.

Рис. № 1. Матричный полупроводниковый теплообменник

Объёмные полупроводники можно изготовить по простым технологиям, которые заявлены в настоящем исследовании контактной разности потенциалов и опубликованы в соответствующем разделе настоящего сайта.
Объёмные полупроводники можно взять из готовых элементов Пельтье, см. рис. № 2. В настоящее время промышленность выпускает большую линейку элементов Пельтье с полупроводниковыми элементами кубической и прямоугольной формы размерами от 1 до 10 мм.

Рис. № 2. Элемент Пельтье в разобранном виде.

Принцип управления градиентами температур:
Управление градиентами температур отдельных сборок объёмных полупроводников осуществляется с помощью сеточной подачи питающего напряжения к каждому объёмному полупроводнику.
Схематически, сеточный способ подачи питающего напряжения к каждому объёмному полупроводнику показан на рис. № 3.

Рис. № 3. Сеточный способ подачи напряжения к каждому объёмному полупроводнику.

В матричном полупроводниковом теплообменнике температурное поле состоит из множества точек теплообмена с независимым управлением положительными и отрицательными температурными градиентами. Предусмотрена возможность управлять нагревом / охлаждением каждой точки теплообмена в пределах десятков градусов. Размер точек теплообмена зависит от выбора полупроводниковых “кубиков” из элемента Пельтье. Расстояние между соседними точками нагрева/охлаждения может быть изменена конструктивно.

ВЫВОД:

1. Матричный полупроводниковый теплообменник способен формировать поле множества градиентов температур в десятки градусов как охлаждения, так и нагрева.
2. Матричный полупроводниковый теплообменник имеет простое конструктивное исполнение, которое может быть повторено в любой лаборатории,
3. Матричный полупроводниковый теплообменник предназначен в первую очередь для НИОКР для проведения различных термофизических и термохимических превращений внутри и на поверхности продуктов, материалов, веществ, соединений и т.п.
4. Матричный полупроводниковый теплообменник имеет ряд существенных недостатков, которые ограничивают сферу применения. Невозможно изменять одновременно температуру нагрева и охлаждения в линейке полупроводниковых элементов, которые размещены на одной вертикальной или горизонтальной ветви электрической цепи. Этого недостатка лишён линейный полупроводниковый теплообменник с управляемым полем градиентов температур, который представлен в соответствующем разделе сайта vihrihaosa.ru.

Назначение:

Определение поля градиентов температур на поверхности или в объёме технологического оборудования, различных продуктов, материалов, веществ, соединений и т.п.

Технический результат:

Простая система точного определении мест градиентов температур на поверхности /объёме технологического оборудования, материалов, веществ, соединений и т.п.

Уникальность:

Новация способа основана на синергии двух оригинальных идей:

1. Инновационный продукт – биметаллический проводник с знакопеременной контактной разностью потенциалов. В конструктивном плане биметаллический проводник с знакопеременной контактной разностью потенциалов изготовлен соединением (сваркой) множества коротких проводников из разнородных металлов. Разнородные металлы должны обязательно отличаться коэффициентом термо-ЭДС.
2. Инновационный способ развертки питающего напряжения в длинном проводнике (электрической цепи). Способ развертки питающего напряжения в длинном проводнике (электрической цепи) предназначен для формирования локального места на определённом участке проводника (электрической цепи), по которому протекает ток с повышенным напряжением. Местом приложение участка проводника (электрической цепи) с протеканием тока повышенного напряжения можно изменять.

Принцип работы:

Исследование поля градиентов температур на поверхности или в объёме технологического оборудования, различных продуктов, материалов, веществ, соединений и т.п., осуществляется с помощью системы развёртки питающего напряжения.

Система развёртки питающего напряжения построена на основе нового инновационного способа развертки питающего напряжения в длинном проводнике (электрической цепи).

Схематически, способ определение поля градиентов температур на поверхности или в объёме технологического оборудования, материала, вещества, соединения и т.п. представлен на рис. № 1.

Рис. № 1. Схема реализации способа определение поля градиентов температур.

Биметаллический проводник с знакопеременной контактной разностью потенциалов размещается, например змейкой, непосредственно по всей поверхности или объёме технологического оборудования, материалов, веществ, соединений и т.п. (см. рис. № 1).

Большое количество точек с контактной разностью потенциалов на единице длинны биметаллического проводника (L, рис. № 1) с знакопеременной контактной разностью потенциалов позволяет определять место изменения термодинамического равновесия с точностью, равной нескольким диаметрам проводника (L1, рис. № 1).

В условиях термодинамического равновесия все точки с контактной разностью потенциалов в проводнике не оказывают влияние на передачу электрического сигнала.
Место выхода точки (например, L1, рис. № 1) поверхности/объёма технологического оборудования, материала, вещества, соединения и т.п. из термодинамического равновесия определяется с помощью инновационный способ развертки питающего напряжения в длинном проводнике (электрической цепи).

Для определение поля градиентов температур, в биметаллический проводник с знакопеременной контактной разностью потенциалов, с обоих сторон подают возбуждающие напряжениях противоположной полярности.

Управлении фазовыми соотношениями двух возбуждающих напряжениях противоположной полярности происходит в высокочастотном трансформаторе Т1 с двумя обмотками со средними точками.
Частота возбуждающих напряжений Uвозб. противоположной полярности равной:

F возб. = С / (2*L)

Где:

• С – скорость света, м/сек.
• L – длина диагностируемого проводника, м.

Одновременно в биметаллический проводник с знакопеременной контактной разностью потенциалов подается с двух сторон напряжение развертки U разв., противоположной полярности с частотой:

           Fразв. = (С*L1) / L

Где:

L1 – точность определения места дефекта, м.

С – скорость света, м/сек.

L – длина диагностируемого проводника, м.

Трансформатор Т1 изменяет фазы двух возбуждающих напряжений разной полярности так, что они встречаются и пересекаются на элементе длины проводника L1 (рис. № 1).
В каждый такт напряжения возбуждения в биметаллическом проводнике с знакопеременной контактной разностью потенциалов формируется элемент длинной L1 (рис. № 1), в котором течет ток с напряжением:

U = 2 * U возб.

График изменения напряжений в биметаллическом проводнике с знакопеременной контактной разностью потенциалов показан на рис. № 2.

Рис. № 2. График изменения напряжений в биметаллическом проводнике с знакопеременной контактной разностью потенциалов.

Благодаря управлению фазовыми сдвигами – в каждом такте подачи напряжений возбуждений присутствует строго заданное место L1 в биметаллическом проводнике с знакопеременной контактной разностью потенциалов общей длинной L, по которому протекает ток с напряжением:

            U = 2 * U возб. 

При термодинамическом равновесии, протекающий ток в биметаллическом проводнике с знакопеременной контактной разностью потенциалов равен току, протекающему в обыкновенном металлическом проводнике. Связано это с тем, что при термодинамическом равновесии контактная разность потенциалов на одном “соединении” будет всегда компенсироваться точно такой же контактной разностью потенциалов на следующем “соединении”. Две одинаковые контактные разности потенциалов всегда направлены в разные стороны – если обходить электрическую цепь по кругу.

В случае выхода места L1 в биметаллическом проводнике с знакопеременной контактной разностью потенциалов за пределы термодинамического равновесия (место подвержено нагреву или охлаждению, вызванному сторонним локальным воздействием, см. Т2, на рис. № 1,) ситуация изменяется.

Термопара (термопары) на участке длинны L1 превратится в дополнительный источник термо ЭДС. А в момент, когда по участку длинны L1 протекает одновременно ток с удвоенным напряжением возбуждения (U = 2 * U возб. ) максимально влияет на значение общего тока, протекающего в биметаллическом проводнике с знакопеременной контактной разностью потенциалов.

Диагностическим маркером локального изменения температуры на участке поверхности или объёма длиной L1 будет являться степень изменения тока в биметаллическом проводнике с знакопеременной контактной разностью потенциалов, по сравнению с другими локальными участками L2, L3 и.т.д.

ВЫВОД

Предложенный способ развертка питающего напряжения может быть применён в различных областях науки и техники для целей определения поля градиентов температур на поверхности или в объёме технологического оборудования, различных продуктов, материалов, веществ, соединений и т.п.

