книги из ГПНТБ / Поздняков, Б. С. Термоэлектрическая энергетика

Б а т а р е я Т Э Э Л , с м о н т и р о в а н н а я н а д л и н ­ н о й т р у б е . Труба как исходный элемент конструкции ТЭГ из­ давна привлекала внимание, так как подвод и отвод тепла жидким теплоносителем чаще всего связан с трубопроводами. ТЭГ с подво­ дом и отводом тепла трубами можно представить в виде некоего теп­ лообменника, в который подается нагретый теплоноситель и охлаж­ дающий агент. Эта общая конструктивная схема пригодна для мощ­

ных установок как на обыч­ ном топливе, так и в случае применения ядерных реакто­ ров.

Схема ТЭГ, состоящего из кольцевых ТЭЭЛ, в сборе об­ разующих трубу, была пред­ ложена в России Я. Казако­ вым еще в 1898 г. На рис. 5.10

1 г

Рис. 5.9. Трубчатый ТЭЭЛ.

показана схема такой батареи из нейзильбера и SbZn (12,2 части сурьмы и 6,5 частей цинка) с воздушным охлаждением и подводом тепла горячей водой. На рис. 5.11 показана батарея Н. В. Ни­ кольского (1928 г.) также из кольцевых элементов.

Дальнейшее развитие ТЭЭЛ, смонтированного на длинной трубе, предложено Н. С. Лидоренко и др. [8]. На рис. 5.12 показана разработанная ими конструктивная схема батареи. В этом случае ветви ТЭЭЛ из полупроводников могут быть изготовлены заранее, а ТЭЭЛ последовательно собраны из элементов. К этой же группе батарей ТЭЭЛ на трубе может быть отнесена французская схема, предложенная в 1965 г. ТЭЭЛ состоит из полых усеченных конусов, вставленных один в другой, с изолирующей слюдяной прокладкой между ними. Такие пары можно соединять в большую батарею и про­ пускать через внутренний канал горячий газ. Следует заметить,что в указанной схеме предусматривалось использование ветвей ТЭЭЛ из материалов с различными коэффициентами линейного расшире­ ния в напряженном состоянии (растянутом и сжатом).

В США была разработана многокиловаттная батарея с исполь­ зованием трубчатых ТЭГ. Шесть батарей ТЭЭЛ размещены вдоль зазора между концентрично расположенными греющей и охлаждаю­ щей трубами. Во внутреннюю греющую трубу предусматривается подача газа при 1360° С, который на выходе имеет 135° С. Наружная

86

охлаждающая труба с внешней стороны имеет кожух, по которому протекает вода. ТЭЭЛ от внутренней трубы изолированы стеклом или асбестом. ТЭЭЛ, расположенные в начале трубы и работающие при

большой разности температур, изготавливаются из трех слоев ТЭМ: в средней части — из двух слоев, в конце — из одного слоя.

87

Холодные концы ТЭЭЛ с температурой не выше 42 С находились в контакте с полым диском, имеющим ступени в соответствии с длинами ТЭЭЛ. В диск вводилась охлаждающая вода. Горячие спаи ТЭЭЛ располагались в одной плоскости и имели температуру около 168—210° С. ТЭЭЛ в количестве 123 штук были изготовлены из

Bi2Te3 + Sb2Te3 (p-тип) и Bi2Te3 4- Bi2Se3 (n-тип) и развивали

мощность 16 вт.

Б а т а р е я Т Э Э Л д л я х о л о д и л ь н ы х у с т а н о ­ в о к . Рассмотрение устройств, в которых термоэлектрические яв­ ления используются для получения тепла или холода, не входит в задачу данной книги. Однако

в данном случае температура ТЭЭЛ близка к комнатной или даже отрицательная. Медные пластины должны быть изолирова­ ны от токопроводящих источников тепла и холода с помощью слю­ ды, окиси алюминия или других материалов. Однако подобная бата­ рея может быть осуществлена и без указанных изоляционных слоев, понижающих эффективность устройства, если подвод тепла и холо­ да осуществляется диэлектрическими теплоносителями.

