اثر سیبک وپلیتر وتامسون

مدیران انجمن: parse, javad123javad

ارسال پست
نمایه کاربر
rohamavation

نام: roham hesami radرهام حسامی راد

محل اقامت: 100 مایلی شمال لندن جاده آیلستون، لستر، لسترشر. LE2

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 3222

سپاس: 5492

جنسیت:

تماس:

اثر سیبک وپلیتر وتامسون

پست توسط rohamavation »

طراحی RTG با استانداردهای فناوری هسته ایساده هستش سوخت رادیو اکتیو و . ترموکوپل ها در دیواره های ظرف قرار میگیره که انتهای بیرونی هر ترموکوپل به یک هیت سینک متصله. تجزیه رادیواکتیو سوخت باعث تولید گرما میشه. این تفاوت دمایی بین سوخت و هیت سینک است که به ترموکوپل ها اجازه تولید برقمیده همین
ترموکوپل یک دستگاه ترموالکتریک است که می تواند انرژی حرارتی را مستقیماً به انرژی الکتریکی با استفاده از اثر Seebeck تبدیل کنه روشی که در آن اختلاف دما بین دو رسانا یا نیمه هادی الکتریکی غیرمشابه باعث ایجاد اختلاف ولتاژ بین دو ماده میشه$\large V = \alpha \: (T_h – T_c)$ در مقابل .اثر پلیتر بیان می کنه ،جریان الکتریکی در این مدار برقرار شود، در محل اتصال دو فلز، گرما یا سرما ایجاد خواهد شد. هنگامی که یک جریان الکتریکی از طریق مدار متشکل از هادی های غیر متفاوت جریان می یابه ، انرژی حرارتی از یک محل اتصال جذب می شود و در دیگری تخلیه میشه و باعث میشه که کولر سابق و دومی داغ تر بشن. بنابراین ، یک گرادیان حرارتی از جریان جاری ایجاد می شود و باعث می شود اثر پلتیر معکوس اثر سیبک بشه
تامسون دریافت که وقتی جریانی از یک سیم از مواد یکدست عبور می کنه که گرادیان درجه حرارت در طول آن وجود داره، گرما باید به ترتیب با محیط اطراف مبادله یشه. که گرادیان درجه حرارت اصلی ممکنه در امتداد سیم حفظ بشه (تبادل حرارت در تمام نقاط مدار که گرادیان درجه حرارت وجود دارد لازمه
اثر Seebeck و Peltier در مقابل اثر تامسون - تفاوت هادی ها
یک ماده به شکل حلقه سیمی بردارید و زیر قسمتی از آن آتش بگذارین اثر Seebeck قادر به ایجاد جریان نخواهد بود، زیرا حتی اگر ولتاژ Seebeck بین هر 2 نقطه در مدار وجود داشته باشد، کل emf ارزش 0 V دارد. زیرا emf از داغ به سرما دقیقاً یکی از سردی به گرم را خنثی می کنه.
اثر پلتیه کاملاً متفاوت است، زمانی ظاهر می‌شود که مواد غیرمشابه وجود داشته باشد (یا یک ماده ناهمگن، اگرچه نام دیگری دارد، اما از نظر ریاضی دقیقاً یکسان است)، و این یک تولید/جذب گرما درست در سطح مشترک است. 2 ماده که اتفاقاً به یک اثر ژول سطح اضافه می شود (به دلیل رابط مقاومت). اثر پلتیه به این دلیل به وجود می آید که کسی جریانی را در حلقه قرار داده است، به خودی خود جریانی ایجاد نمی کند.
به طور مشابه برای اثر تامسون، کهای وجود هم به جریان الکتریکی و هم به یک گرادیان حرارتی نیاز دارد. این گرما آزاد/جذب در هر نقطه از ماده است که هر دو I