Способ может быть реализован только на основе нового инновационного металлического термопарного проводника, который должен быть размещён на поверхности или в объеме диагностируемого технологического оборудования, материала, вещества, соединения и т.п.

Количество термопарных соединений на единице длины такого проводника определяется чувствительностью и точностью определения места локации с повышенной или пониженной температурой.

Известно, что работа любого трансформатора связана с потерями холостого хода, и нагрузочными потерями, представляющими собой сумму потерь в медных обмотках и дополнительных потерь, вызываемых потоком рассеяния.

В настоящее время, главным способом снижения нагрузочных потерь в обмотках трансформаторов является увеличение проходного сечения провода для целей уменьшения плотности тока. Это приводит к увеличению геометрических размеров обмоток, и как следствие, к увеличению габаритов трансформаторов. Применение обмоточного компактного провода, состоящего из большого количества медных изолированных проводников, частично нивелирует этот недостаток.

Предлагаемый способ повышения эффективности работы трансформаторов позволяет изменить подход к нагрузочным потерям в медных обмотках, и в ряде случаев минимизировать их.

Способ минимизации нагрузочных потерь в трансформаторах основан на синергии явлений электромагнитной индукции и контактной разности потенциалов.

Предлагается использовать в силовых катушках статических электромагнитных устройств (электрических трансформаторов) принципиально новый проводниковый материал — биметаллический проводник с знакопеременной контактной разностью потенциалов.

Предлагается вторичную обмотку изготавливать из биметаллического проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов, см. рис. № 1. В этом случае, на распределение электрических напряжений, вызванных электромагнитной индукцией, будут оказывать влияние контактные разности потенциалов.

Рис. № 1. Трансформатор с вторичной обмоткой из биметаллического проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов.

В витке (части витка контура) между двумя контактными разностями потенциалов будет наводится отдельная ЭДС. Отдельная ЭДС является внешней электродвижущей силой, которая выводит биметаллический проводник с знакопеременной контактной разностью потенциалов за пределы термодинамического равновесия. Здесь уместна аналогия с термобатарей, у которой внешней электродвижущей силой является изменение температуры, которое выводит батарею из термодинамического равновесия, и она начинает вырабатывать электричество.

Величина наведённой ЭДС для каждого витка (части витка контура) одинаковая для всех. Контактная разность потенциалов “соединения” сдвигает начало ЭДС для следующего витка (части витка контура) вверх.  Энергетика ЭДС, наводимой в витке (части витка) на много больше энергетики контактной разности потенциалов со знаком минус, поэтому сдвигом вниз в первом приближении можно пренебречь.

Предлагаемый способ позволяет уменьшить количество витков вторичной обмотки без изменения энергетических характеристик трансформатора. В свою очередь, уменьшение количества витков вторичной обмотки позволит уменьшить размеры сердечника трансформатора.

Для понимания особенностей работы такого проводникового материала необходимо по-новому взглянуть на классический термоэлектрический эффект, как производная контактной разности потенциалов.

Известно, что термоэлектрический эффект — это прямое преобразование разности температур в электрическое напряжение или обратное преобразование электрического напряжения в разность температур, которые проявляются в контактной разности потенциалов. В зависимости от приложенных температур или напряжений термоэлектрический эффект разделяется на эффект Зеебека, эффект Пельтье и эффект Томсона.   Эффект используется для выработки электроэнергии, измерения температуры или изменения температуры объектов. 

Эффект основан на контактной разности потенциалов “соединения” из двух разнородных материалов.  Величину контактной разности потенциалов одного “соединения” можно приблизительно оценить на основе закона Алессандро Вольта. 

  При механическом контакте двух разнородных металлов между ними возникает контактная разность потенциалов, которая зависит от температуры, строения материалов и состояния контактирующих поверхностей.  Если температура холодного и горячего контактов одинаковая, то контактная разность потенциалов двух “соединений” равна нулю. В этом случае контактная разность потенциалов одного “соединения” будет представлена следующим образом:

Контактная разность потенциалов одного “соединения”.

         КРП12 = α12 / 2 

где α12 —коэффициент термо-ЭДС.

Например: 

— КРП12 для “соединения” проводников алюминий-медь =1,5 мкв,

— КРП12 для “соединения” проводников сталь-медь =3,6 мкв,

— КРП12 для “соединения” проводников хромель-алюмель =20 мкв,

— КРП12 для “соединения” проводников хромель-копель =40 мкв.

Схематически биметаллический проводник с знакопеременной контактной разностью потенциалов представлен на рис. № 2.  

Рис. № 2. Биметаллический проводник с знакопеременной контактной разностью потенциалов. 

Сам по себе такой биметаллический проводник с знакопеременной контактной разностью потенциалов не может являться каким-либо источником электрической или тепловой энергии. Закон последовательных контактов Алессандро Вольта не позволяет обойти закон сохранения энергии. Закон говорит, что разность потенциалов между концами разомкнутой цепи, составленной из нескольких, последовательно соединенных металлических проводников, которые находятся при одинаковой температуре, не зависит от промежуточных проводников и полностью определяется контактной разностью потенциалов (КРП) крайних проводников, см. рис. № 2.

U вых. ≠ КРП1-2 + КРП2-3 +…  + КРПN1-N (при термодинамическом равновесии).

U вых. = КРП1-N (при термодинамическом равновесии).

Это означает, что если при термодинамическом равновесии соединить в общую цепь последовательно множество “спаев” из двух разнородных металлических проводников, то общая КРП не будет зависеть от количества таких “спаев”. 

Контактная разность потенциалов на одном “соединении” будет всегда компенсироваться точно такой же контактной разностью потенциалов на следующем “соединении”. Связано это с тем, что две одинаковые контактные разности потенциалов всегда направлены в разные стороны — если обходить электрическую цепь по кругу.

Чтобы в условиях термодинамического равновесия такой источник энергии работал без дополнительной электродвижущей силы, необходимо разделить все “соединения” специальным проводником, у которого нет контактной разности потенциалов.  К сожалению, такого материала в природе не существует.

Получается, что для практического использования проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов нужна какая-либо дополнительная внешняя электродвижущая сила, выводящая проводник за пределы термодинамического равновесия. 

Для примера, в случае с термопарами, и, в частности, с эффектом Зеебека – в качестве внешней электродвижущей силы выступает разность температур, нарушающая термодинамическое равновесие. В зависимости от полярности приложенного внешнего напряжения к “соединению” — контактная разность потенциалов будет или уменьшаться или увеличиваться.

Осталось предложить источник отдельного внешнего напряжения для каждого “соединения” с контактной разностью потенциалов, чтобы значение контактной разности потенциалов последовательно суммировалось, как в случае, по аналогии с термобатареей или термохолодильником. 

Таким источником внешнего напряжения для каждого “соединения” с контактной разностью потенциалов может выступать виток (часть витка контура) электрической катушки при взаимодействии с магнитным полем. В витке (части витка контура) между двумя контактными разностями потенциалов будет наводится отдельная ЭДС. Величина отдельной ЭДС для каждого витка (части витка контура) будет одинакова для всех. В этом случае контактная разность потенциалов каждого “соединения” будет сдвигать значение ЭДС вверх для каждого следующего витка. 

Здесь можно возразить, что контактная разность потенциалов на одном “соединении” будет всегда компенсироваться точно такой же контактной разностью потенциалов на следующем “соединении”. Сдвиг ЭДС следующего витка будет ка вверх, так и в низ. Схема замещения катушки из биметаллического проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов с наведением ЭДС должна выглядеть так, как показано на рис. № 3.

Рис. № 3. Предполагаемая схема замещения катушки из биметаллического проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов с наведением ЭДС

А напряжение на выходе катушки должно быть, как по классике:

                   Uab=ЭДС1 витка * N витков +КРП12

Такой подход хорош только для биметаллического проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов без внешней электродвижущей силы, которая наводит в каждом витке между контактными разностями потенциалов отдельную ЭДС.

Для этого случая, на рис. № 4 показано распределение напряжений Uab1 в катушке из биметаллического проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов без электромагнитной индукции в условиях термодинамического равновесия.

