Termogeradores: como "soldar" eletricidade em um fogão a gás

Um dos fóruns elétricos fez a seguinte pergunta: "Como posso obter eletricidade usando gás doméstico comum?" Isso foi motivado pelo fato de que o gás desse camarada, e de fato, como muitos, é pago simplesmente por padrões sem um medidor.

Não importa quanto você use, você paga uma quantia fixa de qualquer maneira, e por que não transformar gás já pago, mas não utilizado, em eletricidade independente? Então, um novo tópico apareceu no fórum, que foi abordado pelos demais participantes: uma conversa íntima não apenas ajuda a reduzir o horário de trabalho, mas também a matar o tempo livre.

Muitas opções foram sugeridas. Basta comprar um gerador a gasolina e enchê-lo com gasolina obtida por destilação de gás doméstico ou refazer o gerador para trabalhar imediatamente com gás, como um carro.

Em vez de um motor de combustão interna, foi proposto um motor Stirling, também conhecido como motor de combustão externa. Aqui está apenas um iniciante (aquele que criou o novo tema) reivindicou uma potência do gerador de pelo menos 1 quilowatt, mas foi racionalizada, dizendo que esse movimento não caberia nem na cozinha de uma pequena sala de jantar. Além disso, é importante que o gerador fique silencioso; caso contrário, você sabe o que é.

Depois de muitas sugestões, alguém se lembrou de ter visto uma foto em um livro mostrando uma lâmpada de querosene com um dispositivo em estrela de múltiplos feixes para alimentar um receptor de transistor. Mas isso será discutido um pouco mais, mas por enquanto ...

Termogeradores. História e Teoria

Para receber eletricidade diretamente de um queimador de gás ou de outra fonte de calor, são utilizados geradores de calor. Assim como um termopar, seu princípio de operação é baseado em Efeito Seebeckaberto em 1821.

O efeito mencionado é que, em um circuito fechado de dois condutores diferentes, uma fem aparece se as junções dos condutores estiverem em temperaturas diferentes. Por exemplo, uma junção quente está em um recipiente com água fervente e a outra em um copo de gelo derretido.

O efeito decorre do fato de que a energia dos elétrons livres depende da temperatura. Nesse caso, os elétrons começam a se mover do condutor, onde eles têm uma energia mais alta no condutor, onde a energia das cargas é menor. Se uma das junções é aquecida mais do que a outra, então a diferença nas energias das cargas nela é maior do que na fria. Portanto, se o circuito estiver fechado, uma corrente surge nele, exatamente o mesmo termopoder.

Aproximadamente a magnitude do termopoder pode ser determinada por uma fórmula simples:

E = α * (T1 - T2). Aqui, α é o coeficiente termoelétrico, que depende apenas dos metais dos quais o termopar ou termopar é composto. Seu valor é geralmente expresso em microvolts por grau.

A diferença de temperatura das junções nesta fórmula (T1 - T2): T1 é a temperatura da junção quente e T2, respectivamente, do frio. A fórmula acima está claramente ilustrada na Figura 1.

Figura 1. Princípio do termopar

Este desenho é clássico, pode ser encontrado em qualquer livro de física. A figura mostra um anel composto por dois condutores A e B. A junção dos condutores é denominada junções. Como mostrado na figura, em uma junção quente T1, o termopoder tem uma direção do metal B para o metal A. A em uma junção fria T2 do metal A para o metal B. A direção do termopoder indicado na figura é válida para o caso em que o termopoder do metal A é positivo em relação ao metal B .

Como determinar a energia termoelétrica de um metal

A potência termoelétrica de um metal é determinada em relação à platina. Para este termopar, um dos eletrodos é platina (Pt) e o outro é o metal de teste, é aquecido a 100 graus centígrados. O valor de milivolts obtido para alguns metais é mostrado abaixo.Além disso, deve-se notar que não apenas a magnitude da termelétrica muda, mas também seu sinal em relação à platina.

Nesse caso, a platina desempenha o mesmo papel que 0 graus na escala de temperatura, e toda a escala dos valores de termopoder é a seguinte:

Antimônio +4,7, ferro +1,6, cádmio +0,9, zinco +0,75, cobre +0,74, ouro +0,73, prata +0,71, estanho +0,41, alumínio + 0,38, mercúrio 0, platina 0.

Depois da platina, existem metais com uma potência termoelétrica negativa:

Cobalto -1,54, níquel -1,64, constantan (uma liga de cobre e níquel) -3,4, bismuto -6,5.

Usando essa escala, é muito simples determinar o valor da energia termoelétrica desenvolvida por um termopar composto por vários metais. Para fazer isso, basta calcular a diferença algébrica nos valores dos metais dos quais os termelétrodos são feitos.

Por exemplo, para um par antimônio-bismuto, esse valor será +4,7 - (- 6,5) = 11,2 mV. Se um par ferro-alumínio for usado como eletrodo, esse valor será de apenas +1,6 - (+0,38) = 1,22 mV, o que é quase dez vezes menor que o do primeiro par.

Se a junção fria for mantida a uma temperatura constante, por exemplo, 0 graus, o termopoder da junção quente será proporcional à mudança de temperatura, usada nos termopares.

Como os termogeradores foram criados

Já em meados do século XIX, inúmeras tentativas foram feitas para criar geradores de calor - dispositivos para gerar energia elétrica, isto é, para alimentar vários consumidores. Como fontes, deveria usar baterias de termopares conectados em série. O design dessa bateria é mostrado na Figura 2.