Б а т а р е я с д и э л е к т р и ч е с к и м т е п л о н о с и ­ т е л е м . Имеется большое количество различных схем термоэлек­ трических батарей, основанных на непосредственном нагревании ТЭЭЛ с помощью диэлектрического теплоносителя. К таким тепло­ носителям в первую очередь относятся газы и органические жидко­ сти. Применение диэлектриков для подвода и отвода тепла привлека­ ло многих авторов в связи с тем, что в этом случае упрощается кон­ струкция батареи ТЭЭЛ.

На рис. 5.14 показана принципиальная схема батареи ТЭЭЛ с ди­ электрическим теплоносителем, в которой отсутствуют промежуточ­ ные шины. Батарея ТЭЭЛ состоит из столба элементов п- и р-типов 1, 2, находящихся в общем кожухе 8. В элементах одного типа из более дешевого материала 2 и наиболее удобного для обработки сде­ ланы с обеих сторон каналы 3 и 4 для прохода теплоносителя. При-

88

чем каналы 3 на одной стороне элемента перпендикулярны каналам 4 на другой его стороне. Столб из элементов п- и p-типов уплот­

нен по углам кожуха пластинами 7, так что образуются четыре кол­ лектора 5, 6, идущих вдоль столба элементов. В такой схеме горя­

чий теплоноситель может по одному из коллекторов подводиться к

различно. После этого прорезают пазы в материале ветвей и коммутационных пластинах, причем пазы с одной стороны сдви­ нуты на полшага относительно пазов с другой стороны. Указанные пазы доходят до удлиненных отверстий. В результате такой меха­ нической обработки получается батарея из последовательно сое­ диненных ТЭЭЛ, с числом ТЭЭЛ, равным количеству прорезов. Такой способ изготовления термоэлектрической батареи пригоден для осуществления высоко- и низковольтных ТЭГ.

В ы с о к о в о л ь т н ы е ТЭГ . В ряде случаев, например, для питания специальной радиоаппаратуры, необходимо иметь рабочее напряжение на зажимах ТЭГ 100— 150 в при малых токах. К. п. д.

устройства, как правило, в таких случаях не имеет существенного значения. Разработано много конструкций термоэлектрических ба­ тарей, удовлетворяющих указанным требованиям. К их числу,

89

например, относится батарея, предложенная в 1930 г. А. М. Гусе­ вым, состоящая из асбестовой ленты, на которую натянуты про­ волоки из разнородных материалов, удерживающихся металли­ ческими скобами по краям ленты. Эти скобы с одной стороны ленты служат для нагрева горячих спаев ТЭЭЛ, а другой — для охлаж­ дения холодных спаев. Вся асбестовая лента свертывается в катуш­ ку, так что можно нагревать через скобы все горячие спаи.

А. Ф. Иоффе и Б. И. Болтакс [11] предложили конструкцию вы­ соковольтных термоэлектрических батарей с полупроводниками. В этой конструкции полоска подходящего неэлектропроводного ма­ териала, например асбеста, прошивается Константиновой проволокой и укладывается между слоями

ТЭМ и ветвь из второго ТЭМ. На рис. 5.15 показана схема батареи такого ТЭГ из медной проволоки диаметром 0,7 мм, покрытой вис­

мутом. Особенности такой трехэлементной батареи рассматриваются в работе М. М. Попова [12].

Рис. 5.16. Батарея ТЭЭЛ с тремя ветвями:

1 — п о л у п р о в о д н и к о в ы й с т о л б и к ; 2 — о б щ и й п р о в о д н и к .

Польские исследователи изучали схему подобного ТЭЭЛ и по­ казали возможность использования в его конструкции термостол­ биков из полупроводников, как показано на рис. 5.16. В таком ТЭЭЛ величина полезной ТЭДС меньше, чем у обычного ТЭЭЛ, что в конечном счете определяет особенности использования таких ус-

90

тройств. Достоинство подобных ТЭЭЛ — возможность иметь не­ большое сопротивление ветвей.