و $\nabla T$ وجود داشته باشه. به خودی خود جریانی ایجاد نمی کنه. شما در واقع باید یک جریان را وارد کنید تا وجود داشته باشد.
اگر جریان الکتریکی می خواهید، به کمیت $\vec J_e =-\sigma \nabla \overline{\mu}-\sigma S \nabla T$ نیاز دارین ناپدید نشدن μ پتانسیل الکتروشیمیایی است که به طور کلی به eV کاهش می یابه
، یعنی کمیتی متناسب با پتانسیل الکترواستاتیک (که ولتاژ دو نقطه را از آن استخراج می کنید
من در مورد اثر ترموالکتریک و سلول‌های Peltier مطالعه می‌کردم، اما چیزی که به نظر می‌رسد منابع را محو می‌کنند این است که خنک‌سازی یا گرمایش واقعاً در کجا اتفاق می‌افتد. به نظر می رسد همه آنها می گویند "در محل اتصال دو ماده". چیزی که می‌پرسم این است که اگر جایی برای جلوگیری از انتقال حرارت بین مواد (مثلاً یک عایق حرارتی بی‌نهایت نازک، بی‌نهایت رسانای الکتریکی و بی‌نقص در بین آن‌ها)، گرمایش/سرمایش در کجا اتفاق می‌افتد؟
در سلول پلتیه، مواد n و p معمولاً با مس یا طلا تماس دارن در این صورت، مواد n و p (نیمه رساناها) دارای ضریب Seebeck "بالا" از مرتبه 400 µV/K، در حالی که فلزات (مس/طلا) حداقل یک مرتبه مقدار ضریب Seebeck کمتری دارند. آنچه در رابط فلز/نیمه رسانا اتفاق می افتد، گرمایی تولید می شود که متناسب با اختلاف ضرایب Seebeck دو ماده به هم پیوسته است. این گرما، گرمای پلتیه نامیده می شود و دارای مقدار$(S_\text{A}-S_\text{B})TI$ است
. این گرما درست در رابط تولید می شود، گرمای تولید شده با حجم نیست. تنها راه برای جلوگیری از تولید این گرمای Peltier حذف جریان (I=0، دو ماده مختلف را انتخاب کنید که اتفاقاً دارای ضریب Seebeck یکسان هستند یا به دمای صفر مطلق می رسند (البته در عمل غیرممکن است، برخلاف دو مورد قبلی).
در نمودار زیر که اوردم می بینید که گرما در واقع بین مواد اتصال حرکت نمی کند. گرما از ماده اتصال A به ماده اتصال B جریان نمی یابد و در نتیجه A سردتر از B است.
در عوض، هر ماده اتصال جداگانه در یک گرادیان دما قرار می گیرد. به عبارت دیگر، A در هر انتها دمای متفاوتی دارد و B نیز در هر انتها دمای متفاوتی دارد. تفاوت دما بین مواد اتصال مهم نیست. این تفاوت دما در همان ماده اتصال است.
بنابراین این اثر Seebeck بود که در آن گرادیان دما را برای تولید جریان اعمال می‌کنید. اثر پلتیه درست برعکس است. بنابراین برای ایجاد یک گرادیان دما، جریان را اعمال می کنید.
بنابراین، از آنجایی که مواد رسانای الکتریکی و رسانای گرمایی شما همچنان به جریان بین مواد اتصال اجازه می‌دهد، و از آنجایی که گرادیان دما در داخل هر فلز اتصال است نه بین فلزات اتصال، عایق حرارتی کاری انجام نمی‌دهد و سیستم همچنان مانند معمول کار می‌کند.
در مورد ترموالکتریک به طور کلی، به طور خلاصه، چندین نسل مختلف حجمی-گرمایی ممکن وجود دارد (گرم های تامسون و بریگمن به نام دو معروف ترین)، این گرماها در هر نقطه از مواد ترموالکتریک رخ می دهد. برخی از آنها برای وجود نیاز به گرادیان حرارتی دارند، برخی دیگر نیاز به ناهمسانگردی در ضریب Seebeck دارند (در میان سایر پیش نیازها)، برخی از آنها برای رخ دادن دوپینگ وابسته به موقعیت و غیره نیاز دارند.
