A maghasadás energiájának elektromos energiává való közvetlen átalakításának módját még nem találták meg. Még mindig nem nélkülözhetjük egy köztes láncszemet - egy hőmotort. Mivel a hatásfoka mindig kisebb, mint az egység, a "pazarló" hőt valahova el kell helyezni. Szárazföldön, vízben és levegőben ezzel nincs probléma. Az űrben csak egy út van - a hősugárzás. Így a KNPP nem nélkülözheti a „hűtő-kibocsátót”. A sugárzási sűrűség arányos az abszolút hőmérséklet negyedik hatványával, ezért a radiátor-radiátor hőmérséklete a lehető legmagasabb legyen. Ezután csökkenthető a sugárzó felület területe és ennek megfelelően az erőmű tömege. Az az ötletünk támadt, hogy a nukleáris hő "közvetlen" elektromos árammá való átalakítását alkalmazzuk, turbina és generátor nélkül, ami megbízhatóbbnak tűnt a hosszú távú, magas hőmérsékleten történő működésben.
|
A Fizikai és Technológiai Intézet szervezője és első igazgatója, Abram Fedorovich Ioffe. 1952 |
A kerozin TEG problémája az alacsony hatásfok (csak kb. 3,5%) és az alacsony határhőmérséklet (350°K). De ezeknek az eszközöknek az egyszerűsége és megbízhatósága vonzotta a fejlesztőket. Tehát az I.G. csoport által kifejlesztett félvezető konverterek. A Sukhumi Fizikai és Technológiai Intézetben dolgozó Gverdtsiteli alkalmazást találtak a Buk típusú űrinstallációkban.
Egy időben A.F. Ioffe egy másik termikus átalakítót javasolt - egy diódát vákuumban. Működésének elve a következő: a felmelegített katód elektronokat bocsát ki, ezek egy része az anód potenciálját leküzdve működik. Ettől a készüléktől lényegesen nagyobb hatásfok (20-25%) várható 1000°K feletti üzemi hőmérsékleten. Ráadásul a félvezetővel ellentétben a vákuumdióda nem fél a neutronsugárzástól, atomreaktorral is kombinálható. Kiderült azonban, hogy lehetetlen megvalósítani a „vákuum” Ioffe konverter ötletét. Ahogy az ionhajtásban, úgy a vákuumkonverterben is meg kell szabadulni a tértöltéstől, de ezúttal nem az ionoktól, hanem az elektronoktól. A.F. Az Ioff mikronos hézagot kívánt használni a katód és az anód között egy vákuumátalakítóban, ami gyakorlatilag lehetetlen magas hőmérséklet és termikus deformáció esetén. Itt jön jól a cézium: egy céziumion, amely a katódon felületi ionizációval keletkezik, mintegy 500 elektron tértöltését kompenzálja! Valójában a cézium konverter egy "fordított" ionhajtómű. A bennük lévő fizikai folyamatok közel állnak egymáshoz.
Atomerőmű "Buk" -val
félvezető reaktor-átalakító számára
radarműholdak
Atomenergia-termionikus létesítmény "Topaz".
TERMOMISSZIÓS ÁTALAKÍTÓ
A feltaláló neve: Prilezhaeva I.N.; Bologov P.M.
A szabadalom jogosultjának neve: Állami Tudományos Központ – Fizikai és Energetikai Intézet
Levelezési cím:
A szabadalom kezdő dátuma: 1996.09.18
Cél: hőenergia termikus átalakítása elektromos energiává. A találmány lényege: egy többrétegű elektródákat tartalmazó hőátalakítóban legalább egy réteg lyukfélvezetőből készül, amely az emitter kollektor felőli felületén, illetve a kollektor emitter felőli felületén helyezkedik el. HATÁS: csökkent elektronok munkafunkciója a kollektoron, csökkent elektronemisszió a kollektor felületéről, lyukfélvezető kiválasztásának lehetősége különböző szintekhez, stabil konverteres működési körülmények között.
A TALÁLMÁNY LEÍRÁSA
A találmány az energia, az elektronika területére vonatkozik.
A termikus hő-elektromosság konverterek (TEC-k) a mozgó alkatrészek hiányában és a magas hőleadási hőmérsékletben előnyt jelentenek a többi átalakítóval szemben. Ezek az előnyök ahhoz vezettek, hogy az 1980-as évek végén TEC-alapú konverterrel rendelkező atomerőműveket alkalmaztak az űrben a Kosmos-1818 és a Kosmos-1867 műholdakon. Földi körülmények között az alacsony anód hűtési hőmérséklet alkalmazása elfogadható, és nagyobb hatásfok szükséges. A TEC hatékonyságának növelésének fő módja egy adott hőmérsékleti tartományban az emitter és a kollektor közötti úton kibocsátott elektronok energiaveszteségének csökkentése, valamint a kollektor munkafüggvényének csökkentése, amelyek összege általában meghaladja a 2 V-ot 0,5 V TEC üzemi feszültség. Eddig a TEC fejlesztői a kibocsátott elektron energiájának csak 1/5-ét használják fel. A kibocsátott elektron energiaveszteségének csökkentésére irányuló kutatás-fejlesztés folyamatosan zajlik, de az erőművek TEC-je esetén a kollektor munkafunkcióját nem sikerült 1,7 eV alá csökkenteni. Az alapvető megoldás a cézium felhasználása a TEC-ben, amely a TEC elektródák közötti résében plazmát képez, amely kompenzálja a kibocsátott elektronok blokkoló tértöltését, szorbeálódik az emitteren és a kollektoron, ami lehetővé teszi a fenntartást. az emitter és a kollektor munkafunkciója az energiatermelés határain belül kb 10%-os hatásfokkal
Analógként a fém-félvezető átmenetek vékonyrétegek adalékolásával történő szabályozására vonatkozó megoldásokat mutatunk be, amelyek lehetővé teszik a félvezető rétegek és az emitter és kollektor nemesfém közötti energiagát nullára csökkentését.
A javasolt megoldás prototípusaként a felületi rétegben 1-ig oxigénnel telített, nióbium alapú kollektorral rendelkező TEC-re mutatunk rá, egy ilyen kollektoron a céziumszorpció jelentős mértékben áthalad az oxigénen, ami csökkenti a munkafunkciót. a kollektort 1,4 eV-ra, és ennek megfelelően növeli a hatásfokot.a tartály összetételének instabilitása az oxigén más fázisokba való átmenete miatt. Ezért ez a megoldás nem talált ipari alkalmazásra.
A javasolt megoldás lehetővé teszi a kollektor munkafunkciójának csökkentését egy vékony félvezetőréteg bevezetésével, amely a TEC működési feltételei között stabil. A félvezető rétegek alkalmazása lehetővé teszi a munkafunkció széles tartományban történő szabályozását és alacsony elektromos veszteségek biztosítását, amikor az áram a félvezető rétegre merőleges irányban folyik. A vékony félvezető rétegnek működési körülmények között stabilnak kell lennie, és kémiai affinitással kell rendelkeznie az elektronokhoz.
A javasolt TEP előnyei az ismertekkel szemben:
az elektronok munkafunkciójának csökkenése a kollektoron,
a TEC körülmények között stabil lyukfélvezető választásának lehetősége különböző hőmérsékleti szintekhez, optimalizálással a zónában 1300 K-ig az emitternél,
a kollektor felületről történő visszafelé irányuló emisszió csökkentése,
nincs rövidzárlat az emitter és a kollektor megérintésekor. 