Внешняя электродвижущая сила меняет все распределения напряжений в системе с контактной разностью потенциалов.

Энергетика ЭДС, наводимой в витке (части витка) на много больше энергетики контактной разности потенциалов со знаком минус, поэтому сдвигом вниз в первом приближении можно пренебречь.

Распределение электрических напряжений в катушке для различных режимов работы представлено на рис. № 4.

Рис. № 4. Распределение электрических напряжений в катушке для различных режимов работы. 

Где: 

— Uab1 – ЭДС в катушке из биметаллического проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов без электромагнитной индукции в условиях термодинамического равновесия. Uab1 = КРП.

— Uab2 – ЭДС, наводимая в катушке из обыкновенного проводника, например – меди.

— Uab3 – ЭДС в катушке из биметаллического проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов с электромагнитной индукцией.

Значение Uab3 приблизительно можно оценить следующим выражением:

Uab3 = (ЭДС части витка + 2*КРП) * N частей витков катушки

Проведённые опытно-конструкторские работы подтверждают заявленное.

ОПЫТНОКОНСТРУКТОРСКИЕ РАБОТЫ

ГИПОТЕЗА

Катушка из проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов должна индуцировать ЭДС на 0,03 мВ больше, чем катушка из тестовой медной проволоки.

ЭКСПЕРИМЕНТ

В качестве биметаллического проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов использовалась пара сталь-медь. КРП12 для “соединения” сталь-медь +-3,6 мкв. Катушка из проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов намотана на сердечнике трансформатора. Количество витков – 10. Каждый виток – отдельный проводник с контактной разностью потенциалов по краям, в котором буден наводиться своя ЭДС. 

С другой стороны трансформатора намотана тестовая катушка из меди с количеством витков – 10.  

ЭДС наводилась бросанием электромагнита от мощного динамика сверху на сердечник катушки.

Измерения проводились имеющимися в распоряжении приборами. Отклонения стрелочного приборы фиксировались только на уровне 1-2 деления при работе с биметаллическим проводником с знакопеременной контактной разностью потенциалов. Отклонения в 1 деление фиксировались при работе с медным проводником.

Для более точного измерение изменений напряжений в диапазоне 30 мкВ тем оборудованием, которое было в распоряжении — использовал цифрой прибор. Измерения проводились косвенно, через разъём прибора для измерения температур.  Маркером изменения выходного напряжения в диапазоне 30 мкв были показания температуры.

РЕЗУЛЬТАТ

Значения температур (предполагаем – напряжений) стабильно отличались друг от друга в большую величину при работе с катушкой из биметаллического проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов, по сравнению с работы с медной катушкой.

ВЫВОД

Опытно-конструкторские работы подтверждают правильность заявленной гипотезы и могут быть использованы для повышения эффективности статических электромагнитных устройств (трансформаторов)  на основе использования принципиально нового электропроводного материала, совместно с таким явлением, как электромагнитная индукция. 

Предлагаемый способ позволяет уменьшить количество витков вторичной обмотки без изменения энергетических характеристик трансформатора. В свою очередь, уменьшение количества витков вторичной обмотки позволит уменьшить размеры сердечника трансформатора.

Способ основан на синергии явлений электромагнитной индукции и контактной разности потенциалов.

Предлагается использовать в силовых катушках электромагнитных вращающихся машинах (генераторы, электродвигатели) принципиально новый проводниковый материал – биметаллический проводник с знакопеременной контактной разностью потенциалов.

В силовой катушке из биметаллического проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов на распределение электрических напряжений, вызванных электромагнитной индукцией, будут оказывать влияние контактные разности потенциалов.

В витке (части витка контура) между двумя контактными разностями потенциалов будет наводится отдельная ЭДС. Отдельная ЭДС является внешней электродвижущей силой, которая выводит биметаллический проводник с знакопеременной контактной разностью потенциалов за пределы термодинамического равновесия. Здесь уместна аналогия с термобатарей, у которой внешней электродвижущей силой является изменение температуры, которое выводит батарею из термодинамического равновесия, и она начинает вырабатывать электричество.

Величина наведённой ЭДС для каждого витка (части витка контура) одинаковая для всех. Контактная разность потенциалов “соединения” сдвигает начало ЭДС для следующего витка (части витка контура) вверх.  Энергетика ЭДС, наводимой в витке (части витка) на много больше энергетики контактной разности потенциалов со знаком минус, поэтому сдвигом вниз в первом приближении можно пренебречь.

Для понимания особенностей работы такого проводникового материала необходимо по-новому взглянуть на классический термоэлектрический эффект, как производная контактной разности потенциалов.

Известно, что термоэлектрический эффект — это прямое преобразование разности температур в электрическое напряжение или обратное преобразование электрического напряжения в разность температур, которые проявляются в контактной разности потенциалов. В зависимости от приложенных температур или напряжений термоэлектрический эффект разделяется на эффект Зеебека, эффект Пельтье и эффект Томсона.   Эффект используется для выработки электроэнергии, измерения температуры или изменения температуры объектов. 

Эффект основан на контактной разности потенциалов “соединения” из двух разнородных материалов.  Величину контактной разности потенциалов одного “соединения” можно приблизительно оценить на основе закона Алессандро Вольта. 

 При механическом контакте двух разнородных металлов между ними возникает контактная разность потенциалов, которая зависит от температуры, строения материалов и состояния контактирующих поверхностей.  Если температура холодного и горячего контактов одинаковая, то контактная разность потенциалов двух “соединений” равна нулю. В этом случае контактная разность потенциалов одного “соединения” будет представлена следующим образом:

Контактная разность потенциалов одного “соединения”.

         КРП12 = α12 / 2 

где α12 —коэффициент термо-ЭДС.

Например: 

– КРП12 для “соединения” проводников алюминий-медь =1,5 мкв,

– КРП12 для “соединения” проводников сталь-медь =3,6 мкв,

– КРП12 для “соединения” проводников хромель-алюмель =20 мкв,

– КРП12 для “соединения” проводников хромель-копель =40 мкв.

Схематически биметаллический проводник с знакопеременной контактной разностью потенциалов представлен на рис. № 1.  

Рис. № 1. Биметаллический проводник с знакопеременной контактной разностью потенциалов. 

Сам по себе такой биметаллический проводник с знакопеременной контактной разностью потенциалов не может являться каким-либо источником электрической или тепловой энергии. Закон последовательных контактов Алессандро Вольта не позволяет обойти закон сохранения энергии. Закон говорит, что разность потенциалов между концами разомкнутой цепи, составленной из нескольких, последовательно соединенных металлических проводников, которые находятся при одинаковой температуре, не зависит от промежуточных проводников и полностью определяется контактной разностью потенциалов (КРП) крайних проводников, см. рис. № 1.

U вых. ≠ КРП1-2 + КРП2-3 +…  + КРПN1-N (при термодинамическом равновесии).

U вых. = КРП1-N (при термодинамическом равновесии).

Это означает, что если при термодинамическом равновесии соединить в общую цепь последовательно множество “спаев” из двух разнородных металлических проводников, то общая КРП не будет зависеть от количества таких “спаев”. 

Контактная разность потенциалов на одном “соединении” будет всегда компенсироваться точно такой же контактной разностью потенциалов на следующем “соединении”. Связано это с тем, что две одинаковые контактные разности потенциалов всегда направлены в разные стороны – если обходить электрическую цепь по кругу.

Чтобы в условиях термодинамического равновесия такой источник энергии работал без дополнительной электродвижущей силы, необходимо разделить все “соединения” специальным проводником, у которого нет контактной разности потенциалов.  К сожалению, такого материала в природе не существует.

Получается, что для практического использования проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов нужна какая-либо дополнительная внешняя электродвижущая сила, выводящая проводник за пределы термодинамического равновесия. 

Для примера, в случае с термопарами, и, в частности, с эффектом Зеебека – в качестве внешней электродвижущей силы выступает разность температур, нарушающая термодинамическое равновесие. В зависимости от полярности приложенного внешнего напряжения к “соединению” – контактная разность потенциалов будет или уменьшаться или увеличиваться.