ژنراتورهای ترموالکتریک رادیو ایزوتوپی (RTG) سیستم های قدرت فضاپیماهای سبک وزن و فشرده هستند که فوق العاده قابل اعتمادند
چقدر اختلاف دما برای تغذیه یک ژنراتور ترموالکتریک لازم است
من واقعاً در مورد این موضوع کنجکاو هستم و نتوانسته ام فرمولی برای محاسبه انواع ولتاژهایی که می توانم بر اساس تفاوت دما ایجاد کنم پیدا کنم. یک مثال جالب، PowerPot است که می تواند تلفن را با جوشاندن آب روی آتش کمپ شارژ کند (برف به دلیل اختلاف بیشتر بهتر عمل می کند
من می دانم که میانگین دمای یک آتش کمپ (به خوبی ذخیره شده) تقریباً 1000 درجه سانتیگراد است. و از طریق چندین جستجوی گوگل میانگین دمای سطح سیاره را تقریباً 15 درجه سانتیگراد تخمین زدم.
و من با حدس و گمان تحصیل کرده اولیه خود ادامه می دهم که دمای آب مصرفی تقریباً 20 درجه سانتیگراد است. این یک تفاوت شدید در دما است و نمی‌دانم که آیا اجباری است یا خیر.
با تحقیقات بیشتر در مورد موضوع، فرمولی پیدا کردم که 100٪ مفید نبوده است.
ضریب Seebeck
$S = -\frac{\Delta V}{\Delta T}$
جایی که ΔV اختلاف ولتاژ بین دو طرف سرد و گرم و ΔT است اختلاف دما است علامت منفی از بار منفی الکترون و قراردادهای جریان جریان است.
آیا اختلاف دما همیشه باید اینقدر زیاد باشد؟ چگونه می توانم تفاوت صحیح دمای مورد نیاز برای دستیابی به یک ولتاژ خروجی خاص را محاسبه کنم؟ چگونه ΔV را محاسبه کنم
وقتی هر دو طرف به جای اجسام فیزیکی (آیا می توان آن را لمس کرد) دمای محیط است؟یک دستگاه ترموالکتریک وجود دارد که در تفاوت بین دمای پوست شما و دمای هوای اطراف، الکتریسیته تولید می کند.
RTG ها نیروی الکتریکی را با استفاده از گرمای حاصل از واپاشی رادیواکتیو طبیعی پلوتونیوم-238 به شکل دی اکسید پلوتونیوم تامین می کنن. تفاوت زیاد دما بین این سوخت داغ و محیط سرد فضا در اتصالات فلزی حالت جامد ویژه ای به نام ترموکوپل اعمال می شود که بدون قطعات متحرک جریان الکتریکی تولید می کند.
چگونه از آن استفاده کردیم
انرژی الکتریکی برای ابزارهای علمی کاسینی و سیستم‌های آنبرد توسط سه RTG که به عنوان منبع حرارت عمومی (GPHS) شناخته می‌شوند، تولید میشه
RTG چگونه کار می کند؟
RTG ها با تبدیل انرژی حرارتی به انرژی الکتریکی از طریق دستگاه هایی به نام ترموکوپل کار می کنند. فروپاشی طبیعی پلوتونیوم 238 گرما تولید می کند که سپس به یک طرف ترموکوپل منتقل می شود. اختلاف دما بین سوخت و جو به دستگاه اجازه می دهد تا این گرما را به الکتریسیته تبدیل کند. جدیدترین مدل RTG، ژنراتور ترموالکتریک رادیو ایزوتوپی چند مأموریتی (MMRTG)، تقریباً 110 وات توان الکتریکی را در صورت سوخت تازه فراهم می کنه.