Példa az eszköz megvalósítására (lásd a rajzot). 10(20) at/cm3-ig terjedő bór akceptor szennyeződéssel adalékolt 3 gyémánt réteget raknak le molibdén 4 fémkollektor felületére az elektródák közötti rés felől, ami biztosítja, hogy a Fermi-szint belépjen a a félvezető vegyértéksávja. Az 1. emitter wolframból készült, vékonyréteg 2 lyukas félvezetőből készült. Az elektródák közötti rés céziummal készül, körülbelül 1 torr nyomáson. Emitter hőmérséklet 2000 K-ig A kollektor hőmérséklete 1000 K-ig. A gyémánt alapú lyukas félvezető használata indokolt a többihez képest lehetséges megoldások nagy stabilitása magas hőmérsékleten Az elektródák véletlen megérintésekor nincs rövidzárlat a lyukfélvezető elektronikus vezetőképességének hiánya miatt. A fém átvitelét az emitterből (vagy egy réteg lerakódását a gyártás során) a Debye-sugár korlátozza
Példa egy nátrium- (vagy cézium-) béta-alumínium-oxiddal ellátott eszköz megvalósítására. Az ábra szerinti készülék béta-alumínium-oxid elektróda bevonattal rendelkezik. Az oxigéntöbblet és az alkálifém hiánya esetén a béta-alumínium-oxid a lyukfélvezető tulajdonságait szerzi meg. Az alumínium-oxid üzemi hőmérsékletét 1600 K-re tervezték. A 4. kollektorra béta-alumínium-oxid filmréteg kerül 3. Az elektródák közötti résben szabad oxigén található, és kis mennyiségű alkálifém van, de elegendő egy monoréteg kialakításához ( filmelektróda) az elektródákon. Az oxigén nem egyesül nátriummal (cézium) 800 K feletti hőmérsékleten, ami biztosítja, hogy az emittert 1 alkálifémréteggel vonják be. A működés szempontjából rendkívül fontos az alkálifémgőzök jelentős nyomásának hiánya a TEC térfogatban (egy alkálifém nagyon alacsony nyomása, a Paschen-görbe minimumától balra eső terület). erős akkumulátorok A TEP, mivel növeli az akkumulátor üzemi feszültségét az alacsony alkálifém gőznyomás melletti magas áttörési feszültség miatt. Az 50 kW-nál nagyobb teljesítményű akkumulátorok 100 V-nál nagyobb feszültséget igényelnek, ami céziumgőzben 1-3 torr nyomáson nem érhető el, "száraz elektromos szigetelés" szükséges. Az alumínium-oxid és a felesleges oxigén használata a TEC-ben szárazra teszi a TEC szigetelőréteget az akkumulátorházhoz képest. A tórusz közelében lévő nyomású alkáli gőz jelenléte a TEC-ben egy második száraz szigetelőréteg bevezetését teszi szükségessé, és radikálisan bonyolítja a TEC akkumulátort.
Atomerőművek.
Nukleáris rakétahajtóművek
Atomerőművek termoelektromos generátorral
A hatvanas évek elejétől kezdve dolgozzon új megszerzési módszereken elektromos energiaés különösen a hőenergia közvetlen elektromos energiává alakításán dolgoznak termoelektromos és termionikus átalakítókon alapulóan.
Az e munkák iránti érdeklődés annak a ténynek köszönhető, hogy az ilyen energiaátalakítási módszerek alapvetően leegyszerűsítik a telepítési rendszert, kizárják az energiaátalakítás közbenső szakaszait, és lehetővé teszik kompakt és könnyű erőművek létrehozását.
Ugyanakkor a nukleáris energiaforrások űrjárműveken történő alkalmazása számos biztonsági probléma megoldásával jár együtt. Hazánkban e problémák megoldásának első tapasztalatait egy radioizotópos energiaforrást tartalmazó űrrepülőgép világűrbe bocsájtásával szereztük.
A radioizotóp generátorok fejlesztése Oroszországban az 1960-as évek eleje óta folyik. 1965 szeptemberében először Oroszországban radioizotópos termoelektromos generátorok (RITEG) "Orion-1" elektromos teljesítmény 20 W. Az RTG tömege 14,8 kg, a becsült erőforrás 4 hónap volt. A RITEG polónium-210-et tartalmazó ampullákat a sértetlenség és a tömítettség garantált megőrzésének elvével összhangban terveztük minden baleset esetén. Ez az elv 1969-ben kifizetődött a hordozórakéta-baleseteknél, amikor a tárgyak teljes megsemmisülése ellenére a 25 000 polónium-210 cury-t tartalmazó üzemanyagblokk lezárva maradt.
A következő években a holdjárók és a mélyűr-űrhajók RTG-inek teljesítményének és erőforrásainak növelésére irányuló munkát végeztek. A kidolgozott RITEG tervek különböztek egymástól a felhasznált izotópokban, termoelektromos anyagokban, konstrukciós formákban stb. Ez nagymértékben bonyolította és megnövelte az ilyen ES létrehozásának költségeit.
A viszonylag alacsony energiaintenzitás, az RTG magas költsége, az RTG űrben való felhasználásával kapcsolatos problémák megoldásának nehézségei, az atomreaktoron alapuló erőművek fejlesztésének előrehaladása miatt az RTG-vel kapcsolatos munka megszűnt.
A termoelektromos és termionikus energiaátalakítók atomreaktorokkal kombinálva lehetővé tette egy alapvetően új típusú létesítmények létrehozását, amelyekben a hőenergia-forrást - az atomreaktort és a hőenergia átalakítóját elektromos energiává - egyetlen egységbe egyesítik. - egy reaktor-átalakító.
Egy kis méretű reaktor-átalakító létrehozásának lehetőségének kísérleti ellenőrzésére a Szovjetunióban a hőenergiát villamos energiává alakítva, az Intézetben atomenergia Az I. V. Kurcsatovról elnevezett 1964-ben a Sukhumi Fizikai és Technológiai Intézettel, Harkov Fizikai és Technológiai Intézettel, Podolszki Kutatótechnológiai Intézettel együttműködve megépült a „Romashka” kísérleti létesítmény, amely teljes nukleáris energiateszt-cikluson ment keresztül. Ez az installáció egy magas hőmérsékletű gyorsneutron konverteres reaktor volt, amelyben a zónában felszabaduló hő az anyagok hővezető képessége miatt a reflektor külső felületén elhelyezett termoelektromos átalakítóba került, amely akár 500 W elektromos áramot is generált. energia. A jelátalakító fel nem használt hőjét bordás hűtő-radiátor sugározta ki a környező térbe. Az 1964. augusztus 14-én üzembe helyezett "Romashka" reaktor-átalakító ~15 000 órát üzemelt sikeresen, 6100 kWh áramot termelve.
A "Romashka" erőmű beindítása és sikeres tesztjei bebizonyították, hogy a Szovjetunió a világon először hozott létre működőképes, magas hőmérsékletű atomreaktor-átalakítót, amely lehetővé teszi az elektromos áram közvetlen vételét minden mozgó munkatest részvétele nélkül. mechanizmusokat, és kísérletileg kimutatták, hogy képes hosszú ideig működni. A „Romashka” telepítés elemeinek utólagos kivágása és állapotának tanulmányozása azt mutatta, hogy az elért paraméterek és erőforrások nem korlátozóak, és növelhetők bizonyos tervezési fejlesztések, és különösen a lapos moduláris termionikus elemek használata helyett. termoelektromos energiaátalakító, az aktív zóna és a radiális reflektor határán található.
A Romashka gyárral végzett munkacsoport abszolút megbízhatóságát és biztonságát mutatta. Tekintettel azonban arra, hogy mire a tesztek befejeződtek, a BES-5-ös atomerőmű jóval nagyobb kapacitással készült el, a Romashka erőmű további tesztjeit leállították. A "Romashka" üzem alapján létrehoztak egy "Gamma" kísérleti üzemet - az "Elena" autonóm hordozható atomerőmű prototípusát, legfeljebb 500 kW elektromos teljesítménnyel, amelyet távoli területek áramellátására terveztek.
Atomerőmű "BES-5".
Hazánk első űrnukleáris fejlesztése erőmű A "BES-5" homogén gyorsneutronreaktorral és egy termoelektromos generátorral (TEG) az SZKP Központi Bizottságának és a Szovjetunió Minisztertanácsának N 258-110 számú, 1961.3.16-i rendeletével összhangban készült, N 702-295, 1962.7.3. és N 651-244, 1965.8.24. SE "Krasnaya Zvezda", SSC "IPPE", STC "Istok" Kutatóintézet NPO "Luch", RRC "Kurchatov Institute" , IPU RAS stb. Az állomást úgy fejlesztették ki, hogy a radaros felderítéshez szükséges berendezéseket támogassa az űrhajó kilövési szakaszában és az űreszköz aktív fennállásának teljes ideje alatt, körkörös pályán, körülbelül 260 km magasságban. Az elvégzett számítási, tervezési és kísérleti munkák eredményeként 1970-re a 2800 W kimenő teljesítményt produkáló, 1080 órás erőforrással rendelkező BES-5 létrehozásának minden alapvető problémája gyakorlatilag megoldódott.