Осталось предложить источник отдельного внешнего напряжения для каждого “соединения” с контактной разностью потенциалов, чтобы значение контактной разности потенциалов последовательно суммировалось, как в случае, по аналогии с термобатареей или термохолодильником. 

Таким источником внешнего напряжения для каждого “соединения” с контактной разностью потенциалов может выступать виток (часть витка контура) электрической катушки при взаимодействии с магнитным полем. В витке (части витка контура) между двумя контактными разностями потенциалов будет наводится отдельная ЭДС. Величина отдельной ЭДС для каждого витка (части витка контура) будет одинакова для всех. В этом случае контактная разность потенциалов каждого “соединения” будет сдвигать значение ЭДС вверх для каждого следующего витка. 

Здесь можно возразить, что контактная разность потенциалов на одном “соединении” будет всегда компенсироваться точно такой же контактной разностью потенциалов на следующем “соединении”. Сдвиг ЭДС следующего витка будет ка вверх, так и в низ. Схема замещения катушки из биметаллического проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов с наведением ЭДС должна выглядеть так, как показано на рис. № 2.

Рис. № 2. Предполагаемая схема замещения катушки из биметаллического проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов с наведением ЭДС

А напряжение на выходе катушки должно быть, как по классике:

                   Uab=ЭДС1 витка * N витков +КРП12

Такой подход хорош только для биметаллического проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов без внешней электродвижущей силы.

Для этого случая, на рис. № 3 показано распределение напряжений Uab1 в катушке из биметаллического проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов без электромагнитной индукции в условиях термодинамического равновесия.

Внешняя электродвижущая сила меняет все распределения напряжений в системе с контактной разностью потенциалов.

Энергетика ЭДС, наводимой в витке (части витка) на много больше энергетики контактной разности потенциалов со знаком минус, поэтому сдвигом вниз в первом приближении можно пренебречь.

Распределение электрических напряжений в катушке для различных режимов работы представлено на рис. № 3.

Рис. № 3. Распределение электрических напряжений в катушке для различных режимов работы. 

Где: 

– Uab1 – ЭДС в катушке из биметаллического проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов без электромагнитной индукции в условиях термодинамического равновесия. Uab1 = КРП.

– Uab2 – ЭДС, наводимая в катушке из обыкновенного проводника, например – меди.

– Uab3 – ЭДС в катушке из биметаллического проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов с электромагнитной индукцией.

Значение Uab3 приблизительно можно оценить следующим выражением:

Uab3 = (ЭДС части витка + 2*КРП) * N частей витков катушки

Проведённые опытно-конструкторские работы подтверждают заявленное.

ОПЫТНОКОНСТРУКТОРСКИЕ РАБОТЫ

ГИПОТЕЗА

Катушка из проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов должна индуцировать ЭДС на 0,03 мВ больше, чем катушка из тестовой медной проволоки.

ЭКСПЕРИМЕНТ

В качестве биметаллического проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов использовалась пара сталь-медь. КРП12 для “соединения” сталь-медь +-3,6 мкв. Катушка из проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов намотана на сердечнике трансформатора. Количество витков – 10. Каждый виток – отдельный проводник с контактной разностью потенциалов по краям, в котором буден наводиться своя ЭДС. 

С другой стороны трансформатора намотана тестовая катушка из меди с количеством витков – 10.  

ЭДС наводилась бросанием электромагнита от мощного динамика сверху на сердечник катушки.

Измерения проводились имеющимися в распоряжении приборами. Отклонения стрелочного приборы фиксировались только на уровне 1-2 деления при работе с биметаллическим проводником с знакопеременной контактной разностью потенциалов. Отклонения в 1 деление фиксировались при работе с медным проводником.

Для более точного измерение изменений напряжений в диапазоне 30 мкВ тем оборудованием, которое было в распоряжении – использовал цифрой прибор. Измерения проводились косвенно, через разъём прибора для измерения температур.  Маркером изменения выходного напряжения в диапазоне 30 мкв были показания температуры.

РЕЗУЛЬТАТ

Значения температур (предполагаем – напряжений) стабильно отличались друг от друга в большую величину при работе с катушкой из биметаллического проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов, по сравнению с работы с медной катушкой.

ВЫВОД

Опытно-конструкторские работы подтверждают правильность заявленной гипотезы и могут быть использованы для повышения эффективности электромагнитных вращающихся машинах (генераторы, электродвигатели) на основе использования принципиально нового электропроводного материала, совместно с таким явлением, как электромагнитная индукция.

НАЗНАЧЕНИЕ

Повышение эффективности работы машин и оборудования, работа которых основана на явлениях электромагнитной индукции и термоэлектричества.

ИСПОЛНЕНИЕ

Схематически биметаллический проводник с знакопеременной контактной разностью потенциалов представлен на рис. № 1.  

Рис. № 1. Биметаллический проводник с знакопеременной контактной разностью потенциалов. 

В конструктивном плане биметаллический проводник с знакопеременной контактной разностью потенциалов  изготовлен соединением (сваркой) множества коротких проводников  из разнородных металлов.  Разнородные металлы должны обязательно отличаться коэффициентом термо-ЭДС.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ

 Длинна каждого проводника разнородного металла больше его поперечного сечения ориентировочно в 2-4 раза. Такое значение является самым оптимальным для решения следующих задач:

– на единице длинны  биметаллического проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов должно уместиться максимально возможное число “соединений” с контактной разностью потенциалов.

– длинна отдельно взятого “сегмента” проводника позволяла наводить в нём ЭДС индукции.

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Технологии изготовления биметаллического проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов в настоящее время реализовать достаточно просто исходя из его исполнения:

 – Последовательная сварка отдельных разнородных проводников в общую цепь биметаллического проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов.

– Механическая обработка поверхности биметаллического проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов.

– Электроизоляция поверхности биметаллического проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов.

ПРИМЕНЕНИЕ.

1. Машин и оборудование, работа которых основана на явлениях электромагнитной индукции.

Электрические катушки, как часть машин, работающих на явлении электромагнитной индукции,  изготавливаются в основном из медной проволоки. 

Биметаллический проводник с знакопеременной контактной разностью потенциалов позволяет использовать любое побочное, стороннее или паразитное изменение термодинамического равновесия (градиент температур) или полярность контактной разности потенциалов  в любой плоскости системы для целей повышения эффективности явления электромагнитной индукции. 

Более подробная информация заявлена в следующих публикациях:

а) Повышение КПД электромагнитных вращающихся машин.

б) Повышение КПД электромагнитного оборудования

2. Диагностическое оборудование, контролирующее поверхностное распределение температур. 

     Большое количество точек с контактной разностью потенциалов на единице длинны биметаллического проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов позволяет определять место изменения термодинамического равновесия  с точностью, равной нескольким диаметрам проводника.  Для этого биметаллический проводник с знакопеременной контактной разностью потенциалов размещается и контактирует по всей длине поверхности  технологического оборудования. 

В условиях термодинамического равновесия все точки с контактной разностью потенциалов в проводнике не оказывают влияние на передачу электрического сигнала и наоборот.   

С практической точки зрения в  проводник подают диагностический электрический импульс с известными временными и амплитудными характеристиками. На выходе проводника  смотрят временные и амплитудные распределения характеристик выходного импульса. 

В условиях термодинамического равновесия входной и выходной импульсы отличаться не будут. 

В случае нарушения термодинамического равновесия в каком-либо участке поверхности технологического оборудования –  временные и амплитудные распределения характеристик выходного импульса покажут это с точностью до нескольких диаметров проводника.

         а) Способ контроля распределения температур по поверхности технологического оборудования.

3. Термоэлектрические батареи.

Большое количество точек с контактной разностью потенциалов на единице длинны биметаллического проводника с знакопеременной контактной разностью потенциалов позволяет на месте изготавливать термоэлектрические батареи под существующие источники энергии, например костёр и т.п.

а) Термоэлектрические генераторы в  наборах по выживанию.

РЕФЕРАТ

Способ диагностирования возникновения внутренних дефектов (трещин) осуществляется  контактным способом контроля  разности температур дисковыми термоэлектродами между соседними локальными местами по периметру сляба, а также, в локальных местах по периметру сляба за определённый временной интервал  после зоны вторичного охлаждения машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).