ТЭЭЛ с тремя ветвями из константановой проволоки и омеднен­ ных участков описан в работе [13] применительно к высоковольт­ ной термоэлектрической батарее. Преимущество такой батареи, по

врежиме короткого замыкания, а другая — работает на полезную нагрузку. Таким образом, к. п. д. ТЭЭЛ

вуказанных выше схемах много мень­

жидкими ТЭМ р-типа 4 или п-типа 1, обладающими хорошими

термоэлектрическими характеристиками при рабочих темпера­ турах. Вытекание ТЭМ предотвращается пришлифованными кера­ мическими шайбами 3 и 6. Теплоноситель проходит через полость 7, хладагент омывает кольца 2 и 5 и токоотводы 9.

Конечно, разработка конструкций ТЭЭЛ с жидкими полупровод­ никами находится в начальной стадии и пока не опубликованы данные о работе подобных ТЭГ. Это направление развития ТЭЭЛ открывает возможность значительного повышения температуры тер­ моэлектрического цикла.

Т Э Э Л с я д е р н ы м и с т о ч н и к о м т е п л а . При ис­ пользовании для ТЭГ ядерного источника тепла — тепловыделяю­ щих элементов из урана (или плутония) или радиоактивных изото­ пов необходимо учитывать ряд специфических особенностей. Ос­ новной из них является возможность подвода тепла к горячему спаю ТЭЭЛ без промежуточного теплоносителя. Это открывает перспек­ тиву использования большого температурного перепада, вплоть до 2000° С, без усложнения конструкции установки.

Другая особенность — ионизирующее излучение (прежде всего нейтронное), которое вызывает изменение кристаллической решетки

91

материалов и создает возможность появления примесей в результа­ те ядерных реакций, влияющих на изменение термоэлектрических свойств.

В настоящее время проблема создания ТЭЭЛ с ядерным источни­ ком тепла находится в стадии разработки. Имеются образцы ТЭЭЛ, показывающие возможность длительной работы при нагревании их в ядерном реакторе, например ТЭЭЛ установки «Ромашка», прорабо­ тавшие более 15 000 ч (см. гл. 8).

ж и м н а я п л а с т и н а ; 8 — п р у ж и н а и з и н к о н е л я .

ВСША фирма «Вестингауз электрик корпорейшн» по контракту

сКомиссией атомной энергии (КАЭ) США изучала возможность соз­ дания тепловыделяющего элемента с термоэлектрическим преобра­ зованием энергии. В результате этих работ предложены конструк­ ции ТЭЭЛ, одна из которых показана на рис. 5.18 [15].

Основа конструкции — тепловыделяющий элемент 1, состоящий

из цилиндрических брикетов ядерного горючего, заложенных в об-

92

щий трубчатый корпус 2. Этот корпус по внешней стороне покрыт сло­ ем электроизоляции 3, к которой примыкают коммутационные шины 4, соединенные с термоэлектрическими материалами n-и р- типа 5.

Ветви соединены последовательно в батарею. Батареи можно после­ довательно соединять между собой и крепить на общей керамической плите.

Отвод тепла от наружной поверхности элементов предполагает­ ся высококипящей органической жидкостью (например, фенол, ди­ фенил) либо газом (например, С 02).

в каждом) испытывались в течение двух недель при температуре U 0 2 в центре таблеток до 2080° С и на поверхности до 630° С. Опыт пока­ зал, что такие батареи могут работать внутри реактора. Однако надо исследовать другие реакторные материалы, так как добротность U 0 2 мала, около Ы О -6 (град)-1.