Az 1963-tól 1969-ig tartó időszakban a folyékony fém kört, a reaktor nélküli BES-5 mintákat TEG szimulátorral és az üzemi berendezésekkel, valamint a reaktor nélküli BES-5-öt működő TEG-vel tesztelték. 1968-1970-ben. A Ts-14E standon a "BES-5" N 16, 25, 32 űr atomerőművek teljes körű élettartam-tesztjeit, működő reaktorral végezték. Az N16-os atomerőmű (Atomerőmű) tesztjei sikeresek voltak, a tesztek előtt kitűzött feladatokat maradéktalanul elvégezték. A TEG fő szakaszának elektromos teljesítménye a tesztidőszak alatt (1200 óra) 10%-kal csökkent, és a teszt végén 905 W-ot, illetve 1040 W-ot tett ki 6900 C és 7150 C hőmérsékleti szinten. A reaktor neutronfizikai jellemzői stacioner üzemmódban számolva időben stabilak voltak, és kielégítően egybeestek a Fizikai és Energetikai Intézetben a számított értékekkel és a fizikai szerelvényeken kísérletileg meghatározott értékekkel.
Az N25-ös atomerőmű tesztjeit a reaktorzónában a primer hűtőközeg "felforrása" miatt fejezték be, mert a kompenzációs tartályokban nem volt elegendő nyomás. Miután az autonóm neutronforrást az újonnan kifejlesztett technika szerint, az új, nagy pontosságú berendezéssel kalibrálták, az N32-es létesítményben folytatódtak a BES-5 tesztek. A "BES-5" N32 erőmű névleges üzemmódjának sikeres elérése után a Ts-14E standon (SE "Krasnaya Zvezda") egy teljes terepi tesztciklust végeztek az LKI N31 program szerint. Pozitív eredmények A tesztek 1970. október 3-án lehetővé tették a "BES-5" N31 atomerőmű felbocsátását egy radaros felderítő űrhajó ("Cosmos-367") részeként.
A "BES-5" N 31 atomerőmű 110 percig dolgozott pályán, és a reaktor olvadása következtében az 1. kör hőmérsékletének a megengedettnél magasabb "túllövése" miatt került "temetési" pályára. mag. Az első indítás eredményei szerint javultak az érzékelők és a hőmérséklet-szabályozó csatorna működési logikája, valamint az atomerőmű "bemelegítési" teljesítménye 150%-ról 115%-ra Nnom. .
A próbapadi tesztek és az LCI eredményeként a következők születtek:
Megbízható hegesztési technológia és a termék utólagos ellenőrzése, beleértve a termikus vákuum teszteket is, amely lehetővé tette a termék erőforrás-fejlesztését akár 1500 órán keresztül. tervezési hőmérsékletekés a környezeti nyomás 10-5 Hgmm. és 1300 órán belül, ha a természetes sugárzást meghaladó sugárzási áramlásban működnek;
Termékek szimulációs (reaktor nélküli) hővizsgálatának módszertana vákuumkamrában;
A felszerelt aktív zónával rendelkező termékek talajvizsgálatának módszertana;
A terepi vizsgálatok elvégzésének módszertana.
A "BES-5" atomerőmű 1975-ben történt 9 kilövése után a szovjet haditengerészet elfogadta. A "BES-5" atomerőmű leszereléséig (1989) összesen 31 létesítményt indítottak az űrbe.
Az atomerőművekkel a fedélzeten lévő űrhajók kilövéseinek teljes időtartama alatt három legsúlyosabb baleset történt.
A "BES-5" N51 atomerőművel végzett űrszonda felbocsátásakor a nyomásfokozó motor meghibásodása miatt az űreszköz nem került a számított pályára, és a mélyen szubkritikus reaktorral rendelkező atomerőmű a Csendes-óceánba esett. Óceán.
A legnagyobb atomerőmű-baleset az 1977. szeptember 18-án felbocsátott Kosmos-954 űrhajóval történt. A BES-5 N58 atomerőművel a fedélzetén lévő űrszonda műszerterének nyomásmentesítése és a másodlagos nyomásesés-érzékelők meghibásodása miatt az autonóm vezérlőrendszer berendezése meghibásodott, ami az űrhajó orientációjának elvesztéséhez vezetett. , az atomerőmű Földről való eltávolítására vonatkozó parancs meghiúsulása és az atomerőművek automatikus eltávolítása rendszerhiba. Ennek eredményeként egy atomerőművel felszerelt űrszonda bejutott a légkörbe és szétesett, több ezer radioaktív töredéket szórva szét több mint 100 000 km2-en Kanada északnyugati régióiban.
1983-ban az 1982. augusztus 30-án felbocsátott "Kozmosz-1402" űrszonda rendszereinek meghibásodása miatt az atomerőmű visszatért a Föld légkörébe, ami a tartalék sugárbiztonsági rendszer működéséhez vezetett. az atomerőművet, amely a reaktormagot szétszórta a Föld légkörében.
1988 áprilisában megszakadt a rádiókapcsolat az 1987. december 12-én indított Kosmos-1900-zal. A kommunikáció hiánya megakadályozta abban, hogy parancsot küldjön az atomerőmű visszavonására, és 1987. szeptember közepéig az űrszonda lassan veszített magasságából, fokozatosan megközelítve a Földet. Az amerikai űrirányító szolgálatok részt vettek az űrhajó helyzetének megfigyelésében. Csak szeptember 30-án, néhány nappal a légkör sűrű rétegeibe való belépés előtt kapcsolt be a védelmi rendszer, és a műholdat biztonságos, álló pályára állították.
A létesítmény működése során az SZKP Központi Bizottságának és a Szovjetunió Minisztertanácsának 1975. május 26-án kelt N 462-138 számú rendelete alapján finomítási és korszerűsítési munkálatok folytak, amelyekhez kapcsolódóan. a sugárbiztonság növekedése, a elektromos erő az erőforrás végén 3 kW-ig és az erőforrás növekedése 6-12 hónapig.
A repülési adatok elemzése kimutatta, hogy a fedélzetén atomerőművel rendelkező űrhajó működésének leállítása főszabály szerint nem az erőmű hibájából következett be, kivéve a "BES-5" NN 31, 60. , 58, 75 és 76. Atomerőmű pálya (nyomás- és nyomásesés-érzékelők meghibásodása ZhMK "BES-5" N53 (1974.5.15., "Cosmos-651"), N60 (1976.10.17., "Cosmos-860"), N58 (1977. 09. 18., "Cosmos-954"), valamint az ezeket okozó okok miatt szükség volt a fejlesztésekre. vezérlőrúd meghajtás, megnövelt gáznyomás a reaktor elnyomó egységben (BG) 760-ról 1500 mm-re Hg Ez lehetővé tette az atomerőmű fő sugárbiztonsági rendszerének működési megbízhatóságának növelését, az űrhajó helyzetszabályozó és stabilizáló rendszerének hajtóműveinek működése által okozott reakcióképességi zavarok jelentős csökkentését, a rövid távú az ionizációs kamrák áramának emelkedése a neutronteljesítmény feladatának 7,5%-ról 115%-ra történő átalakítása során, valamint a BG tömítettségének megbízhatóbb ellenőrzése a Földön végzett összetett ellenőrzések során (a nyomás a BG-ben nullára csökkent, mivel annak szivárgásához, amikor az N52 atomerőmű pályára állt (1973.12.27., "Cosmos-626") és az N56 (1975.04.7., "Cosmos-724"). 1985-ben két űrhajó működése abnormálisan véget ért a "BES-5" N75 és N76 atomerőmű autonóm vezérlőrendszerének meghibásodása miatt a szigorúbb szabályozás miatt. termikus rezsim az EP-264 készülék működése. Az atomerőmű fennmaradó példányain az eszköz véglegesítésre került. A Kanada felett a Kosmos-954 űrszondával történt incidens után intenzívebbé vált a munka a sugárbiztonságot biztosító fedélzeti rendszereken, mind a fő (OSRS), amely biztosítja az atomerőmű „eltemetését” a „temetési” pályára. 890 km-es tengerszint feletti magasságban, és a tartalék (DSRS), amely a reaktortartályból egy dugattyús pornyomás-akkumulátor segítségével kibocsátott fűtőelemkötegeken és azok későbbi aerodinamikai megsemmisítésén alapul.
A DSRB fedélzeti eszközeinek működőképességét a földön és az 1980. április 29-én a Cosmos-1176 űrszonda részeként felbocsátott N64-es atomerőmű repülési tesztjei során igazolták. Minden további "BES-5" atomerőmű DSRB-vel volt felszerelve.
A radaros felderítő űrhajó korszerűsítésével összefüggésben elkészült az atomerőmű, amelyet 6 hónapig megnövelt a jellemez. élettartam és elektromos teljesítmény az erőforrás végén 2400 W. 3 példány készült. Atomerőmű. Az atomerőmű modernizált változatának első indítása 1988. március 14-én történt a Cosmos-1932 űrszonda részeként. Annak ellenére, hogy a létesítmény a repülési programnak megfelelően működött, a "BES-5" típusú atomerőmű további üzemeltetése megszűnt. Az atomerőmű fennmaradó példányát 1993-ban az 5 NIIP-től a „Krasnaya Zvezda” állami vállalathoz szállították és ártalmatlanították.
