Термоэлектрические преобразователи

Явление термоэлектричества было открыто в 1823 г. Зеебеком и заключается в следующем [10]: если составить цепь из двух различных проводников (или полупроводников) А и В, соединив их между собой концами (рис. 2.33, а), причем температуру Θ ₁ одного места соединения сделать отличной от температуры Θ ₀ другого, то в цепи появится ЭДС, называемая термоэлектродвижущей силой (термо-ЭДС) и представляющая собой разность функций температур мест соединения проводников:

Е_АВ (Q₁, Q₀) = f (Q₁) – f (Q₀).

Подобная цепь называется термоэлектрическим преобразователем или иначе термопарой; проводники, составляющие термопару, – термоэлектродами, а места их соединения – спаями.

При небольшом перепаде температур между спаями термо-ЭДС можно считать пропорциональной разности температур:
Е_АВ = S_AB Δ Θ.

Опыт показывает, что у любой пары однородных проводников, подчиняющихся закону Ома, величина термо-ЭДС зависит только от природы проводников и от температуры спаев и не зависит от распределения температур между спаями.

Явление термоэлектричества принадлежит к числу обратимых явлений, обратный эффект был открыт в 1834 г. Жаном Пельтье и назван его именем. Если через цепь, состоящую из двух различных проводников или полупроводников, пропустить электрический ток, то тепло выделяется в одном спае и поглощается в другом. Теплота Пельтье связана с силой тока линейной зависимостью в отличие от теплоты Джоуля, и в зависимости от направления тока происходит нагревание или охлаждение спая.

Поглощаемая или выделяемая тепловая мощность пропорциональна силе тока, зависит от природы материалов, образующих спай, характеризуется коэффициентом Пельтье π _{Α Β} и равна q_AB = p _АВI.

Во второй половине XIX в. Томсоном был открыт эффект, заключающийся в установлении на концах однородного проводника, имеющего температурный градиент, некоторой разности потенциалов и в выделении дополнительной тепловой мощности при прохождении тока по проводнику, имеющему температурный градиент. Однако ЭДС Томсона и дополнительное тепло настолько малы, что в практических расчетах ими обычно пренебрегают.

На рис. 2.33, б показана принципиальная схема термоэлектрического преобразователя, который в зависимости от положения переключателя Кл может работать в режиме генератора электрической энергии (положение 1) и в режиме переноса тепла от источника с температурой Θ к резервуару с температурой Θ ₀.

КПД термоэлектрического генератора зависит от разности температур и свойств материалов и для существующих материалов очень мал (при Δ Θ = 300° не превышает η = 13%, а при Δ Θ = 100° значение η = 5%), поэтому термоэлектрические генераторы используются как генераторы энергии лишь в специальных условиях. КПД термоэлектрического подогревателя и холодильника также очень малы, и для охлаждения КПД при температурном перепаде 5° составляет 9%, а при перепаде 40° – только 0, 6%; однако, несмотря на столь низкие КПД, термоэлементы используются в холодильных устройствах. В измерительной технике термопары получили широкое распространение для измерения температур; кроме того, полупроводниковые термоэлементы используются как обратные тепловые преобразователи, преобразующие электрический ток в тепловой поток и температуру.

Термопара с подключенным к ней милливольтметром, применяемая для измерения температуры, показана на рис. 2.33, в, г.

а б в г

Рис. 2.33. Методы включения термопар

Если один спай термопары, называемый рабочим, поместить в среду с температурой Q₁, подлежащей измерению, а температуру Θ ₂ других, нерабочих, спаев поддерживать постоянной,
то f (Θ ₀) = const и

Е_АВ (Q₁, Q₂) = f (Q₁) – C = f ₁(Q₁),

независимо от того, каким образом произведено соединение термоэлектродов (спайкой, сваркой и т. д.). Таким образом, естественной входной величиной термопары является температура Q₁ ее рабочего спая, а выходной величиной – термо-ЭДС, которую термопара развивает при строго постоянной температуре Q₂ нерабочего спая.