این فضاپیما همچنین دارای 82 واحد گرمکن رادیوایزوتوپ (RHUs) با قرارگیری استراتژیک بود که گرمای متمرکز را به شکل یک وات توان حرارتی با استفاده از یک گلوله دی اکسید پلوتونیوم به اندازه مداد پاک‌کن فراهم می‌کرد. کاوشگر هویگنس از 35 RHU مشابه برای گرم نگه داشتن آن در هنگام فرود به سطح سرد تیتان منجمد استفاده کرد.
RPS مورد استفاده برای تامین انرژی فضاپیماهای ناسا، از جمله کاسینی، توسط وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) تامین میشه ناسا و DOE به همکاری در حفظ ژنراتور ترموالکتریک رادیو ایزوتوپ چند ماموریتی فعلی (که اکنون توسط مریخ نورد کنجکاوی در مریخ استفاده می شود) و فناوری RPS مرتبط ادامه می دهند.
RTG ها در ماموریت های ناسا استفاده می شوند که در آن گزینه های دیگر مانند انرژی خورشیدی غیرعملی یا ناتوان از تامین نیروی مورد نیاز یک ماموریت برای انجام اهداف علمی یا عملیاتی خود هستند. گاهی
نیمه عمر آن باید به اندازه کافی طولانی باشد تا انرژی را با سرعت نسبتاً ثابتی برای مدت زمان معقولی آزاد کند. مقدار انرژی آزاد شده در هر زمان (قدرت) یک کمیت معکوس با نیمه عمر نسبت معکوس دارد. ایزوتوپی با دو برابر نیمه عمر و انرژی یکسان در هر واپاشی، با نصف سرعت در هر مول، انرژی آزاد می کند. بنابراین نیمه عمر معمول برای ایزوتوپ های رادیویی مورد استفاده در RTG ها چندین دهه است، اگرچه ایزوتوپ هایی با نیمه عمر کوتاه تر می توانند برای کاربردهای تخصصی استفاده شوند.
برای استفاده از پروازهای فضایی، سوخت باید مقدار زیادی نیرو در هر جرم و حجم (چگالی) تولید کند. چگالی و وزن برای استفاده زمینی چندان مهم نیست، مگر اینکه محدودیت اندازه وجود داشته باشد. اگر انرژی تابش رادیواکتیو یا از دست دادن جرم قبل و بعد از واپاشی رادیواکتیو مشخص باشد، انرژی واپاشی را می توان محاسبه کرد. آزاد شدن انرژی در هر پوسیدگی متناسب با تولید توان در هر مول است. واپاشی آلفا به طور کلی حدود ده برابر بیشتر از تجزیه بتا استرانسیوم-90 یا سزیم-137 انرژی آزاد می کند.تابش باید از نوعی باشد که به راحتی جذب شده و به تشعشعات حرارتی، ترجیحاً تابش آلفا تبدیل شود. تابش بتا می تواند پرتوهای گاما/ایکس قابل توجهی را از طریق تولید تشعشعات ثانویه bremsstrahlung ساطع کند و بنابراین نیاز به محافظ سنگین دارد.
چگونه مولدهای رادیوایزوتوپ استرلینگ اختلاف دما را در خلاء حفظ می کنند؟ سه روش وجود داشت که به نظر می رسید بر تبدیل مستقیم انرژی حرارتی به انرژی الکتریکی متکی بودند:تصویر
ماژول های ترموالکتریک ومبدل های ترمیونیک وسلول های ترموفوولتائیک
مولد رادیوایزوتوپ استرلینگ (SRG)