ВВЕДЕНИЕ

Наиболее проблемными с точки зрения качества слябов непрерывной разливки стали являются ранняя диагностика поверхностных дефектов, среди которых наиболее значимыми и трудно устранимыми оказываются паукообразные, сетчатые и поперечные трещины, которые развиваются в приповерхностном слое, проходят по границам зерен и, как правило, не загрязнены ликватами.

Известен способ диагностирования появления трещин в слябе по изменению температуры его поверхности непосредственно в кристаллизаторе матричной системой термоэлементов (CN 101985166). Диагностирование дефектов выполняется по разнице показаний термоэлементов в матрице.

Известен способ диагностирования появления трещин в слябе по изменению температуры его поверхности непосредственно в верхней и центральной частях кристаллизатора матричной системой термоэлементов (WO 2012043985). Диагностирование дефектов выполняется по разнице показаний термоэлементов в матрице.

Известен способ диагностирования продольных трещин в затвердевшей оболочке сляба в кристаллизаторе (RU 2593802C2).

Основным недостатком указанных способов является то, что практическая реализация требует внесение конструктивных изменения в действующее оборудование машины непрерывного литья заготовок. Внутренние поверхности кристаллизатора должны быть дооборудованы системами термодатчиков.

Бесконтактное измерение температуры поверхности с помощью отдельных термопар менее чувствителен к небольшим изменениям температуры, чем контактный способ.  Установленные на небольшом расстоянии, например через 10 мм, термопары с бесконтактным измерением не способны реагировать на малейшее изменение температуры на таком расстоянии.

ОПИСАНИЕ

Способ диагностирование возникновения внутренних дефектов (трещин) осуществляется  контактным способом контроля  разности температур дисковыми термоэлектродами между соседними локальными местами по периметру сляба, а также, в локальных местах по периметру сляба за определённый временной интервал  после зоны вторичного охлаждения машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).

Измерение температур на поверхности сляба производится двумя идентичными и разнесёнными на определённое расстояние измерительными модулями.

В измерительных модулях температуры  поверхностей сляба измеряются контактным катящимся способом. В контактном способе одним  общим термоэлектродом является сам сляб.  В качестве второго термоэлектрода используется множество статически размещённых дисковых термоэлектродов.  Все дисковые термоэлектроды свободно вращаются вдоль, по всей поверхности сляба (первого термоэлектрода), образуя термоизмерительный контакт.

Наличие аномального изменения температуры в определённом месте на поверхности сляба за определённый промежуток времени или характеристика изменения скорости  остывания определённого места  – является диагностическим маркером образования любых внутренних дефектов.  Пики и впадины на кривых распределения говорят о неоднородности внутренней структуры, а их величина – о степени неоднородности.

В качестве дискового термоэлектрода, согласно термоэлектрического ряда  напряжений относительно платины при перепаде температур в 100°С – можно использовать тонкий диск из никеля с ЭДС  – 1.97 мВ.  Сляб (железо)  в это время будет иметь ЭДС  +1.88 мВ.

ИСПОЛНЕНИЕ

Схематически измерительная система представлена на рис. № 7.1.

Рис. № 7.1. Измерительная система диагностирования внутренних дефектов слябов  в МНЛЗ с помощью множества дисковых термоэлектродов.

Система состоит из двух идентичных термоизмерительных модулей, которые разнесены на определённое расстояние непосредственно после зоны вторичного охлаждения машины непрерывного литья заготовок, см. рис. № 7.1. Выход всех термодатчиков измерительных модулей соединяются с системой управления, которая производит непрерывное измерение температуры с последующей обработкой.

Термоизмерительные модули устанавливаются на постоянной основе на бетонное основание цеха под движущимся слябом.

Схематически каждый измерительный модуль представлен на рис. № 7.2.

Рис. № 7.2. Измерительный модуль системы диагностирования  внутренних дефектов слябов  в МНЛЗ с помощью множества дисковых термоэлектродов.

Измерительный модуль состоит из четырёх групп термоэлектродов, которые размещены на специальных опорных направляющих со всех сторон сляба.  Опорные элементы групп измерительных модулей оснащены механическими винтовыми системами “юстировки”, позволяющими изменять в небольших пределах геометрические положения термоэлектродов для целей обеспечения постоянного контакта со слябом.

В измерительном модуле температуры  поверхностей сляба измеряются контактным катящимся способом множеством статически размещённых дисковых термоэлектродов.

Схематически один термоэлектрод представлен на рис. № 7.3

Рис. № 7.3. Измерительный дисковый термоэлектрод системы диагностирования внутренних дефектов слябов  в МНЛЗ с помощью множества дисковых термоэлектродов.

  Все дисковые термоэлектроды свободно вращаются вдоль, по всей поверхности сляба (первого термоэлектрода), образуя термоизмерительный контакт.

Материал дискового термоэлектрода, согласно термоэлектрического ряда  напряжений относительно платины при перепаде температур в 100°С , это никель с ЭДС  – 1.97 мВ.  Сляб (железо)  в это время будет иметь ЭДС  +1.88 мВ.

ПРИНЦИП РАБОТЫ

Принцип работы основан на классическом непрерывном измерении температуры каждым свободно вращающимся электродом каждого измерительного модуля.

Таким образом формируется множество  температурных графиков – кривых термораспределений, как между соседними дисковыми термоэлектродами одного измерительного модуля, так и дисковыми электродами двух измерительных модулей, размещённых вдоль одной прямой.

Пики и впадины на кривых распределения указывают о наличии неоднородности внутренней структуры, а их величина – о степени неоднородности.

Сравнение величин неоднородностей температурных распределений с эталонными позволит идентифицировать все внутренние дефекты сляба

ВЫВОД

          Заявленный способ, основан на самом точном и чувствительном  контактном способе измерения распределений температур всех поверхностей сляба. Более точные измерения распределений температур позволяют диагностировать практически все внутренние дефекты в  слябе непосредственно после зоны вторичного охлаждения машины непрерывного литья заготовок, по сравнению со всеми существующими способами.   К тому же все, ранее предлагаемые способы диагностики дефектов предполагают внесение конструктивных изменений в действующий кристаллизатор.

Заявленный способ не предполагает внесение каких-либо конструктивных изменений в кристаллизатор и может быть исполнен на действующем оборудовании, даже без его остановки на ремонт. Это связано с тем, что  проводить манипуляции с измерительными модулями можно дистанционно.

Известно, что КПД классического термоэлектрического
преобразователя на полупроводниках не более 10-15 %. КПД термоэлектрического преобразователя на металлических термопарах не более 1 %.

В настоящей работе предложен термоэлектрический
преобразователь на металлических термопарах c КПД на много большим, чем у самых лучших известных полупроводниковых преобразователей!

Оперируя энергетикой емкостных накопителей в десятки и
более джоулей для напряжения, вырабатываемого всеми
термопарами, например, в 5 вольт можно получить переменный ток в нагрузке, измеряемый амперами!

Известно, что время заряда конденсатора, в том числе и от термоэлектрического преобразователя, зависит от его емкости. Время заряда емкостного накопителя энергии емкостью, например, в 1 Фарад до напряжения термоэлектрического генератора, например, в 5 вольт будет измеряться секундами.

Задачей данной работы  является предложить способ “мгновенного” заряда емкостного накопителя для целей повышения КПД преобразования низко потенциального тепла в электричество.

Согласитесь, что зарядить одновременно, например, 1000 конденсаторов емкостью по 1000 мкФ от различных источников в 1000 раз быстрее, чем один конденсатор емкостью 1 Фарад от одного источника.

Такое заключение является базой, на основании которой предлагается принципиально новый, высоко эффективный способ преобразования  низко потенциального тепла в электричество.

На основании выше изложенного предлагается емкостная термоэлектрическая батарея с индуктивным накопителем для утилизации низко потенциального тепла. 

Емкостная термоэлектрическая батарея с индуктивным накопителем для утилизации низко потенциального тепла представляет собой классический термоэлектрический источник  тока в управляемом импульсном режиме, который обеспечивает  заряд/перезаряд встроенных двух емкостных накопителей энергии. В свою очередь нагрузка запитана от одного емкостного накопителя энергии.