A fedélzetén atomerőművel rendelkező űrszonda űrrepülésének megszakítására vonatkozó döntést az atomerőmű viszonylag alacsony műszaki jellemzői és a nemzetközi közösség fokozott ellenállása okozta a nukleáris tárgyak űrben történő felhasználásával szemben.
Atomerőművek termionikus átalakítóval
Atomerőművek "Topaz"
A termoelektromos generátorokkal rendelkező atomerőmű létrehozásával párhuzamosan egy magasabb műszaki jellemzőkkel rendelkező hőcserélőkkel rendelkező atomerőművön is dolgoztak.
A munkát a végrehajtó szervezetek két együttműködése végezte kétféle telepítésen, amelyek különböznek egymástól:
Az atomerőmű fő elemének - az áramtermelő csatornának (EGC) - kialakítása;
A munkaközeg-gőzgenerátor (cézium) kialakítása. A "Topaz-2" atomerőmű kanóc típusú generátort használ, amely biztosítja az áramlási sebesség állandóságát a hűtőfolyadék hőmérsékletétől függetlenül;
A "Topaz-2" atomerőmű kizárólag sugárzásbiztos pályákon való használatra készült, és nem rendelkezik felszámolási rendszerrel. A sugárbiztonságot biztosító tartalék rendszerre nem módosítható.
A "Topaz-1" (TEU-5) termikus reaktor-átalakítóval és folyékony fém hűtőközeggel (Na-K) 79 TEC van, amelyek mindegyike 5 termikus elektromos generátor elemmel (EGE) rendelkezik (többelemes). TEC) csatlakoztatva, a "Topaz -2" (Jenisej) atomerőműben pedig 37 EGC, amelyek mindegyikének csak egy EGE (egyelemes EGC) van.
Az egyelemes EGC kialakítása lehetővé teszi, hogy az aktív zónában ne legyen elektródák közötti kapcsolás, valamint a gáznemű hasadási termékek a katódtérfogatból eltávolíthatók, ami előre meghatározza nagyobb megbízhatóságukat és erőforrás-kapacitásukat; hőszimulátorok segítségével ellenőrizni kell az atomerőmű elektromos jellemzőit az indulás előtt, mielőtt a nukleáris üzemanyagot betöltené; Termionikus reaktor-konverter (TRC) teljes körű TEC-ek és konverziós rendszerek kidolgozása elektromos fűtés segítségével, amely csökkenti a kísérleti munkára fordított költségeket és időt. Az egyelemes kialakításnak azonban van egy jelentős hátránya, amely abban áll, hogy azonos elektromos teljesítmény mellett az egyelemes EGC kimenetén az áram 2-3-szor nagyobb, mint a többelemesé, és nagy elektródavastagság szükséges az ohmos veszteségek csökkentéséhez. Az egyelemes EGC-k ezt a hiányosságát nagymértékben meghatározza a katódfelületről vett fajlagos elektromos teljesítmény, és a gyakorlatban az egyedi kialakításoknál kezd jelentősen befolyásolni, ha a fajlagos elektromos teljesítmény meghaladja a 2 W/cm2-t moderátor hajtású esetén. TPR és több mint 5 W/cm2 a gyorsneutron TRP esetében.
A "Topaz-1" atomerőművet az SZKP Központi Bizottságának és a Szovjetunió Minisztertanácsának N 702-295 számú, 1962. július 3-án kelt rendeletével összhangban egy radar-felderítő űrhajó számára fejlesztették ki a szervezetek együttműködésével: a vezető fejlesztő - SE "Krasnaya Zvezda", a tudományos témavezető - SSC "IPPE", társvégrehajtók - NII NPO "Luch" stb.
A "Topaz-2" atomerőművet az SZKP Központi Bizottságának és a Szovjetunió Minisztertanácsának 1967. július 21-i N 715-240 számú rendeletével összhangban fejlesztették ki a közvetlen televíziós műsorszóró rendszer űrhajói számára. teret a szervezetek együttműködésével: a vezető fejlesztő az Energovak-TsKBM, a tudományos témavezető az RRC "Kurchatov Institute", a társvégrehajtók - NII NPO "Luch" stb.
A Topaz-1 atomerőmű fejlesztése során kísérleti tanulmányok nagy komplexumát végezték el az egyes alkatrészek, szerelvények, a TRP termofizikai prototípusai és a létesítmény egészének hőszimulátorai tekintetében. Az AM reaktor IPPE reaktorában több mint 50 EGC-t teszteltek, amelyek egy adott erőforrás alatt mutatták teljesítményüket. A szabványos kivitelű EGK (KET-49) reaktor tesztelésének leghosszabb időtartama több mint 5000 óra volt 2,5 W/cm2 átlagos teljesítménysűrűség és 16000 C maximális katód hőmérséklet mellett. A Topáz-1 atomerőmű nukleáris prototípusának első teljes körű földi erőpróbáját 1970-ben végezték el az SSC IPPE standján. A terméket 10 kW elektromos teljesítményre hozták. A tesztek 150 órán át tartottak, majd a folyékony kohászati hűtőfolyadék szivárgása miatt felfüggesztették. Összesen a Topaz-1 atomerőmű 4 nukleáris prototípusát tesztelték.
A földi integrált tesztek eredményei szolgáltak alapul a Szovjetunió Minisztertanácsa Elnöksége Bizottságának az ERW N 342-ről szóló, 1976. december 8-i határozatában a repülési tervezési tesztek lehetséges időpontjának meghatározásához 1979-1980 között. A "Topaz-1" atomerőmű a "Plasma" kísérleti űrhajó részeként. A redundáns sugárbiztonsági rendszer hiánya azonban az atomerőmű részeként a Plasma űrszonda új módosításának – a Plasma-A űrhajónak a kifejlesztésének szükségességéhez vezetett, és a Szovjetunió Bizottságának határozatával összhangban történő változtatás szükségességét. Az ERW 1981. május 23-i miniszteri rendelete az LCT végzésének feltételeit: LCT lebonyolítása magas sugárzásbiztos pályán.
A Szovjetunió Minisztertanácsa alá tartozó Állami Bizottság ERW N 58-ról szóló, 1986. február 12-i határozatával döntés született a Plasma-A űrhajó LCT-jének elvégzéséről a Topaz-1 atomerőművel. Az LCT-hez az atomerőmű két mintája (N22 és N23) készült, amelyek az EGC katódok anyagában különböznek egymástól: az N22 termék katódja molibdén, az N23 - molibdén pedig wolframmal bevont.
Az N22-es atomerőművet 1987. február 2-án állították 800 km magasságú, sugárzásbiztos, álló körpályára, és a Plasma-A (Kozmosz-1818) űrszonda részeként dolgozott pályán 142 napig. Megjelenik az atomerőmű jellemzőinek megfelelősége az adott három hónapos erőforrás alatt.
Az N23 atomerőművet 1987. július 10-én bocsátották 800 km magasságú, sugárzásbiztos, álló körpályára, és a Plasma-A (Kozmosz-1867) űrszonda részeként 343 napig dolgozott a pályán. Megjelenik az atomerőművek jellemzőinek való megfelelés hat hónapos üzemelés alatt. Ezt követően a következő hat hónapban az atomerőmű teljesítménye fokozatosan csökkent az RP-ben lezajló degradációs folyamatok miatt, de elegendő volt az összes űrhajórendszer áramellátásához (az álló üzem végén 2,73 kW volt).
Az atomerőmű leállását mindkét esetben elsősorban a munkaközeg (cézium) készletek megszűnése, illetve a moderátorüregből a hidrogén felszabadulása okozta, amely katalizátora volt az RP-ben zajló degradációs folyamatoknak. Az N22 atomerőműben az EGC készlet egykristályos molibdén emitteres blokkokra cserélése az N23 atomerőmű volfrámbevonatú EGC készletére a hatékonyság növekedését eredményezte. Atomerőmű 1,05-1,07-szeresére.