ژنراتورهای دینامیک می توانند توانی را با بیش از چهار برابر راندمان تبدیل RTG ها تامین کنند. ناسا و DOE در حال توسعه نسل بعدی منبع نیرو با سوخت رادیوایزوتوپ به نام ژنراتور رادیوایزوتوپ استرلینگ (SRG) هستند که از موتورهای استرلینگ پیستون آزاد و جفت شده به دینام های خطی برای تبدیل گرما به الکتریسیته استفاده می کند. نمونه های اولیه SRG بازده متوسط 23٪ را نشان دادند. راندمان بیشتر را می توان با افزایش نسبت دمایی بین دو انتهای گرم و سرد ژنراتور به دست آورد. استفاده از قطعات متحرک بدون تماس، یاتاقان‌های خمشی غیر تخریب‌شونده، و محیط بدون روغن‌کاری و مهر و موم شده هرمتیک، در واحدهای آزمایشی، در طول سال‌ها کارکرد، تخریب قابل‌توجهی نشان نداده است. نتایج تجربی نشان می دهد که یک SRG می تواند برای چندین دهه بدون تعمیر و نگهداری به کار خود ادامه دهد. لرزش را می توان با اجرای تعادل دینامیکی یا استفاده از حرکت پیستون دو طرفه به عنوان یک نگرانی از بین برد. کاربردهای بالقوه سیستم قدرت رادیوایزوتوپ استرلینگ شامل اکتشاف و ماموریت های علمی در اعماق فضا، مریخ و ماه است.
کمی تحقیقات بیشتر در مورد نحوه عملکرد ژنراتورهای استرلینگ این واقعیت را آشکار کرد که برای عملکرد کامل باید دما را در دو محفظه حفظ کرد، یکی گرم و دیگری سرد. این امکان فشرده سازی چرخه ای و تولید انرژی از طریق حرکت قطعات مکانیکی را فراهم می کند. برای حفظ این اختلاف دما برای هر دوره زمانی طولانی، به یک بازسازی کننده نیز نیاز است. تنها سیستم‌های تبادل حرارتی که من دیده‌ام و با آن‌ها آشنا هستم، اندازه‌ی ماکرو دارند. من هم به این فکر می کنم که ممکن است در خلاء کار نکنند (اینجا ممکن است اشتباه کنم)
دمای هوای استرلینگ 350 درجه سانتیگراد خواهد بود
دمای سمت سرد استرلینگ 150- تا 50 درجه سانتیگراد خواهد بود
آنها همچنین یک نمودار را به ما ارائه می دهند (در میان بسیاری از چیزهای جالب دیگر
سوال اصلی من در این مرحله مطرح می شود:
از آنجایی که مدیریت دما، پراکندگی و مهار در خلاء به طور قابل توجهی سخت تر است، آیا این مشکلی برای SRG ایجاد می کند
حلقه خنک کننده سیال برای رسیدن به دمای انتهای سرد 50 درجه سانتیگراد.
که مرا به تعجب وا می دارد:
چگونه آنها می توانند از تجمع گرما در سمت خنک در حین کار در خلاء جلوگیری کنند؟
چیزی به نام "مبدل حرارتی احیا کننده در مقیاس میکرو" وجود دارد† این چیزی است که استفاده می شود؟
من چیزی شبیه به این را در نمودارهای منبع لینک شده در بالا ندیدم.
آیا این ژنراتور برای عملکرد در خلاء ساخته نشده است - بلکه فقط در یک محیط نزدیک به خلاء کار می کند؟
† اطلاعات در مورد مبدل حرارتی احیا کننده میکرو مقیاس:
نوع دیگری از احیا کننده، مبدل حرارتی احیا کننده در مقیاس میکرو نامیده می شود. دارای یک ساختار گریتینگ چند لایه است که در آن هر لایه از لایه مجاور با نصف سلولی که دارای دهانه ای در امتداد هر دو محور عمود بر محور جریان است، منحرف می شود. هر لایه ساختاری مرکب از دو زیرلایه است، یکی از مواد با رسانایی حرارتی بالا و دیگری از مواد رسانایی حرارتی پایین. هنگامی که یک سیال داغ از طریق سلول جریان می یابد، گرمای سیال به چاه های سلولی منتقل می شود و در آنجا ذخیره می شود. هنگامی که جریان سیال جهت خود را معکوس کرد، گرما از دیواره های سلولی به سیال برمی گرد