Принцип работы основан на синергии термоэлектрического эффекта Зеебека (явление возникновения ЭДС на концах последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах) и двух емкостных накопителей энергии с управлением токами заряда/перезаряда как от отдельного индуктивного накопителя энергии, так и без него.

Особенностями емкостной термоэлектрической батареи с индуктивным накопителем для утилизации низко потенциального тепла является следующее:

1. КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ.
2. ОБЩЕЕ СХЕМАТИЧЕСКОЕ ИСПОЛНЕНИЕ.
3. РАЗЛИЧНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ.
4. ОРИЕНТИРОВОЧНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Рассмотрим каждую особенность по отдельности.

1. КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ.

В конструктивном плане основу емкостной термоэлектрической батареи представляет собой “сборный пакет”, состоящий из листов (фольги) из разнородных металлов, между которыми проложены листы диэлектрика. Листы (фольга) из разнородных металлов по краям  соединены между собой механическим способом, образуя термопары. Каждая ветвь термопары является обкладкой для двух конденсаторов емкостного накопителя. Другие обкладки этих конденсаторов соединены между собой, и между такими же другими. Таким образом, формируется дополнительный электрод в системе, который будет являться одним из выходов в передаче электрической энергии.

Конструктивное исполнение емкостной термоэлектрической батареи  может быть двух типов:

Тип 1. Прямоугольная батарея (пакет) с подводом / отводом тепла с противоположных сторон батареи (пакета) – рис. № 9.1, 9.2

Рис. № 9.1. Прямоугольная батарея (пакет) с подводом / отводом тепла с противоположных сторон батареи (пакета)

Рис. № 9.2. Прямоугольная батарея (пакет) с подводом / отводом тепла с противоположных сторон батареи (пакета)

Тип 2. Цилиндрическая (коаксиальная) батарея (пакет) с подводом / отводом тепла внутрь / снаружи цилиндра – рис. № 9.3

Рис. 9.3. Цилиндрическая (коаксиальная) батарея (пакет) с подводом/отводом тепла внутрь / снаружи цилиндра.

• СХЕМАТИЧЕСКОЕ ИСПОЛНЕНИЕ.

На рис. № 9.4 каждая ветвь термопары  представлена отдельным источником напряжения, преобразующим тепловую энергию в электрическую.

Рис. № 9.4 . Электрическая схема  ТЭГ

Общее количество конденсаторов в накопителе:

N = n*2

Где:

• n – Количество термопар.

Каждая ветвь термопары заряжает свой конденсатор емкостного накопителя. При этом емкостной накопитель может работать в разных режимах в зависимости от коммутации нагрузки и управления работой заряда/разряда емкостного накопителя.

• РАЗЛИЧНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ.

Термоэлектрический генератор  работает в нескольких режимах в зависимости от коммутации нагрузки и управления работой заряда/разряда емкостного накопителя.

Режим 1. Емкостной накопитель без управления зарядом/разрядом

Эквивалентная схема представлена на рис. № 9.5.

Рис. № 9.5. Эквивалентная схема емкостного накопителя без управления зарядом/разрядом без управления зарядом/разрядом

Выходное постоянное напряжение снимается с контактов – 1-3 емкостной термобатареи. Контакт 2 – не используется.

Схема емкостной термоэлектрической батареи с графиком напряжений заряда конденсаторов емкостного накопителя представлена на рис. № 9.6.

Рис. № 9.6. Схема емкостной термоэлектрической батареи с графиком напряжений заряда конденсаторов.

В емкостном накопителе все конденсаторы соединены последовательно-параллельно каждому источнику напряжения в виде термопары.

Общая емкостью накопителя: 

С1=С0/n

Где:

• n – количество термопар.
• C0 – емкость одного конденсатора.

Выходное напряжение:

    Uвых=U0

Где:

• U0- напряжение термоэлектрического генератора.

Энергия емкостного накопителя:

W= √C1Uвых²/2

В формуле корень связан с тем, что каждый конденсатор накопителя заряжается до напряжения текущей термопары + напряжение предыдущих термопар.

Режим 2. Емкостной накопитель/делитель напряжения без управления зарядом/разрядом .

Эквивалентная схема представлена на рис. № 9.7

Рис. № 9.7. Эквивалентная схема ёмкостного накопителя/делителя напряжения.

Представляет собой два идентичных емкостных накопителя энергии, включенные последовательно по типу емкостного делителя напряжения.

Выходное постоянное напряжение снимается с контактов – 1-2 одной емкостной термобатареи. Термопары заряжают два накопителя одновременно.

Схема емкостной термоэлектрической батареи с графиком напряжений заряда конденсаторов двух емкостных накопителей представлена на рис. № 9.8.

Рис. № 9.8. Схема емкостной термоэлектрической батареи в режиме делителя напряжения  с графиком напряжений заряда конденсаторов.

В каждом из двух накопителей все конденсаторы соединяются параллельно с общей емкостью:

 С1=С2=С0*n

Где:

• n- количество термопар
• С0- емкость одного конденсатора.

Напряжение на выходе:

     Uвых = U2 =  U0/2

Где:

• U0- напряжение термоэлектрического генератора.
• U2 – выходное напряжение одного из двух емкостных накопителей энергии.

Энергия, запасенная в одном накопителе:

W= √C2*U2²/2

В формуле корень связан с тем, что каждый конденсатор накопителя заряжается до напряжения текущей термопары + напряжение предыдущих термопар.

Режим 3. Емкостная термоэлектрическая батарея с двумя идентичными накопителями энергии (С1 и С2)  с управлением зарядом/разрядом емкостных  накопителей.

Эквивалентная схема представлена на рис. № 9.9.

Рис. № 9.9. Эквивалентная схема ёмкостной термоэлектрической батареи в режиме делителя напряжения с управлением зарядом/разрядом.

Представляет собой два идентичных емкостных накопителя энергии, включенные последовательно по типу емкостного делителя напряжения с коммутирующим ключом К1.

Выходное напряжение – переменное.  Снимается с контактов – 1-2 одного емкостного накопителя энергии. Термоэлектрический генератор заряжает два накопителя одновременно.

Ключ К1 обеспечивает ток короткого замыкания в цепи всех термопар. Управление коммутацией тока короткого замыкания ключом К1 приводит к тому, что все параллельно соединенные конденсаторы обоих накопителей  заряжаются до половины напряжения питания.

U1=U2=U0/2

Где:

• U0- напряжение термоэлектрического генератора.
• U1 – выходное напряжение одного емкостного накопителя энергии.
• U2 – выходное напряжение одного емкостного накопителя энергии.

В противном случае каждый конденсатор накопителя заряжался бы до напряжения текущей термопары + напряжение предыдущих термопар, как было заявлено выше в 1 и 2 режиме.

Схема емкостной термоэлектрической батареи с графиком напряжений заряда конденсаторов двух емкостных накопителей представлена на рис. № 9.10.

Рис. № 9.10. Схема емкостной термоэлектрической батареи в режиме делителя напряжения  с управлением зарядом/разрядом и графиком напряжений заряда конденсаторов.

В каждом накопителе все конденсаторы соединяются параллельно с общей емкостью:

С1=С2=С0*n.

Где:

• n- количество термопар.
• С0 – емкость одного конденсатора.

Выходное напряжение – переменное:

     Uвых = U1+U2 = Uo

Где:

• U0- напряжение термоэлектрического генератора.
• U1 – выходное напряжение одного емкостного накопителя энергии.
• U2 – выходное напряжение одного емкостного накопителя энергии.

Общая энергия  системы:

     W= C2*Uвых²/2

Режим 4. Емкостная термоэлектрическая батарея с двумя идентичными накопителями энергии (С1 и С2) и индуктивным накопителем с управлением зарядом/разрядом емкостных  накопителей.

Эквивалентная схема представлена на рис. № 9.11.

Рис. № 9.11. Эквивалентная схема емкостной термоэлектрической батареи в режиме делителя напряжения с управлением зарядом/разрядом  и индуктивным накопителем.