A „Topaz-1” atomerőművel folytatott munkával párhuzamosan a „Topaz-2” atomerőmű létrehozására is sor került. A munka során az erőmű több mint 18 teljes méretű fejegységét gyártották és tesztelték, ebből 7 darab (Ya-20, Ya-23, E-31, Ya-24, Ya-81, Ya-82, E -38) teljesítette az atomerőművi teszteket . Az első prototípusok (Ya-20, Ya-23, E-31, Ya-24) élettartamra szóló atomerőművi tesztjei kimutatták, hogy az EGK választott kialakítása nem felel meg az élettartamra vonatkozó követelményeknek. Az EGC katódok átmérőjének növekedését találták a tüzelőanyag-magok hasadási töredékek hatására bekövetkező duzzadása miatt, ami az egyes EGC-k rövidzárlatához vezetett a tesztelés során, és az RP teljes elektromos teljesítményének csökkenéséhez vezetett. Azt is megállapították, hogy a katód-anód elektróda pár tulajdonságainak felületi változása és a csökkentett emissziós együttható növekedése miatt az EGC elektromos teljesítményének erőforrás-csökkenése 3% volt 1000 óránként.
A felsorolt tervezési hiányosságok kiküszöbölésére a Luch Tudományos Kutatóintézet továbbfejlesztett EGK-t fejlesztett ki és tesztelt, amelyben az alábbi tervezési és technológiai megoldásokat valósították meg:
Új szkandium-oxid fixálók kerültek a MEP-be, amelyek az alumínium-oxid fixálókhoz képest jobban ellenállnak a céziumgőznek;
A volfrámbevonat emitterre történő felvitelének technológiáját továbbfejlesztették, hogy megakadályozzák a bevonat leválását (áttérés az egykristályos bevonat felvitelének kloridos technológiájára);
Az üzemanyagban lévő lyuk a mag teljes hosszában megnőtt, és a lyuk átmérője megnőtt az üzemanyag duzzadása csökkentése érdekében;
Megnövelt MEZ;
Nióbiummal adalékolt molibdén monokristályt vezetnek be az emitterbe.
A javított EGC egyik mintájának elektromos melegítésével végzett hővizsgálatok során több mint 22 500 óra erőforrást értek el.
Ezen túlmenően, a létesítmény élettartamának 1,5 évre emelése érdekében új, modernizált reaktortervet hoztak létre, a zónában megnövelt számú EGC-vel (31-ről 37-re). Egy ilyen atomerőmű fejblokkjaiból 10 példányt gyártottak (V-71 - hideg és dinamikus tesztekhez, majd a Bajkál-1 komplexumban végzett elektromos teljesítménytesztekhez; Ya-81, E-37, Ya-82 - a Bajkál-1 komplexumban atomenergetikai kutatás legfeljebb 1,5 éves időtartammal; E-39, E-40, E-41 - LKI, E-38 - tartalékként; E-43, E-44). A hazai és külföldi gyakorlatban példátlan Ya-24 minta tesztelésekor elértük az erőforrást az űr atomerőmű teljes körű prototípusának nukleáris tesztelésére - 12 500 óra.
Az űrhajón végzett munkálatok befejezésével kapcsolatban, amelyre a Topaz-2 atomerőművet szánták, az atomerőműben végzett munka leállt a földi tesztek szakaszában.
Orosz-amerikai együttműködés a "topáz" típusú atomerőművekben.
Az orosz szervezetek tevékenységében új állomást jelentett az orosz-amerikai együttműködés az űrnukleáris energia területén.
A BES-5 erőműről 1978-ban a Kosmos-954 műholddal történt incidens kapcsán adták át az amerikai félnek az első hivatalos anyagokat, amelyek rövid tájékoztatást tartalmaztak a BES-5 erőműről, majd az incidensek során továbbították a telepítéssel kapcsolatos részletes információkat. a "Cosmos-1402" műholdakkal 1983-ban és a "Cosmos-1900" - 1988-ban.
Az amerikai szakemberek körében nagy érdeklődést váltottak ki Ponomarev-Stepnov akadémikus, N.N. és a „Krasnaya Zvezda” SE igazgatója, Gryaznov G.M. az 1989-es albuquerque-i (USA) nemzetközi szimpóziumon a Topaz atomerőmű tesztjeinek eredményeiről. És 1989 áprilisában az IAE-n. I. V. Kurchatov tárgyalásokat folytatott a Space Power Inc. képviselőivel. (SPI) szovjet atomerőművek fejlesztői (IAE I. V. Kurchatov, NPO Krasnaya Zvezda, TsKBM, NPO Luch, IPPE). A megbeszélések szóba kerültek a polgári kereskedelmi célú űr atomerőművek együttműködésének lehetőségével és a Szovjetunióban rendelkezésre álló tapasztalatok e célokra történő felhasználásával, valamint az űrtermikus atomerőművek létrehozásának és teljes körű tesztelésének megalapozásával. A tárgyalások során szóba kerültek az ilyen atomerőművek polgári kereskedelmi felhasználásának lehetséges területei a naperőművek alternatívájaként.
Az amerikai félnek átadott anyagok a "Topol" ("Topaz-1") atomerőmű 1977-1978-as sikeres világűrbeli kísérleteihez, valamint amerikai szakemberek látogatásához kapcsolódnak. orosz cégek Meggyőzte az amerikai szakértőket Oroszország vitathatatlan prioritásáról ezen a területen, amellyel kapcsolatban számos amerikai cég érdeklődést mutatott az oroszországi termikus atomerőművek lemaradásának békés célú tudományos és kereskedelmi felhasználása iránt.
1991. január-márciusban a Topaz-2 atomerőmű modelljének (nukleáris üzemanyag nélkül) bemutató bemutatóját tartották a VIII. US Symposium on Space Nuclear Power (Albuquerque), valamint a Szovjet-Amerikai Tudományos és Műszaki Szimpóziumon és a kiállításon. "Science-Space-Conversion" a Marylandi Egyetemen. A tüntetés okozta nagy érdeklődés A szakemberek és a közvélemény nagyra értékelik mind a Szovjetunió technológiai vívmányait, mind a Szovjetunió készségét az e téren való nemzetközi együttműködésben való részvételre.
A Topaz-2 telepítés fő fejlesztői - a TsKBM, az RRC "KI" és a NII NPO "Luch", az orosz részről a NIITP és a GMP "NP Energotekh", valamint az amerikai részről az International Scientific Products (ISP) közös oroszországot hoztak létre. -American Venture "International Energy Technologies" (JV "INERTEK"). Tevékenységének első szakaszában azt javasolták, hogy az Egyesült Államokban demonstrációs teszteket hajtsanak végre egy kísérleti minta és a Topaz-2 létesítmény nukleáris üzemanyag nélküli komponenseinek elektromos fűtésével ellátott standokon. A Szovjetunió Minisztertanácsa (N PP-15495, 1991. május 16.) beleegyezett a tesztek elvégzésébe. A munkát az amerikai kormányzat különleges döntései támogatták.
1991-1992-ben az amerikai fél két mintát kapott a Topaz-2 atomerőmű fejegységéből - V-71 (működő) és Ya-21U (tartalék), amelyeket korábban Oroszországban teszteltek, valamint a Bajkál próbapadot.
A tesztelés első szakaszát 1992 novemberében az "INERTEK" vegyesvállalat végezte az N SP-1145/5474 szerződés alapján, amelyet az ISP-vel kötöttek a TSET (Termionic System Evaluation Test) csoport szakembereinek részvételével. Az Albuquerque-i (USA) Bajkál standon a B-71 terméket két teljes start-up-stop tesztciklus keretében tesztelték a megadott paraméterek megerősítése érdekében. A beépítési minta és egyedi EGC tesztelése teljes körűen és sikeresen megtörtént: működőképességüket igazolták, a Tesztprogramban meghatározott jellemzőket megszerezték, és az amerikai személyzetet betanították. "A kapott jellemzők előrejelzése azt mutatta, hogy normál körülmények között a V-71 jellemzőivel rendelkező Topaz-2 berendezés 4,5-6,0 kW teljesítményű elektromos áramot tud biztosítani a reaktor munkarészének kivezetésein a hűtőfolyadék hőmérsékletén a kimeneten. a reaktor hőmérséklete 5700 C-ig" ( a vizsgálati jelentésből).
A tesztelés második szakaszának célja az volt, hogy kísérleti információkat szerezzenek a "Topaz-2" telepítésről, mint vezérlőobjektumról és áramforrásról a vákuumkamrában végzett elektromos fűtéssel végzett tesztek során, valamint amerikai szakemberek képzése. A teszteket a TSET csoport végzi orosz szakemberek, amerikai és orosz kutatók részvételével.