§ 5.2

Температурные поля и напряжения в ТЭЭЛ

Изменение температуры вдоль ветви ТЭЭЛ вызывает термические напряжения в материале. Термические напряжения обусловливаются также неравномерными температурными полями в местах подвода и отвода тепла, что может вызывать большие бесполезные потери температурного перепада. Тепловой поток в общем случае должен пройти по теплопроводу, через электрическую изоляцию, соедини­ тельные шины между ветвями ТЭЭЛ и многочисленные спаи и кон­ такты между ними. Потери температурного градиента при этом могут достигать десятков градусов и заметно сказываться на к. п. д. ТЭЭЛ. Поэтому при создании новых моделей ТЭЭЛ, в особенности при на­ личии сложных теплопроводов, необходимо уделять большое вни­ мание особенностям температурных полей.

Ниже приведены данные Е. А. Ганина, В. Ф. Лебедева и др. [17] исследования температурного поля безызоляционного ТЭГ, в кото­ ром тепло подводится и отводится с помощью неэлектропроводного теплоносителя. На рис. 5.20 показана схема такой батареи ТЭГ. Полупроводники п- и р-типов 3, 4 зажаты электродами 1 между горя­ чими и холодными теплопроводами 2, 5, имеющими отверстия для

протекания теплоносителя. В зависимости от размеров отверстий и расстояний между ними в большей или меньшей мере искажается температурное поле на границе полупроводник— теплопровод. Авто­ ры нашли также зависимость, дающую возможность рассчитать распределение температур в такой конструкции термоэлектриче-

93

Аналитические зависимости для построения двумерного тем­ пературного поля ТЭЭЛ в стационарном режиме выведены М. Р. Привиным и А. Ф. Чудновским [18].

Исследуя этот круг вопросов Г. А. Варшавский и И. А. Резголь разработали систему связей, позволяющих рассчитывать оптималь­

Э. Ф. Косолаповой и Н. Г. Милевской, коэффициент линейного рас­

рения железа при 500° С около 14 • 10~6, а меди 17 • 1(К6 {град)-1. Положим, что обычная батарея ТЭЭЛ состоит из п ТЭЭЛ с вет­ вями сечением а х а я длиною I. Тогда если у — коэффициент линей-

94

ного расширения материала ветвей, то при переходе от холодного состояния к рабочему перепаду температур общая ширина горячих кондов батареи станет больше ширины холодных концов на ЕЛа =

торые могут привести к разрушению батареи, вызывают необходи­ мость принять меры для уменьшения их относительной величины, а именно: закрепление батареи в средней части ТЭЭЛ, введение гибких элементов на соединительных шинах и т. п.

Увеличение ширины ветви на нагретом конце ТЭЭЛ означает так­ же изгиб батареи по некоторому радиусу R --= Ц[у (Тт— Тх)]. Если

обходимо принимать меры к устранению или максимальному умень­ шению температурных напряжений. Хорошая компенсация темпе­ ратурных расширений — предпосылка создания работоспособного ТЭГ.

В какой-то мере эти трудности могут быть преодолены подбором подходящей конструктивной формы. Считают, например, что ТЭЭЛ большой высоты и малого сечения, допускающие относительно боль­ шое искривление их осей, более устойчивы к термическим напряже­ ниям и к вызываемым ими дефектам.

ТЭЭЛ большой высоты и малого сечения имеют большое собст­ венное омическое сопротивление, что уменьшает относительную роль контактных сопротивлений и таким образом повышает к. п.д. ТЭЭЛ. Однако применение таких ТЭЭЛ снижает удельную электри­ ческую мощность на 1 см3 ТЭМ, вызывая увеличение общего коли­

чества ТЭМ и поверхностей теплопровода. В частности, батареи ТЭЭЛ из теллуристого свинца, отличающегося хрупкостью и низкой механической прочностью, должны иметь свободную деформацию

между собой всегда связано с дополнительным омическим сопро­ тивлением, вызывающим прямые потери полезной мощности в виде тепла Джоуля.

Термоэлектрические генераторы состоят из большого количества ТЭЭЛ, соединенных последовательно или параллельно. Длина ТЭЭЛ колеблется обычно от нескольких миллиметров до нескольких сан­ тиметров, а их количество — от нескольких-десятков до нескольких

95