Введение

Куртка – это элемент одежды, который согревает человека в холодные времена года. В наших краях температура зимой редко опускается ниже -5 градусов, но есть места, где большую часть года температура отрицательная,  например, Якутск - место вечного холода, где средняя температура в январе достигает -55. В таких условиях обычные куртки могут обеспечить человека теплом лишь на полтора часа. Но существуют специальная экипировка, в которой человек может поддерживать тепло до 5 часов, но такая одежда ограничивает человека в движении. Помимо этого на рынке есть продукты с системой подогрева. Такие вещи гораздо легче и удобнее, чем спец. костюмы, но емкость таких аккумуляторов ограничена, и они требуют подзарядки.

Мы предлагаем новое и более практичное решение, в основе которого лежит термопара и эффект Зеебека. Одежда с применение термопары не будет нуждаться в подзарядке, а терморегуляция в ней непосредственно зависит от условий окружающей среды.

Люди, работающие при низких температурах, нуждаются в теплой одежде. В современном мире стали появляться термокуртки с нагревательными элементами, которые работают на батарейках. Само собой, такие батарейки долго не работают и поэтому у людей, трудящихся в холоде, возникает множество проблем. Куртка с использованием термопар предназначена для этих людей. Данная термокуртка будет обеспечивать человека теплом за счет разности температур. Одежда с автономной термической средой, на основе термопары и эффекта Зеебека, сможет сохранять тепло, так же такие вещи будут комфортны во время работы или проведения каких-либо исследований в условиях низких температур.

Гипотеза:

Мы предполагаем, что использование термопар облегчит жизнь людей во многих ее сферах. Мы думаем, что данная одежда с автономной термической средой, на основе термопары и эффекта Зеебека, обеспечит выработку тепла, компенсирующие тепловые потери за счет разности температур.

Цель проекта: спроектировать куртку с использованием термопар, которая будет подогреваться за счет разницы температур человеческого тела и внешнего холода. Так же нужно рассмотреть использование термопар в сферах жизни.

Задачи: Разобраться в устройстве термопары и найти ей применение. Спроектировать куртку с автономной термической средой на основе           термопары и эффекта Зеебека.                                                                                                               

         

1.1. Основная часть. Теоретические основы термоэлектричества.

Принцип действия термопар

Проанализировав ряд научных статей [2, 8, 10, 14], мы установили, что определение термопары трактуется во всех источниках примерно одинаково.

Термопара (термоэлектрический преобразователь температуры) — термоэлемент, применяемый в измерительных и преобразовательных устройствах, а также в системах автоматизации.

Международный стандарт на термопары МЭК 60584 дает следующее определение: «Термопара - пара проводников из различных материалов, соединенных на одном конце и формирующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффект для измерения температуры» [11,с.1].                                                                                                                    Под термоэлектрическим эффектом понимается генерирование термоэлектродвижущей силы (термоЭДС), возникающей из-за разности температур между двумя соединениями различных металлов и сплавов. Изучив работы [3, 4, 6], в которых излагается принцип действия термопары, мы узнали, что он основан на так называемом эффекте Зеебека. Если две проволоки из разных металлов с одного конца сварить (это место будет называться рабочим или горячим спаем) и нагреть до температуры Т1, то на оставшихся свободных концах проволок (холодный спай) с более низкой, комнатной температурой Т2 появиться термоЭДС. Чем выше разница температур между рабочим и холодным спаем ΔТ, тем больше термоЭДС. Величина термоЭДС не зависит от диаметра и длины проволок, а зависит от материала проволок и температуры спаев.

​

 Работая по теме исследования, мы изучили механизм возникновения электрического тока к цепи. При соприкосновении двух разнородных металлов вследствие теплового движения происходит переход электронов из одного металла в другой. Так как работа выхода электронов из различных металлов разная и число свободных электронов, приходящихся на единицу объёма, тоже разное, то в результате соприкосновения один металл зарядится положительно, а другой – отрицательно. Возникшая при этом разность потенциалов называется контактной.

 

Таким образом, если два разнородных металла спаять или сварить концами, то в образовавшейся цепи электродвижущая сила будет равна нулю. Если же в спаях поддерживать различную температуру, то в замкнутой цепи возникает термоэлектродвижущая сила.