A munka első szakaszának sikeres befejezése után az amerikai fél javasolta a Topaz-2 telepítés repülési bemutató tesztjeinek elkészítését egy amerikai űrrepülőgép különböző típusú elektromos hajtómotorjaira épülő elektromos meghajtó modullal együtt, és szerződést írt alá az orosz vállalkozások részvétele a megnövelt (legfeljebb 40 kW) elektromos teljesítményű nukleáris termionikus létesítmények fejlesztésében. Az atomerőmű működését magas pályán kell végezni, amelyen a Föld lakosságának sugárbiztonsága teljes mértékben garantált. Ezeket a munkákat az amerikai fél állami forrásból finanszírozza.
Az amerikai űrrepülőgép részeként a Topaz-2 telepítés repülési tesztjeinek elvégzésére a telepítés fejlesztői 1994-1995. A Topaz-2 telepítés négy kísérleti mintáját szállították az USA-ba (ebből az E-43, E-44 mintákat repülési tesztekhez és az E-40, E-41 mintákat az űrhajóval történő dokkolás teszteléséhez). Emellett a tervek szerint a Topaz-2 telepítés két, korábban az USA-ba szállított kísérleti mintáját is felhasználják földi tesztekhez. A Topaz-2 létesítmények repülési tesztekhez való felhasználását a program befejezése után a Topaz-2 létesítmények visszaszállításának feltételei szerint tervezik (kivéve az űrbe bocsátottakat), szétszerelés és a létesítmények közvetlen felhasználásának kizárása nélkül. katonai célokra.
Annak ellenére, hogy az űrnukleáris energia területén végzett munkák finanszírozási forrásainak meredek csökkenése miatt az atomerőművek létrehozásával kapcsolatos kutatási és fejlesztési munka megszűnt, a fejlesztő szervezetek tevékenysége 1992 óta elsősorban a tudományos-műszaki tartalékot, próbapadot és az atomerőművek fő elemeinek fejlesztésére irányuló munkát végzett. A Topaz-1 és Topaz-2 atomerőművek pozitív teszteredményei ugyanakkor igazolták a 10-100 és több kilowatt teljesítményű villamosenergia-rendszerek létrehozásának alapvető lehetőségét az űrben, és megalapozták a projektek fejlesztését. számos 10-15, 25, 50 és 100-150 kW teljesítményű termikus berendezéshez.
Űr Atomerőmű projektek
A "BES" és a "Topaz" atomerőmű létrehozása során számos javított jellemzőkkel rendelkező létesítmény készült.
A módosított Topaz-1 atomerőmű tervrajzát a Krasznaja Zvezda Állami Vállalat dolgozta ki a Szovjetunió Miniszteri Bizottságának az ERW N 223. számú, 1974. augusztus 21-i rendeletével összhangban. Ez az erőmű a Topaz- 1 atomerőmű. A teljesítménynövekedést egy további EHC bevezetése, indukciós elektromágneses szivattyú vezetés helyett indukciós elektromágneses szivattyú alkalmazása, valamint védőelektródák EHC-be történő bevezetése eredményezte. Az erőmű a „Topaz-1” atomerőművel ellentétben tartalék biztonsági rendszerrel, hőcsöveken hűtő-radiátorral, céziumregeneráló zárt céziumrendszerrel és optimalizált elektromos kapcsolókörrel volt felszerelve.
A Romashka reaktor fejlesztései alapján 1976-ban az Energovak-TsKBM műszaki javaslatokat készített a Zarya-1 termoelektromos atomerőműhöz optoelektronikus felderítő űrhajókhoz (OER). A "Zarya-1" atomerőmű különbözik a "BES"-től az elektromos teljesítmény (5,8 kW versus 2,9 kW) és a megnövelt erőforrás (4320 óra versus 1100 óra) tekintetében.
A reaktor atomerőművek TEG és TPP létrehozásának tudományos és műszaki megalapozása lehetővé tette a Zarya-2 atomerőmű két változatának tervezetének kidolgozását 1978-ban a 24 kW elektromos teljesítményű OER űrhajó számára. élettartama 10 000 óra. A Topaz-1 típusú termoelektromos atomerőmű LMC-jébe egy termoelektromos generátor beépítése lehetővé tette a gyors (az atomerőmű indítására vonatkozó parancs kézhezvétele után 10 perccel) elektromos áramellátás problémájának megoldását. űrrepülőgépek felszerelése és a blokk saját szükséglete ahhoz az időhöz képest, ameddig a Topáz-1 atomerőmű névleges üzemmódba jutott villamos teljesítmény (60 perc után) Ez a döntés egyúttal lehetővé tette a szükséges kapacitás csökkentését akkumulátorok, amelyek akut hiánya a Topaz-1 létrehozása során érezhető volt. A Zarya-2 atomerőmű második változatának megkülönböztető jellemzője, hogy a nagy kimeneti teljesítményt védőelektródával ellátott kényszerített EGC-k használata biztosítja.
1978-ban a SE "Krasnaya Zvezda" műszaki javaslatokat dolgozott ki a "Zarya-3" űr atomerőmű 2 változatára, 24,4 kW elektromos teljesítménnyel és 1,15 éves erőforrással. Más alternatív lehetőségek mellett tolóerő-impulzusok létrehozására szolgált az OER űrszondák pályájának korrigálására és speciális berendezések áramellátására. Az első lehetőség a Topaz-1 atomerőmű módosítása egy beépített RP és EGC (hasonlóan a Zarya-2 telepítés RP-jéhez) és egy autonóm folyékony hajtóanyagú rakétamotor használatához. Egy másik lehetőség alapvetően különbözött a Topáz-1 atomerőműtől: gyorsneutronreaktor, távoli hőerőművek hőcsövekkel és folyékony hajtóanyagú rakétahajtóművekkel, valamint az üzemanyagrudakat és a TEP-eket gőz-elektromos csatornákká kombinálták.
A "Topaz" és a "Zarya" létesítményekkel kapcsolatos munkát leállították, mivel nem kötődtek egy adott űrhajóhoz.
Az 1981-1986 közötti időszakban. Oroszországban nagy mennyiségű tervezési és kísérleti munkát végeztek, jelezve annak alapvető lehetőségét, hogy az atomerőművek élettartamát 3-5 évre, elektromos teljesítményét pedig 600 kW-ra növeljék.
E vizsgálatok eredményeként a "Topaz-1" atomerőmű EGC prototípusának EGC-je alapján kifejlesztették a termionikus RP-k szabványos méretű sorozatát, amelyek teljesítménye 10-15, 25, 50 és 100-150 kW Akatsia típusú atomerőművek és a Hercules atomelektromos rakétamotor fejlesztése
TERMOMISSZIÓS ÁTALAKÍTÓK – ÚT A JÖVŐ ENERGIÁHOZ
A "VRATA-YEKATERINBURG" információs ügynökség információkat terjesztett a hőenergiát elektromos energiává alakító hőcserélő (TEP) létrehozásáról, nagyon magas konverziós tényezővel (COP) - akár 80-82%. Eleinte ez valószínűtlennek tűnt számomra, de miután megrendelte a konverter műszaki leírását a fejlesztőktől, és elolvasta azt, a szerző arra a következtetésre jutott, hogy a gyakorlatban és a CP egység részeként egy ilyen CP elérése teljesen lehetséges. , elérheti a 95-97%-ot.
A fentiek alapján ebben a cikkben a TPE hagyományos és nem hagyományos energetikai felhasználásának ígéretes sémáiról szeretnék spekulálni.
A jelenlegi hagyományos energiaellátási konstrukció mellett minden lakóépületbe többféle energia kerül ellátásra: villany, hő, hálózati gáz, meleg víz.
Azáltal, hogy minden lakóépületben TPP-n alapuló mikro-CHP-t helyezünk el, továbblépünk a decentralizált, magas KIT-tel rendelkező energiaellátás progresszív rendszerére. Ez a séma a következőképpen működik: a hálózati gáz belép a mikro-CHP-be, ahol egy külső kemencében elégetik. A kemencében 1650-1700 °C hőmérsékletre felmelegített gázok belépnek a TEP-be, ahol a hőenergia közvetlen átalakítása elektromos energiává (egyenfeszültség) történik. A továbbiakban a 250-300 o C-ra hűtött gázok a hőcserélőbe jutnak, ahol a hideg csapvizet melegítik fel a létesítmény melegvíz ellátásának szükségleteihez. Ugyanakkor a gázenergia 70-75% -át villamosenergia-termelésre, 25-20% -át melegvíz előállítására fordítják. Az egyenfeszültségű villamos energia nagy részét a tárgy fűtésére, világításra, elektromos tűzhelyekre, egyes egyenárammal működő háztartási készülékekre (például hűtőszekrényekre) fordítják, egy részét egy autonóm inverteren való áthaladás után, és a paraméterek átvétele után. szabványos hálózatból váltakozó árammal működő háztartási készülékekre költik. A jövőben minden Háztartási gépek egyenáramra kapcsolható, ami jelentősen csökkenti az elektromágneses sugárzás emberre gyakorolt káros hatásait. Az energiaellátás megbízhatóságának növelése érdekében folyékony üzemanyag-ellátásra vagy gáztartályra van szükség cseppfolyósított gáz. A gázvezetékek és gáztűzhelyek lakásokból történő eltávolításával, valamint az épület tetején egy mikro-CHP elhelyezésével jelentősen növelheti a hálózati gáz használatának biztonságát.