Представляет собой два идентичных емкостных накопителя энергии, включенные последовательно по типу емкостного делителя напряжения с коммутирующим ключом К1 и дополнительным внешним индуктивным накопителем L1.

Выходное напряжение – переменное.  Снимается с контактов – 1-2 одного емкостного накопителя энергии. Термоэлектрический генератор заряжает два накопителя одновременно.

Ключ К1 обеспечивает ток короткого замыкания в цепи всех термопар. Управление коммутацией тока короткого замыкания ключом К1 совместно с индуктивным накопителем L1 приводит к тому, что все параллельно соединенные конденсаторы обоих накопителей  заряжаются не до половины напряжения питания, как в предыдущем режиме, а до напряжения питания.

U1=U2= Uo.

Где:

• U0- напряжение термоэлектрического генератора.
• U1 – выходное напряжение одного емкостного накопителя энергии.
• U2 – выходное напряжение одного емкостного накопителя энергии.

В противном случае каждый конденсатор накопителя заряжался бы до напряжения текущей термопары + напряжение предыдущих термопар, как было заявлено выше в 1 и 2 режиме.

Схема емкостной термоэлектрической батареи с графиком напряжений заряда конденсаторов двух емкостных накопителей представлена на рис. № 9.11.

Рис. № 9.11. Схема емкостной термоэлектрической батареи в режиме делителя напряжения  с управлением зарядом/разрядом и графиком напряжений заряда конденсаторов.

В каждом накопителе все конденсаторы соединяются параллельно с общей емкостью:

 С1=С2=С0*n

Где:

• n- количество термопар.
• С0 – емкость одного конденсатора.

Выходное напряжение – переменное:

     Uвых = U1+U2 = 2U0

Где:

• U0- напряжение термоэлектрического генератора.
• U1 – выходное напряжение одного емкостного накопителя энергии.
• U2 – выходное напряжение одного емкостного накопителя энергии.

Общая энергия  системы:

W= C2*(2U0)²/2

• ОРИЕНТИРОВОЧНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Для оценки уровня энергетических характеристик и КПД предлагаемой  емкостной термоэлектрической батареи с индуктивным накопителем для утилизации низко потенциального тепла рассмотрим хромель-копелевые термопары и ΔT = 50 градусов.

Значения запасенной энергии в  емкостной термоэлектрической батарее в зависимости от типа и размеров используемых конденсаторов приведены в следующей таблице № 9.1.

Таблица № 9.1.

	Тип емкостного накопителя	Выходное напряжение	Количество конденсаторов	Площадь одного конденсатора	Высота диэлектрика – пленка – 0,01 мм. (обычный конденсатор)		Высота диэлектрика – оксид алюминия – 0,1 мкм. (электролитический конденсатор)		Высота диэлектрика – двойной электрический слой  – 0,1 нм. (ионикс)
					Емкость накопителя	Энергия накопителя	Емкость накопителя	Энергия накопителя	Емкость накопителя	Энергия накопителя
		В	Шт.	М2	Фарад	Джоуль	Фарад	Джоуль	Фарад	Джоуль
1	Емкостной накопитель со смешанным включением конденсаторов без управления зарядом/разрядом	5	1613	0,2	0,0000000001	0,0000000012	0,00000011	0,0000014	0,0001	0,001
2	Емкостной накопитель   без управления зарядом/разрядом	5	1613	0,2	0,000285	0,060	0,285	1,889	285	59,733
3	Емкостной накопитель  с управлением зарядом/разрядом	5	1613	0,2	0,000285	0,0036	0,285	3,568	285	3568
4	Емкостной накопитель   с управлением зарядом/разрядом и индуктивным накопителем	5	1613	0,2	0,000285	0,014	0,285	14,270	285	14274

Исходя из Выше изложенного, для практических целей, режимы работ емкостного термоэлектрического генератора № 3 и № 4 являются основными для генерации переменного электрического тока.

          В этом случае классический металлический термоэлектрический генератор работает  не на нагрузку, а на заряд/перезаряд двух емкостных накопителей энергии. И далее, только один емкостной накопитель энергии питает нагрузку переменным током заряда/перезаряда.

Главный недостаток любых термоэлектрических генераторов, как большое внутреннее сопротивление перестает быть значимым.  На первый план выходит время заряда/перезаряда двух емкостных накопителей энергии.

Для подтверждения работоспособности идеи был проведен эксперимент, см. рис. № 9.12, на котором проверялась энергетика одного ёмкостного накопителя при токе короткого замыкания во втором и наоборот.  

Рис. № 9.12. Эксперимент – энергетика одного ёмкостного накопителя при коротком замыкании  второго, и наоборот.

Видео эксперимента опубликовано на канале Ютуб:

В качестве термопар  использовались батарейки на 1.5 вольт.

В качестве  двух емкостных накопителей энергии использовались электролитические конденсаторы. Общая емкость каждого емкостного накопителя  – 60 мкФ.

В качестве  нагрузки использовались два светодиода, включенные параллельно и противополярно.

Результат коммутации тока короткого замыкания  термоэлектрического генератора или заряд/перезаряд двух емкостных  накопителей энергии визуализируется светодиодами. Переменный ток в нагрузке визуализируется, как поочередная работа двух, включенных противополярно светодиодов. 

В этом случае ток в нагрузке зависит только от  емкостей двух накопителей энергии и времени их заряда/перезаряда.

ВЫВОД

Приведенные в выше поименованной таблице № 1  расчетные данные по энергетике  емкостных накопителей, запитанных классическими термопарам, термоэлектрического генератора подтверждают заявленное.

Ток в нагрузке зависит только от  емкостей двух накопителей энергии и времени их заряда/перезаряда.

Оперируя энергетикой емкостных накопителей в десятки и более джоулей для общего напряжения, вырабатываемого всеми термопарами, например, в 5 вольт  можно получить переменный ток в нагрузке, измеряемый амперами.

КПД классического термоэлектрического преобразователя уровня 1 % перестает быть актуальным.

В условиях тотальной инновационализации, в настоящее время, практически все конструктивные исполнения современных термоэлектрических генераторов предлагаются промышленностью исключительно  на  полупроводниковой базе. Связано это с большим КПД, который могут обеспечить полупроводниковые термоэлементы по  отношению к классическим проволочным термоэлектрическими элементам.

При этом упускается из виду  тот факт, что полупроводниковые термоэлектрические элементы на несколько порядков дороже, по весу тяжелее и по конструктивному исполнению не совершенны.  Главный  недостаток полупроводниковых термоэлектрических генераторов, как не герметичность корпуса сужает сферы применения. К тому же из предлагаемых промышленностью готовых полупроводниковых модулей в аварийных ситуациях достаточно сложно собрать,  например, простой  электрический генератор  для зарядки смартфона или для питания светильника.

Здесь уместно напомнить фразу, что всё новое, это хорошо забытое старое.

Ещё во времена Великой Отечественной войны  использовались термоэлектрические генераторы, которые одевались на стекло керосиновой лампы, и питали  радиостанции наших разведчиков.

На основании выше изложенного предлагается производить костровые проволочные термоэлектрические генераторы исключительно для комплектования наборов по выживанию в чрезвычайных ситуациях согласно рис. № 1.1

Рис. № 1.1. Костровый проволочный термоэлектрический генератор (ТЭГ)  для наборов по выживанию в чрезвычайных ситуациях

Классический проволочный термоэлектрический генератор  с выходным напряжением в 5 вольт, с энергией от костра,  представляет собой 180 проволок из хромеля и 180 проволок из копеля, например, диаметром 1 мм и длинной каждая по 200 мм. Проволоки сварены концами между собой последовательно змейкой в общую электрическую цепь. Длинна такой электрической цепи – 72 метра. Вес такого проволочного термоэлектрического генератора составит примерно 400 грамм.

 В настоящее время простой проволочный термоэлектрический генератор становится актуальным как никогда.

Известно, что  классический проволочный термоэлектрический генератор  состоит из змейки  последовательно спаянных между собой  разнородных металлических проволок.

 Термо ЭДС для одного такого спая, например, из хромеля и копеля даёт 0,028 В  при разности температур  в 450 градусов.