    Такая замкнута цепь из двух разнородных проводников называется термоэлементом или термопарой.

    Следует также отметить, что существует много способов формирования рабочего спая термопары: механическое скручивание, пайка, сварка и т. д. При сварке в спай добавляется третий метал, но т. к. температуры проводников, исходящих из спая одинаковы, это не может привести к какой-либо погрешности. Проблема заключается в том, что третий метал, как правило, имеет более низкую температуру плавления и при высоких температурах спай может разорваться. Более того, может происходить загрязнение электродов чужеродным испаряющимся металлом. Поэтому рекомендуется производить сварку рабочего спая. Однако процесс сварки тоже требует особого внимания, т. к. перегрев может повредить термопарную проволоку и газ, используемый для сварки, может диффундировать в проволоку. Дефектная сварка может привести в разрыву спая при эксплуатации. В программном обеспечении, используемом для считывания и обработки сигнала термопары, всегда есть специальный тест на разрыв спая.               Как было отмечено выше, величина термоэлектродвижущей силы зависит от природы материалов проводников и от разности температур спаев.

​

ТермоЭДС может принимать одинаковые значения при различных значениях (Т1 – Т2). Например, разности температур (°С и (°С дадут одинаковые значения термоЭДС, хотя при этом разность значений температур рабочих спаев в этих двух случаях достигала = 50°С. Поэтому во вторичном приборе вблизи входных клемм, к которым подключается термопара, монтируется так называемый датчик температуры холодного спая.

 Значит по измеренной термоЭДС и известной температуре холодного спая, вторичный прибор, зная

градуировку подключенной термопары, может однозначно температуру рабочего спая.                       

 На некоторых предприятиях термопары ХА изготавливают самостоятельно, сваривая специальную проволоку диаметром 2-3 мм. Для определения полярности полученной термопары в этом случае используют обычный магнит: минус термопары притягивается к магниту, плюс не магнититься. На компенсационный провод и большинство промышленно выпускаемых термопар ХА это правило не распространяется. Определить полярность термопары можно и с помощью обычного милливольтметра, подключив его к выводам термопары и нагревая рабочий спай термопары, например, зажигалкой.

Распространенной неисправностью у термопар является разрушение рабочего спая вследствие появления трещин из-за частых и значительных колебаний температуры. При этом термопара может нормально работать, пока измеряемая ей температура не превысит определенного порога, после которого контакт в спае пропадает, термопара уходит в обрыв или ее показания начинают сильно «скакать».                                                                

​

1.2.Применение термопар

Пользуясь научно-технической литературой [5, 6, 9, 13, 15], мы рассмотрели возможности применения термопар и установили следующее. Термопары широко применяют для измерения температуры различных объектов, а также в автоматизированных системах управления и контроля. Измерение температур с помощью термопар получило широкое распространение из-за надежной конструкции датчика, возможности работать в широком диапазоне температур и дешевизны. Широкому применению термопары обязаны в первую очередь своей простоте, удобству монтажа, возможности измерения локальной температуры. Они гораздо более линейны, чем многие другие датчики, а их нелинейность на сегодняшний день хорошо изучена и описана в специальной литературе. К числу достоинств термопар относятся также малая инерционность, возможность измерения малых разностей температур. Термопары незаменимы при измерении высоких температур (вплоть до 2500°С) в агрессивных средах. Термопары могут обеспечивать высокую точность измерения температуры на уровне ±0,01°С.

1.3. Эффект Зеебека

Эффект Зеебека — явление возникновения ЭДС на концах последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах. Эффект Зеебека также иногда называют просто термоэлектрическим эффектом. Данный эффект был открыт в 1821 году В 1822 году он опубликовал результаты своих опытов в статье «К вопросу о магнитной поляризации некоторых металлов и руд, возникающей в условиях разности температур», опубликованной в докладах Прусской академии наук. Эффект Зеебека состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных проводников, возникает термо-ЭДС, если места контактов поддерживают при разных температурах. Цепь, которая состоит только из двух различных проводников, называется термоэлементом или термопарой. Если вдоль проводника существует градиент температуры, то электроны на горячем конце приобретают более высокие энергии и скорости, чем на холодном; в полупроводниках, в дополнение к этому, концентрация электронов проводимости растет с температурой. В результате возникает поток электронов от горячего конца к холодному. На холодном конце накапливается отрицательный заряд, а на горячем остаётся нескомпенсированный положительный заряд. Процесс накопления заряда продолжается до тех пор, пока возникшая разность потенциалов не вызовет поток электронов в обратном направлении, равный первичному, благодаря чему установится равновесие. ЭДС, возникновение которой описывается данным механизмом, называется объёмной ЭДС.