A tetőtéri mikroCHP-k lakóépületekbe történő telepítése lehetővé teszi, hogy csak egyféle energiahordozóval - hálózati földgázzal (a jövőben hidrogénnel) - legyenek ellátva, és a megtakarított pénzt a korszerű, nagy szilárdságú gázvezetékek gyártására lehet fektetni. kompozit anyagok.
Most beszéljünk egy kicsit ennek a javaslatnak a gazdaságosságáról.
Lakóépületek autonóm áramellátó rendszerének fajlagos tőkeköltségei, beleértve a TEP-et, hőcserélőt, invertert, vészhelyzeti tüzelőanyag-ellátó rendszert, elektromos fűtési rendszert stb. becsült számítások kb
10 000 rubel/kW. A villamos energia átlagos eladási ára körülbelül 15 kopekka/kWh lesz.
Lakóépületek központosított áramellátó rendszerének fajlagos tőkeköltségei, ideértve a hőenergia és melegvíz központosított forrását, a fűtési hálózatokat, az áramtermelő és -átalakító létesítményeket, az erőátviteli vezetékeket stb. egyes adatok szerint a legszerényebb becslések szerint körülbelül 15 000 rubel / kW. A lakosság áramdíja már most 30-60 kopejk/kWh között mozog, miközben ez a pénz nemcsak a teljes eladási árat nem fedezi, de még a költség is csak részben fedezi.
Hasonló telepítése autonóm rendszerek ipari létesítmények energiaellátása is jelentős haszonnal kecsegtet.
Ha azonban a hagyományos vízmelegítési rendszert a lakossági és ipari létesítményeknél hagyjuk, és a TEP alapú mikro CHPP-kbe 300%-os vagy annál nagyobb konverziós tényezőjű hidrodinamikus energiaátalakítókat építenek be, ez 2-vel csökkenti a fűtési igények tüzelőanyag-költségét. 2,5-szeresére, és általában 3,5-4-szeresére növeli az energiaszükségletet kielégítő gázfogyasztást.
Ez viszont több tíz évvel meghosszabbítja a földgázkészletek kimerülési idejét, ami további átmeneti előnyt ad a tudományos elme számára a rendkívül hatékony, nem hagyományos energiaátalakítók (nap, fizikai vákuum stb.) kifejlesztéséhez. .
És most beszéljünk a TPE használatáról a nem hagyományos energiában, vagy inkább a napenergiában.
A területen modern naperőművet kell elhelyezni a napenergia érkezésének maximális idejével és teljesítménnyel. A napenergiát elektromos energiává alakítja, melynek segítségével a vízből nyerik ki a hidrogént, és egy vezetékrendszeren keresztül jutnak el a fogyasztókhoz. Az 500-600 km-t meghaladó távolságoknál jövedelmezőbbé válik az energia hidrogén formájában, és nem elektromos formában történő átadása.
A naperőmű nagyszámú energiamodulból áll, amelyek mindegyike egy átalakító modulból, egy elektrolizátorból és egy segédberendezésből áll. Mivel minden teljesítménymodulnak van egy teljes hidrogéntermelési ciklusa és kis ár, akkor kis beruházással elkezdődhet egy ilyen állomás építése, fokozatosan növelve a termelékenységét.
Minden konverziós modul főként a következőkből áll napkollektor(TVVK) parabola-hengeres koncentrátorokkal, termokonverterrel (TEC) és keringtető ventilátorral. Egy ilyen modul konverziós tényezője elérheti a 70-75%-ot. A modern elektrolizátorok termikus együtthatója eléri a 95%-ot, azaz az energiamodul teljes hatásfoka elérheti a 70%-ot.
Ha összehasonlítjuk egy TPE és TVVC alapú naperőmű mutatóit a szilícium akkumulátoros naperőmű mutatóival, akkor a következők derülnek ki: az első állomás fajlagos tőkeköltségei nagyságrenddel alacsonyabbak, mint azoké. a második; az első állomás által elfoglalt terület 5-6-szor kisebb, mint a másodiké.
Mivel a napelemes erőművek működési ciklusa instabil, ezért természetesen felmerül a hidrogén felhalmozásának valamilyen módja annak érdekében, hogy az erőmű területén biztosítsák a fogyasztó éjszakai és felhős időben történő működését. Most a tudósok és mérnökök aktívan fejlesztenek különféle hidrogén akkumulátorokat. De szeretném felhívni a figyelmet a következőkre: az energia hidrogén formájában történő továbbításakor nagy keresztmetszetű és hosszú csővezetékeket használnak. E csővezetékek hálózata hidrogén tárolására használható. Így egy 1000 mm belső átmérőjű és 1500 km hosszú, 75 atm nyomáson lévő csővezeték mintegy 8000 tonna hidrogént tartalmaz, amely mintegy 8 GW összteljesítményű hőerőműveket használó erőművek működését tudja biztosítani. 24 órán belül.
Azon a tényen alapul, hogy a modern elektrolizátorok lehetővé teszik a hidrogén előállítását elegendő mennyiségben magas nyomások(100 atm-ig), akkor nincs szükség gázkompresszorra a gázvezeték elején. A fém-hidrid termikus szorpciós kompresszorok (MTSC) ajánlhatók fő nyomásfokozó kompresszor állomásként. Munkájuk azon alapul, hogy a fém-hidridek képesek alacsony hőmérsékleten hidrogént felvenni, közepesen magas hőmérsékleten pedig jelentős nyomáson hidrogént felvenni. Például 3 atm nyomáson és szobahőmérsékleten a mischmetal gyorsan felszívja a hidrogént, és amikor 250-260 ° C-ra melegítik, a hidrogén már körülbelül 100 atm nyomáson felszabadul. Az MTSC statikus készülékek, nincsenek mozgó alkatrészeik, teljesen tömítettek, ami biztosítja a magas biztonságot, megbízhatóságot és hatékonyságot.
Egyes amerikai államokban az átlagos éves napenergia-bevitel per négyzetméter 1500 kWh, i.e. egy 10 négyzetkilométer aktív területű, 70%-os CV-vel rendelkező naperőmű évente 10,5*10 9 kWh villamos energiát vagy mintegy 2,1 millió tonna hidrogént tud termelni. Az Egyesült Államok számára az úgynevezett „halál völgye” (évente 360 nap – napsütéses) ideális hely lehet egy naperőmű számára.
Közép-Oroszország esetében a napsugárzási energia négyzetméterenkénti éves átlagos bevétele egyes adatok szerint 500 kWh, i.e. ugyanaz az üzem évente 3,5*10 9 kWh villamos energiát vagy körülbelül 0,7 millió tonna hidrogént tud előállítani. Összehasonlításképpen a Kirovenergo JSC villamosenergia-termelése 2000-ben 3,56*10 9 kWh, az Omskenergo JSC - 6,198*10 9, az Ivenergo JSC - 1,352*10 9 volt.
Továbbá a naperőművekben előállított hidrogén vezetékrendszeren keresztül juthat el a fogyasztókhoz, akik felhasználhatják elektromos áram előállítására TEP-ekben, vagy közvetlenül - kémiai folyamatokban.
És a következtetés a projekt lehetséges finanszírozásáról. Az első, az állami, a légkörbe történő CO 2 -kibocsátásra vonatkozó kvóták egy részének értékesítése miatt (a közelmúltban a termelési volumen csökkenése miatt Oroszország ezeket a kvótákat nem használja ki teljes mértékben a Kiotói Jegyzőkönyvnek megfelelően) .
A második privát. A projekt megvalósításának első szakaszában (egyedi felhasználású kisméretű villamosenergia-rendszerek gyártása) egy hozzáértő befektető részletes gazdasági indoklás nélkül is láthatja ennek a termelésnek a magas jövedelmezőségét.