Материалы, применяемые для термопар. В табл. 2.1 приведены термо-ЭДС, которые развиваются различными термоэлектродами в паре с платиной при температуре рабочего спая Q₁ = 100° С и температуре нерабочих спаев Q₀ = 0° С. Зависимость термо-ЭДС от температуры в широком диапазоне температур обычно нелинейна, поэтому данные таблицы нельзя распространить на более высокие температуры. В качестве примера на рис. 2.34 приведена зависимость Ε = f (Θ) для одной из наиболее распространенных термопар платинородий – платина.

Таблица 2.1

Термо-ЭДС, развиваемые различными термоэлектродами в паре с платиной

Рис. 2.34. Зависимость Ε = f (Θ)

При конструировании термопар, естественно, стремятся сочетать термоэлектроды, один из которых развивает с платиной положительную, а другой – отрицательную термо-ЭДС При этом необходимо учитывать также пригодность того или иного термоэлектрода для применения в заданных условиях измерения (влияние на термоэлектрод среды, температуры и т. д.).

Конструкция термопары промышленного типа показана на рис. 2.35. Термопара с термоэлектродами из неблагородных металлов, расположенными в составной защитной трубе с подвижным фланцем для ее крепления. Рабочий спай 1 термопары изолирован от трубы фарфоровым наконечником 2. Термоэлектроды изолированы бусами 4. Защитная труба состоит из рабочего 3 и нерабочего 6 участков. Передвижной фланец 5 крепится к трубе винтом. Головка термопары имеет литой корпус 7 с крышкой 11, закрепленной винтами 10. В головке укреплены фарфоровые колодки 8 (винтами 15) с «плавающими» (незакрепленными; зажимами 12, которые позволяют термоэлектродам удлиняться под воздействием температуры без возникновения механических напряжений, ведущих к быстрому разрушению термоэлектродов. Термоэлектроды крепятся к этим зажимам винтами 13, а соединительные провода – винтами 14. Эти провода проходят через штуцер 9 с асбестовым уплотнением.

Рис. 2.35. Конструкция термопары промышленного типа

Основным вопросом при конструировании термопар промышленного типа является выбор материала защитной трубы (арматуры) и изоляции.

Основные параметры термопар промышленного типа, выпускаемых в России приведены в табл. 2.2.

Для измерения температур ниже –50° С могут найти применение специальные термопары, например медь – константан (до – 270° С), медь – копель (до – 200° С) и т. д. Для измерения температур выше 1300 – 1800° С изготавливаются термопары на основе тугоплавких металлов: иридий – рений иридий
(до 2100° С), вольфрам – рений (до 2500° С), на основе карбидов переходных металлов – титана, циркония, ниобия, талия, гафния (теоретически до 3000 – 3500° С), на основе углеродистых и графитовых волокон.

Таблица 2.2

Основные параметры термопар промышленного типа, выпускаемых в России

Кроме промышленного измерения температур, специальные термопары используются при измерениях тепловой радиации, для измерений температуры нагревателей в термоанемометрах и вакуумметрах, в термоэлементах термоэлектрических амперметров, вольтметров и ваттметров. Термопары этого типа работают при сравнительно небольших температурах, но для повышения чувствительности преобразователей мощности в температуру должны поглощать минимальное количество тепла. Поэтому такие термопары выполняются из тонкой проволоки диаметром d» 5 – 10 мкм.

Для повышения выходной ЭДС используется несколько термопар, образующих термобатарею. На рис. 2.36 показан чувствительный элемент радиационного пирометра. Рабочие спаи термопар расположены на черненом лепестке, поглощающем излучение, холодные концы – на массивном медном кольце, служащем теплоотводом и прикрытом экраном. Благодаря массивности и хорошей теплоотдаче кольца температуру свободных концов можно считать постоянной и равной комнатной.

Рис. 2.36. Чувствительный элемент радиационного пирометра