​

1.4.Эффект Пельтье.

Эффект Зеебека также иногда называют просто термоэлектрическим эффектом. Эффект, обратный эффекту Зеебека, называется эффект Зеебека. Эффект Пельтье́ — термоэлектрическое явление переноса энергии при прохождении электрического тока в месте контакта спая двух разнородных проводников, от одного проводника к другому. Величина перемещённой энергии и направление её переноса зависят от вида контактирующих веществ и от направления и силы протекающего электрического тока. Эффект открыт Ж. Пельтье в 1834 году, суть явления исследовал несколькими годами позже — в 1838 году Ленц, который провёл эксперимент, в котором он поместил каплю воды в углубление на стыке двух стержней из висмута и сурьмы. При пропускании электрического тока в одном направлении капля превращалась в лёд, при смене направления тока — лёд таял, что позволило установить, что в зависимости от направления протекающего в эксперименте тока, помимо тепла выделяется или поглощается дополнительное тепло, которое получило название тепла Пельтье. Эффект Пельтье «обратен» эффекту Зеебека. Эффект Пельтье более заметен у полупроводников, это свойство используется в элементах Пельтье. Причина возникновения явления Пельтье заключается в следующем. На контакте двух веществ имеется контактная разность потенциалов, которая создаёт внутреннее контактное поле. Если через контакт протекает электрической ток, то это поле будет либо способствовать прохождению тока, либо препятствовать.

Если ток идёт против контактного поля, то внешний источник должен затратить дополнительную энергию, которая выделяется в контакте, что приведёт к его нагреву.

Если же ток идёт по направлению контактного поля, то он может поддерживаться этим полем,

которое и совершает работу по перемещению зарядов. Необходимая для этого энергия отбирается у вещества, что приводит к охлаждению его в месте контакта.

 

1.5. ЭДС

Электродвижущая сила (ЭДС) — скалярная физическая величина, характеризующая работу сторонних сил, (то есть любых сил, кроме электростатических и диссипативных) действующих в квазистационарных цепях постоянного или переменного тока. В замкнутом проводящем контуре ЭДС равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль всего контура.

ЭДС так же, как и напряжение, в международной системе единиц (СИ) измеряется в вольтах. Можно говорить об электродвижущей силе на любом участке цепи. Это удельная работа сторонних сил не во всем контуре, а только на данном участке. ЭДС гальванического элемента есть работа сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда внутри элемента от одного полюса к другому. Работа сторонних сил не может быть выражена через разность потенциалов, так как сторонние силы непотенциальны и их работа зависит от формы траектории. Так, например, работа сторонних сил при перемещении заряда между клеммами источника тока вне самого́ источника равна нулю.

 

2.Практическая часть.

2.1. Подбор материалов для термопары.

Для термопар применяют чистые металлы и различные сплавы с высоким электрическим сопротивлением. Материалы для термопар выбирают по следующим характеристикам: допустимая рабочая температура спая Т; удельный коэффициент электрического сопротивления ρ; температурный коэффициент удельного электрического сопротивления ТКρ; коэффициент термоЭДС.

Для изготовления термопар чаще всего используют сплавы, приведенные в таблице: Из этой таблицы следует, что для нашего проекта подходят термопары Хромель - Алюмель, Хромель - Копель, Медь- Константан и Медь- Копель.

 

Заключение

Приведенными вычислениями, мы показываем, что на данный момент не существует материалов, которые могут осуществить нашу задумку. Поэтому мы ставим задачу перед материаловедами, создать такие материалы, которые бы смогли вырабатывать мощность больше чем 7 ватт.