Разработка термогенератора, который будет использовать тепло двигателя для зарядки автомобильного аккумулятора
Курсовой проект - Физика
Другие курсовые по предмету Физика
?еменный ток. Далее с помощью диодного моста переменный ток преобразуют в постоянный. Далее он подается к регулятору напряжения, а оттуда к электрической системе автомобиля. Напряжение в этой системе, при работающем генераторе, примерно равно 13,5-14,5 В. Это выше уровня напряжения в аккумуляторе, поэтому этот ток способен заряжать аккумулятор. Такие генераторы имеют КПД 50-60% и мощность 500 - 700 Вт.
Слабыми местами такого генератора является щёточный узел и диодный мост. Именно они чаще всего выходят из строя, что влечет отказ в работе генератора. Также периодической замены требует ремень ременной передачи генератора. Кроме того, генератор потребляет энергию двигателя, уменьшая его мощность (с учетом КПД генератора) примерно на 1000 Вт.
Исходя, из потребленной мощности установим количество горючего, которое тратится на работу генератора автомобиля в течение одного часа.
Работу генератора А найдем по формуле -
(1.1)
где Р - мощность генератора, t - время работы генератора. Эта работа выполняется за счет сгорания топлива в двигателе автомобиля. Поэтому ее можно рассчитать следующим образом -
(1.2)
где ? - КПД двигателя, а Q - количество теплоты полученной за счет сгорания топлива. Пусть КПД теплового двигателя 40%. Q найдем по формуле -
(1.3)
где q - удельная теплота сгорания топлива (для бензина q = 4,6 107 (Дж / кг)). Массу m найдем по формуле , где ? - плотность топлива (для бензина ? = 700 (кг/м3)), а V - объем топлива. С учетом приведенного выше имеем -
(1.4)
Откуда -
(1.5)
Подставим к полученному выражению данные -
.
То есть, при движении автомобиля по городу со средней скоростью 50 км/ч, на каждые 100 км для обеспечения работы генератора расходуется около 0,56 л бензина.
Выводы: автомобильные индукционные генераторы требуют постоянного технического обслуживания и потребляют значительное количество топлива, поэтому они требуют хотя бы какой альтернативы, или - полной замены на более современные генераторы.
2. АВТОМОБИЛЬНЫЙ термогенератор
.1 Теплопередача
Применение автомобильного термогенератора требует ознакомления с явлением теплопередачи [1] [2]. Теплопередачей называют изменение внутренней энергии термодинамической системы без выполнения над ней работы. В нашем устройстве тепло будет передаваться от горячей трубы глушителя через песок в термогенератор (Рис. 2.1) далее его часть будет превращаться в электрическую энергию, а часть рассеиваться в окружающую среду.
Рис. 2.1
В такой системе процесс передачи теплоты происходит в 3 стадии (Рис. 2.2):
Рис. 2.2
- Теплоотдача от поверхности глушителя к песку, описывают формулой -
Q = k?St?T1 (2.1)
Теплопроводность через песок; описывают формулой
(2.2)
Теплоотдача с поверхности песка к термогенератору, описывают формулой
Q = ?St?T3. (2.3)
Совокупность этих трех таких процессов называется теплопередачей.
Если Q - количество теплоты, переносится через песок, k - коэффициент теплопередачи, S - площадь поверхности, через которую происходит теплопередача, l-толщина теплопроводного слоя песка, t - длительность процесса, разница температур двух сред, ?1 - коэффициент теплоотдачи на первой граничной поверхности песка, ?2 - коэффициент теплоотдачи на второй предельной поверхности песка, теплопроводность твердого тела (песка) (табличная величина), то с учетом того, что тепловой поток на всех участках теплообмена должен оставаться постоянным, имеем:
(2.4)
При этом сумма всех ризниц температур равна общей разности температур:
?Т = ?Т1 + ?Т2 + ?Т3. (2.5)
Из выражений (2.4) и (2.5) получается.
(2.6) .
Преобразуем выражение (2.6)
(2.7)
Величина, обратная выражения в скобках, называется коэффициентом теплопередачи:
(2.8)
Таким образом, процесс теплопередачи является табличной величиной и описывается формулой
(2.9) .
Единица СИ коэффициента теплопередачи [k]=.
Величину
/kS (2.10)
называют тепловым сопротивлением. Тепловое сопротивление зависит от S - площади поверхности по которой проходит тепло и коэффициента теплопередачи - k.
2.2 Термоэлектрический генератор
Термоэлектрогенератор - устройство предназначено для непосредственного преобразования тепла в электрическую энергию [3]. Принцип его действия основан на эффекте Зеебека - явлении возникновения ЭДС в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми находятся при разных температурах.
Рис. 2.3
Рис. 2.4
Современный термогенератор изготавливают из полупроводников. В полупроводниках кинетическая энергия теплового движения свободных электронов увеличивается пропорционально абсолютной температуре. Отсюда следует, что если в полупроводнике создать разность температур, то на горячем конце концентрация свободных электронов увеличится. Поэтому в полупроводнике начнется перемещение их (диффузия) в направлении от горячего конца к холодному; холодный конец полупроводника зарядится отрицательно, а горячий - положительно, поскольку он теряет часть электронов, переходящих к холодному концу (Рис. 2.4). В результате появится разность потенциалов между концами полупроводника. В дыро