که حتی اشاره می کند:
یک مبدل حرارتی احیا کننده در مقیاس میکرو برای استفاده در دستگاه میکرو استرلینگ طراحی، بهینه سازی و ساخته شده ا
چگونه آنها می توانند از تجمع گرما در سمت خنک در حین کار در خلاء جلوگیری کنند؟تصویر
بنابراین این یک سوال بزرگ است که به دلیل چالش بودن مدیریت حرارتی فضاپیماها مطرح می شود. قرار گرفتن در خلاء به این معنی است که اتمسفر وجود ندارد، به این معنی که شما نمی توانید گرمای اضافی را از طریق همرفت به اتمسفر ناموجودی مانند ما در زمین دفع کنید. در نهایت گرما باید از جایی که شما نمی خواهید منتقل شود و سپس از طریق تشعشع به فضا پرتاب شود.
در صورت امکان، این کار به صورت غیرفعال از طریق هدایت انجام می شود. اگرچه گاهی اوقات موقعیت‌هایی (مانند این مورد) وجود دارد که در آن شما سعی می‌کنید آنقدر گرما را از یک منطقه کوچک (که شار گرما نامیده می‌شود) دفع کنید که با رسانایی نمی‌توانید این کار را انجام دهید. خوب اگر بتوانید از همرفت استفاده کنید چه؟ وارد حلقه خنک کننده سیال شوید.
همانطور که نن میگم ، به نظر می رسه که آنها قصد دارند از یک "حلقه خنک کننده سیال برای رسیدن به دمای پایان سرد 50 درجه سانتیگراد" استفاده کنند. چیزهای زیادی وجود دارد که آنها می توانند در اینجا در مورد آنها صحبت کنند، که هر کدام در چندین طعم متفاوت هستند. به طور کلی، یک سیال در حال کار بر روی / از طریق "فلنج دفع گرما" جریان می یابد، گرما را از RTG جذب می کند (از طریق convection) و سپس آن را به رادیاتور منتقل می کند که گرما را به فضا دفع می کند.
رایج ترین نوع حلقه سیال، لوله های حرارتی است که انواع مختلفی از آن وجود دارد (که همه آنها از نظر فنی واقعا حلقه نیستند
چیزی به نام "مبدل حرارتی احیا کننده در مقیاس میکرو" وجود دارد† این چیزی است که استفاده می شود؟
بنابراین به نظر می رسد که این نوع مبدل حرارتی احیا کننده برای استفاده در داخل خود موتور استرلینگ طراحی شده است.
وظیفه اصلی یک احیاگر قرار داده شده بین فضاهای فشرده سازی و انبساط دستگاه استرلینگ، پذیرش و اتلاف متناوب انرژی حرارتی به سیال در حال کار در طول جریان نوسانی با حداقل مقاومت جریان است.
نظر می رسه که آنها از یک موتور استرلینگ نوع بتا استفاده می کنند که دارای دو پیستون روی هم در یک سیلندر است. احیا کننده مانند شکل زیر بین دو بخش سرد و گرم قرار می گیرد.
موتور استرلینگ نوع بتا با احیا کننده
آیا این ژنراتور برای عملکرد در خلاء ساخته نشده است - بلکه فقط در یک محیط نزدیک به خلاء کار می کند؟ همچنان در خلاء کار می کند. سیال در داخل موتور استرلینگ مهر و موم شده است، بنابراین وجود یا عدم وجود جو تفاوتی ایجاد نمی کند. تنها تاثیری که می‌توانم به آن فکر کنم یک اتمسفر می‌تواند خنک‌سازی اضافی به دلیل همرفت باشد، که در واقع بسته به ویژگی‌ها ممکن است به افزایش کارایی کمک کند.
تصویر

ارسال پست