ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Принцип действия термопреобразователей основан на тепловых процессах и естественной входной величиной для них является температура.

Основным уравнением теплового преобразователя является уравнение теплового баланса, физический смысл которого заключается в том, что всё тепло, поступающее к преобразователю, идёт на повышение его теплосодержания Q_тс. При этом, если теплосодержание преобразователя остаётся неизменным (не изменяется температура и агрегатное состояние), то количество поступающего в единицу времени тепла будет равно количеству отдаваемого тепла → “состояние теплового баланса’’.

Тепло, поступающее к преобразователю, будет суммой количества тепла Q_эл, создаваемого в результате выделения в нём электрической мощности, и количества тепла, поступающего в преобразователь или отдаваемого им в результате теплообмена с окружающей средой Q_то.

Таким образом, уравнение теплового баланса имеет вид:

Q_эл+ Q_то = Q_тс.                             (13.1)

Теплосодержание – это количество тепла, которое вещество при неизменном его агрегатном состоянии, накапливает в себе под действием температуры:

Q_тc =m ∙ c ∙θ,                                    (13.2)

где m – масса вещества; c – удельная теплоёмкость материала вещества; θ – температура.

Теплообмен – это физическое явление, которое состоит в переходе некоторого количества тепловой энергии из одной части пространства в другую.

Теплообмен может переходить тремя совершенно различными
способами:

1) при теплообмене посредством теплопроводности тепловая энергия переносится только путём взаимодействия частиц, находящихся в непосредственном соприкосновении друг с другом. Такой теплообмен в чистом виде имеет место только в твёрдых телах;

2) теплообмен посредством конвекции осуществляется путём перемещения материальных частиц и имеет место только в жидкостях или газах. Конвекция может быть естественной и вынужденной;

3) теплообмен посредством излучения. При этом, тепловое излучение представляет собой поток электромагнитных волн, излучаемых телом за счёт его тепловой энергии, которая частично или полностью поглощается другими телами.

Распространение тепла путём теплопроводности определяется законом Фурье:

 ,                                  (13.3)

где q – тепловой поток, т. е. количество тепла, переданного в единицу времени через единицу поверхности (Вт/м²; 1 ккал/м²=1,163 Вт/м²);

 – градиент температуры; λ – коэффициент теплопроводности (Вт/(мК)).

Полный тепловой поток, создаваемый разностью температур, определяется формулой:

 ,                                    (13.4)

 где G_θ – тепловая проводимость среды; R_θ – тепловое (или термическое) сопротивление среды.

При этом, например, тепловая проводимость плоской стенки:

 ,                                       (13.5)

где S – площадь стенки; d– толщина стенки.

Для цилиндрической стенки:

 ,                                  (13.6)

 где l – длина цилиндра; d₁, d₂ – диаметры внешней и внутренней стенок цилиндра, соответственно.

Теплоотдача. Полный тепловой поток в результате теплоотдачи определяется формулой Ньютона:

 ,                               (13.7)

где ξ – коэффициент теплоотдачи (Вт/м²К); S – поверхность тела; ∆θ – разность температур тела и среды.

Тепловое излучение. Оно свойственно всем телам, то есть все тела излучают и поглощают энергию.

Разность между излучаемой и поглощаемой телом лучистой энергии отлична от нуля, если температура тел, участвующих в обмене лучистой энергии, различна.

По закону Стефана – Больцмана полное количество энергии, излучаемой в единицу времени единицей поверхности, имеющей температуру θ, равно:

,                                         (13.8)

 где σ₀=5,7*10^-8 Вт/м²К⁴ – константа излучения абсолютно чёрного тела.

В технических расчётах этот закон применяется в виде:

 ,                                      (13.9)

где С₀ – коэффициент лучеиспускания абсолютно чёрного тела         (С₀=5,7 Вт/м²К⁴).

Количество поглощаемой телом лучистой энергии зависит от степени черноты тела и определяется по формуле:

 ,                                       (13.10)

где e – степень черноты тела ( ); Е_эф – падающее извне эффективное излучение окружающих тел.

При выводе формул лучистого теплообмена между телами необходимо учитывать, кроме лучеиспускательной, поглощательной и отражательной способности тел, также их размеры и направление излучений.

Относительно простые формулы могут быть получены только для теплообмена между плоскими параллельными поверхностями и между двумя поверхностями в замкнутом пространстве, когда одна из поверхностей облекает (охватывает) другую обязательно выпуклую поверхность.

Для плоских параллельных поверхностей:

 , Вт/м          (13.11)

Для охватываемых поверхностей:

 ,      (13.12)

где С₀ – приведённый коэффициент лучеиспускания.