 180 таких спаев проволок с разностью температур в 450 градусов на концах  способны обеспечить бесперебойным питанием/зарядом любой гаждет  напряжением 5 вольт, или для целей аварийного освещения.

Использование такого проволочного термоэлектрического генератора  просто, и под силу любому человеку. Технически это выглядит следующим образом.

В земле (песке) делается углубление 0,2 метра и диаметром в 0,3 метра.  Внутри углубления размещается 180 термопар термоэлектрического генератора  по спирали с меж проволочным расстоянием в 15-20 мм так, чтобы не было электрического контакта между соседними проволочками. Это может быть обеспечено, например, листьями или ветками деревьев. Проволоки засыпаются землёй (песком)  по уровню верхних спаем элементов термоэлектрического генератора.  Сверху разводится костёр. Термоэлектрический генератор выдаёт 5 вольт пока горит костёр.

          В этом случае, верхние спаи термоэлектрического генератора будут всегда находиться с температурой 500-600 градусов. Нижние спаи термоэлектрического генератора в земле на глубине в 200 мм будут всегда находиться при температуре не более 50 градусов.

Этого вполне достаточно для обеспечения аварийного заряда/питания напряжением 5 вольт любого гаджета или для целей аварийного освещения.

ВЫВОД

На основании выше изложенного  предлагается небольшими партиями производить  готовые к применению  костровые проволочные термоэлектрические генераторы на напряжение 5 вольт для комплектования наборов по выживанию в чрезвычайных ситуация.

   Технология изготовления проста. Последовательно свариваются металлические проволоки длинной по 200 мм и диаметром в 1 мм из хромеля и копеля змейкой в общую  электрическую цепь длинной 72 метр.

Общие характеристики такого проволочного термоэлектрического генератора, как:

– количество термопар – 180 штук,

– высота -200 мм,

– диаметр “связки” –  50 мм,

– общая длинна  – 72 метра,

– вес – 400 грамм, выходное напряжение – 5 вольт.

позволят в аварийной ситуации с помощью костра обеспечить аварийное питание / зарядку любому  электронному устройству или обеспечить аварийное питание, которое будет зависеть исключительно от костра.

Пока горит костёр – термоэлектрический генератор обеспечивает аварийное питание.  

Опубликована 02.07.2021 года.

Ссылка: Само распространяющийся высокотемпературный синтез полупроводника для термоэлектрической генерации электричества .

Предлагается простейшая технология изготовления объёмных полупроводников для термоэлектрического элемента термоэлектрического генератора с энергетическим выходом 0,2 вольт на 100 градусов.

Полупроводниковый термоэлемент состоит из двух полупроводниковых «таблеток» p-типа и n-типа, не образующих p-n–переход, которые соединены между собой.

          Каждая «таблетка» синтезирована методом СВС. Одна «таблетка» — из оксида меди и алюминиевой пудры, вторая «таблетка» — из медного купороса и алюминиевой пудры.

Технология изготовления следующая:

Реактивы:

1) Медный купорос. 

2) Натрий двууглекислый  или обыкновенная пищевая сода

3)  Алюминиевая пудра.

4) Железный купорос

СВС “таблетки” из медного купороса.

          Порошок медного купороса перетирается в ступе до пылевидной структуры.  Смешивается с алюминиевой пудрой.

Изготавливаем несколько смесей в следующей пропорции (оксид меди: оксид алюминия) 90:10, 87:13, 84:16, 82:18. Это необходимо для экспериментов с получением максимального термо ЭДС для определённого диапазона  температур.

Смесь засыпается в стальную толстостенную трубку диаметром 8 мм и прессуется сверху ударами болта М8. Получается классическая достаточно прочная “таблетка” из спрессованной реакционной смеси  для СВС.   Затем сверху таблетки газовой горелкой инициируется протекание скоростного высокотемпературного синтеза. СВС в данном случае протекает послойно сверху вниз совершенно спокойно без образования пор, разрыхлений и т.п., в полной противоположности  классической алюмотермии, примером которой является обыкновенный бенгальский огонь.

СВС “таблетки”  из оксида меди.

 Оксид меди изготавливается из медного купороса классическим способом. Берётся  отдельно сода и купорос в пропорции 1:1 по весу.  Далее медный купорос растворяется в воде. Затем в воду добавляется сода. Начнется бурное вспенивание раствора и выделение углекислого газа.   Отделяем наш осадок от раствора путем фильтрации (отжимать марлей). Полученный густой продукт небесно-голубого цвета “размазывается ” по стальному листу и прокаливается сверху газовой горелкой до образования чёрного порошка.  Получается чистый оксид меди.

Полученный порошок из оксида меди перетирается в ступе до пылевидной структуры.  Смешивается с алюминиевой пудрой.

Изготавливаем несколько смесей в следующей пропорции (оксид меди: оксид алюминия) 90:10, 87:13, 84:16, 82:18. Это необходимо для экспериментов с получением максимального термо ЭДС для определённого диапазона  температур.

Смесь засыпается в стальную толстостенную трубку диаметром 8 мм и прессуется сверху ударами болта М8. Получается классическая достаточно прочная “таблетка” из спрессованной реакционной смеси  для СВС.   Затем сверху таблетки газовой горелкой инициируется протекание скоростного высокотемпературного синтеза. СВС в данном случае протекает послойно сверху вниз совершенно спокойно без образования пор, разрыхлений и т.п., в полной противоположности как при классической алюмотермии, примером которой является обыкновенный бенгальский огонь.

СВС “таблетки”  из оксида железа.

 Оксид железа изготавливается из железного купороса классическим способом.

Берётся  отдельно сода и купорос в пропорции 1:1 по весу.  Далее железный  купорос растворяется в воде. Затем в воду добавляется сода. Начнется бурное вспенивание раствора и выделение углекислого газа.  Отделяем осадок от раствора путем фильтрации (отжимать марлей). Полученный густой продукт зеленоватого цвета “размазывается ” по стальному листу и прокаливается сверху газовой горелкой до образования чёрного порошка.  Получается чистый оксид железа.

Полученный порошок из оксида железа перетирается в ступе до пылевидной структуры.  Смешивается с алюминиевой пудрой.

Изготавливаем несколько смесей в следующей пропорции (оксид железа: оксид алюминия) 90:10, 87:13, 84:16, 82:18. Это необходимо для экспериментов с получением максимального термо ЭДС для определённого диапазона  температур.

Смесь засыпается в стальную толстостенную трубку диаметром 8 мм и прессуется сверху ударами болта М8. Получается классическая достаточно прочная “таблетка” из спрессованной реакционной смеси  для СВС.   Затем сверху таблетки газовой горелкой инициируется протекание скоростного высокотемпературного синтеза. СВС в данном случае протекает послойно сверху вниз совершенно спокойно без образования пор, разрыхлений и т.п., в полной противоположности как при классической алюмотермии, примером которой является обыкновенный бенгальский огонь.

Рис. № 1. Само распространяющийся высокотемпературный синтез  (СВС)

Рис. № 2. Объёмные полупроводники, полученные СВС.

 Известно, что по виду проводимости полупроводники подразделяют на n-тип и р-тип. У чистых или собственных полупроводников концентрация электронов и дырок одинакова. Электропроводимость собственного (беспримесного) полупроводника очень низка.

Чтобы превратить собственный полупроводник в примесный, необходимо ввести в его кристаллическую решетку некоторое количество специально подобранной химической добавки, т.е. осуществить легирование полупроводника.
Примеси создают ряд энергетических уровней в запрещенной зоне. В результате вероятность образования электронно-дырочных пар при температуре возбуждения оказывается значительно более высокой, чем в собственном полупроводнике.

В таких полупроводниках электрическая проводимость осуществляется в основном за счет носителей зарядов одного знака – электронов или дырок. Чтобы обеспечить электронную или дырочную проводимость, достаточно, как правило, ввести один атом соответствующей примеси на  атомов собственного полупроводника. 

ВЫВОД:

Показана возможность получения объёмных полупроводниковых материалов методом само распространяющегося высокотемпературного синтеза.

Технология само распространяющегося высокотемпературного синтеза позволяет получать объёмные полупроводники N и P типа любой формы в зависимости от химического состава легирующих примесей в порошковой смеси для СВС