Figura 2. Bateria térmica, esquemática

O primeiro bateria termoelétrica criado em meados do século XIX pelos físicos Oersted e Fourier. Bismuto e antimônio foram usados ​​como termoeletrodos, exatamente o mesmo par de metais puros com maior potência termoelétrica. As junções quentes eram aquecidas por queimadores a gás, enquanto as junções frias eram colocadas em uma embarcação com gelo.

Em experimentos com termoeletricidade, as termopilhas foram inventadas posteriormente, adequadas para uso em alguns processos tecnológicos e até para iluminação. Um exemplo é a bateria Clamone, desenvolvida em 1874, cuja energia era suficiente para fins práticos: por exemplo, para douramento galvânico, bem como para uso em gráficas e oficinas de gravação solar. Na mesma época, o cientista Noé também estava envolvido no estudo de termopilhas; suas termopilhas também eram bastante difundidas na época.

Mas todas essas experiências, embora bem-sucedidas, estavam fadadas ao fracasso, pois as termopilhas baseadas em termopares de metal puro tinham uma eficiência muito baixa, o que dificultava sua aplicação prática. Os vapores puramente metálicos têm uma eficiência de apenas alguns décimos de um por cento. Os materiais semicondutores têm uma eficiência muito maior: alguns óxidos, sulfetos e compostos intermetálicos.

Termopares de semicondutores

Uma verdadeira revolução na criação de termopares foi feita pelos trabalhos do acadêmico A.I. Joffe. No início dos anos 30 do século XX, ele propôs a idéia de que usando semicondutores é possível converter energia térmica, inclusive solar, em energia elétrica. Graças à pesquisa já em 1940, uma fotocélula semicondutora foi criada para converter a energia da luz solar em energia elétrica.

Primeira aplicação prática termopares semicondutores deve ser considerado, aparentemente, um “jogador partidário”, que tornou possível fornecer energia a algumas estações de rádio partidárias portáteis.

A base do termogerador foram elementos de constantan e SbZn. A temperatura das junções frias foi estabilizada pela água fervente, enquanto as junções quentes foram aquecidas pela chama do fogo, enquanto uma diferença de temperatura de pelo menos 250 ... 300 graus foi assegurada. A eficiência desse dispositivo não era superior a 1,5 ... 2,0%, mas o poder de alimentar as estações de rádio era suficiente.Certamente, naqueles tempos de guerra, o design do "jogador" era um segredo de estado e, mesmo agora, seu design está sendo discutido em muitos fóruns da Internet.

Geradores de calor para uso doméstico

Já nos anos cinquenta do pós-guerra, a indústria soviética começou a produção geradores térmicos TGK - 3. Seu principal objetivo era alimentar rádios alimentados por bateria em áreas rurais não eletrificadas. A potência do gerador era de 3 W, o que possibilitava alimentar receptores de bateria, como Tula, Iskra, Tallinn B-2, Rodina 47, Rodina 52 e alguns outros.

A aparência do termogerador TGK-3 é mostrada na Figura 3.

Figura 3. Gerador térmico TGK-3

Projeto de gerador térmico

Como já mencionado, o gerador de calor foi projetado para uso em áreas rurais, onde a iluminação era usada lâmpadas de querosene "relâmpago". Tal lâmpada, equipada com um gerador térmico, tornou-se não apenas uma fonte de luz, mas também eletricidade.

Ao mesmo tempo, não foram necessários custos adicionais de combustível, porque exatamente a parte do querosene que simplesmente voava para dentro do tubo se transformava em eletricidade. Além disso, esse gerador estava sempre pronto para operação, seu design era tal que simplesmente não havia nada para entrar nele. O gerador podia simplesmente ficar ocioso, trabalhar sem carga, não tinha medo de curtos-circuitos. A vida do gerador, comparada às baterias galvânicas, parecia simplesmente eterna.

O papel do tubo de escape da lâmpada de querosene "relâmpago" é desempenhado pela parte cilíndrica alongada do vidro. Ao usar a lâmpada junto com o gerador de calor, o vidro foi encurtado e uma unidade de transferência de calor de metal 1 foi inserida, como mostra a Figura 4.

Figura 4. Lâmpada de querosene com gerador termoelétrico

A parte externa do transmissor de calor tem a forma de um prisma multifacetado no qual as termopilhas são montadas. Para aumentar a eficiência da transferência de calor, o transmissor de calor no interior tinha vários canais longitudinais. Passando por esses canais, os gases quentes entraram no tubo de escape 3, aquecendo simultaneamente a termopilha, mais precisamente, suas junções quentes.

Um radiador resfriado a ar foi usado para resfriar as junções frias. É uma nervura metálica ligada às superfícies externas dos blocos de termopilhas.

Termogerador - TGK3 consistia em duas seções independentes. Um deles gerou uma tensão de 2V a uma corrente de carga de até 2A. Esta seção foi usada para obter a tensão do ânodo das lâmpadas usando um transdutor de vibração. Outra seção com tensão de 1,2 V e corrente de carga de 0,5 A foi usada para alimentar o filamento das lâmpadas.

É fácil calcular que a potência desse gerador de calor não excedeu 5 watts, mas foi suficiente para o receptor, o que tornou possível iluminar as longas noites de inverno. Agora, é claro, isso parece ridículo, mas naqueles dias, esse dispositivo era sem dúvida um milagre da tecnologia.

Em 1834, o francês Jean Charles Atanaz Peltier descobriu o efeito oposto ao efeito Seebick. O significado da descoberta é que, durante a passagem da corrente pela junção de materiais diferentes (metais, ligas, semicondutores), o calor é liberado ou absorvido, o que depende da direção da corrente e dos tipos de materiais. Isso é descrito em detalhes aqui: Efeito Peltier: o efeito mágico da corrente elétrica