Szeretnék szerény reményt fűzni ahhoz, hogy Oroszország (beleértve a magánvállalkozásokat is) nem lép még egyszer ugyanarra a gereblyére - megtalálja a módját ennek a projektnek a szükséges összegben történő finanszírozására, és nem fogja még egyszer arra kényszeríteni a fejlesztőket, hogy eladják ezt a technológiát és a már fejlett országokban, ami után ezekben az országokban kénytelen lesz ilyen technológiát használó berendezéseket vásárolni, rendkívül magas áron.
Alapvető módszerek és az elektromos energia hővé alakításának módjai az alábbiak szerint vannak besorolva. Közvetlen és közvetett elektromos fűtés is van.
Nál nél közvetlen elektromos fűtés az elektromos energia átalakulása hőenergiává az elektromos áram közvetlenül egy fűtött testen vagy közegen (fém, víz, tej, talaj, stb.) keresztül való áthaladása következtében következik be. Nál nél indirekt elektromos fűtés az elektromos áram egy speciális fűtőberendezésen (fűtőelemen) halad át, amelyből hővezetés, konvekció vagy sugárzás útján hő kerül a felmelegített testbe vagy közegbe.
Az elektromos energia hőenergiává történő átalakításának többféle típusa létezik, amelyek meghatározzák módokon elektromos fűtés.
Az elektromosan vezető szilárd anyagokon vagy folyékony közegeken keresztül áramló elektromos áram hő felszabadulással jár. A Joule-Lenz törvény szerint a hőmennyiség Q \u003d I 2 Rt, ahol Q a hőmennyiség, J; I - silatoka, A; R a test vagy közeg ellenállása, Ohm; t - áram áramlási ideje, s.
Az ellenállásfűtés kontakt és elektróda módszerekkel is végrehajtható.
érintkezési mód Fémek melegítésére használják mind a közvetlen elektromos fűtés elve szerint, például elektromos érintkező hegesztőgépekben, mind a közvetett elektromos fűtés elve szerint - fűtőelemekben.
Elektróda módszer Nem fémes vezető anyagok és közegek melegítésére szolgál: víz, tej, zamatos takarmány, talaj stb. A melegítendő anyagot vagy közeget az elektródák közé helyezzük, amelyre váltakozó feszültséget kapcsolunk.
Az elektródák között az anyagon átfolyó elektromos áram felmelegíti azt. A közönséges (nem desztillált) víz elektromos áramot vezet, mivel mindig tartalmaz bizonyos mennyiségű sókat, lúgokat vagy savakat, amelyek ionokká disszociálnak, amelyek elektromos töltések, azaz elektromos áram hordozói. A tej és más folyadékok, talaj, zamatos takarmány stb. elektromos vezetőképességének jellege hasonló.
Az elektródák közvetlen melegítése csak váltakozó árammal történik, mivel az egyenáram a felmelegített anyag elektrolízisét és annak romlását okozza.
Elektromos ellenállásfűtés található széles körű alkalmazás a gyártásban egyszerűsége, megbízhatósága, sokoldalúsága és a fűtőberendezések alacsony költsége miatt.
Elektromos ívfűtés
BAN BEN elektromos ív, amely gáznemű közegben két elektróda között fordul elő, az elektromos energia hőenergiává alakul.
Az ív elindításához az áramforráshoz csatlakoztatott elektródákat egy pillanatig megérinti, majd lassan elmozdítja egymástól. Az érintkező ellenállását az elektródák hígításának pillanatában erősen felmelegíti a rajta áthaladó áram. A fémben folyamatosan mozgó szabad elektronok az elektródák érintkezési pontján a hőmérséklet növekedésével felgyorsítják mozgásukat.
A hőmérséklet emelkedésével a szabad elektronok sebessége annyira megnő, hogy elszakadnak az elektródák fémétől és kirepülnek a levegőbe. Mozgásuk során levegőmolekulákkal ütköznek, és azokat pozitív és negatív töltésű ionokra osztják. Az elektródák közötti légtér ionizálódik, ami elektromosan vezetővé válik.
A forrásfeszültség hatására a pozitív ionok a negatív pólusra (katódra), a negatív ionok pedig a pozitív pólusra (anódra) rohannak, ezáltal hosszú kisülést - elektromos ívet képeznek, amelyet hőképződés kísér. Az ív hőmérséklete nem azonos a különböző részein, és fémelektródákkal van: a katódon - körülbelül 2400 ° C, az anódon - körülbelül 2600 ° C, az ív közepén - körülbelül 6000 - 7000 ° C .
Közvetlen és közvetett elektromos ívfűtés van. Fő gyakorlati használat közvetlen ívfűtést talál az elektromos ívhegesztő berendezésekben. A közvetett fűtési rendszerekben az ívet használják erős forrás infravörös sugarak.
Ha egy fémdarabot váltakozó mágneses térbe helyezünk, akkor egy e változó indukálódik benne. d.s., amelynek hatására örvényáramok keletkeznek a fémben. Ezen áramok áthaladása a fémben felmelegszik. A fém melegítésének ezt a módját indukciónak nevezik. Egyesek készüléke indukciós fűtőtestek a felülethatás jelenségének és a közelség hatásának felhasználása alapján.
Az indukciós fűtéshez ipari (50 Hz) és nagyfrekvenciás (8-10 kHz, 70-500 kHz) áramokat használnak. A legelterjedtebb a fémtestek (alkatrészek, nyersdarabok) indukciós melegítése a gépészetben és a berendezések javításában, valamint edzésre. fém alkatrészek. Az indukciós módszer víz, talaj, beton melegítésére és tej pasztőrözésére is használható.
Dielektromos fűtés
A dielektromos fűtés fizikai lényege a következő. BAN BEN szilárd anyagokés a rossz elektromos vezetőképességű folyékony közegek (dielektrikumok) gyorsan változó elektromos térbe helyezve az elektromos energiát hőenergiává alakítják.
Minden dielektrikumban vannak intermolekuláris erők által megkötött elektromos töltések. Ezeket a töltéseket kötöttnek nevezzük, szemben a vezető anyagok szabad töltéseivel. Az elektromos tér hatására a kötött töltések a tér irányába orientálódnak vagy elmozdulnak. A kötött töltések elmozdulását külső elektromos tér hatására polarizációnak nevezzük.
A váltakozó elektromos térben a töltések, következésképpen a molekulák közötti intermolekuláris erők által társított molekulák folyamatos mozgása zajlik. A forrás által a nem vezető anyagok molekuláinak polarizációjára fordított energia hő formájában szabadul fel. Egyes nem vezető anyagokban kis mennyiségű szabad töltés van, amelyek elektromos mező hatására kis mennyiségű vezetési áramot hoznak létre, ami hozzájárul az anyagban lévő további hő felszabadulásához.
A dielektromos melegítés során a felmelegítendő anyagot fémelektródák - kondenzátorlapok közé helyezik, amelyekre egy speciális nagyfrekvenciás generátor nagyfrekvenciás feszültséget (0,5 - 20 MHz és magasabb) táplál. A dielektromos fűtőmű nagyfrekvenciás lámpagenerátorból, teljesítménytranszformátorból és szárítógép elektródákkal.
A nagyfrekvenciás dielektromos hevítés ígéretes fűtési módszer, főként fa, papír, élelmiszerek és takarmányok szárítására és hőkezelésére (gabona, zöldségek és gyümölcsök szárítására), tej pasztőrözésére és sterilizálására stb.
Elektronsugaras (elektronikus) fűtés
Amikor egy elektromos térben felgyorsult elektronáram (elektronsugár) találkozik egy felhevült testtel, az elektromos energia hőenergiává alakul. Az elektronikus fűtés jellemzője az energiakoncentráció nagy sűrűsége, amely 5x10 8 kW/cm2, ami több ezerszerese az elektromos ívfűtésnél. Az elektronikus fűtést az iparban nagyon kis alkatrészek hegesztésére és ultratiszta fémek olvasztására használják.
Az elektromos fűtés figyelembe vett módszerei mellett a gyártásban és a mindennapi életben is használják. infravörös fűtés(sugárzás).
Mint tudják, minden test molekulákból áll, és ezek a molekulák nem nyugszanak, hanem folyamatosan mozognak. Minél magasabb a test hőmérséklete, annál gyorsabban mozognak a test anyagának molekulái. Amikor elektromos áram halad át egy vezetőn, az elektronok ütköznek a vezető mozgó molekuláival, és megnövelik mozgásukat, ami a vezető felmelegedéséhez vezet.
A vezető hőmérsékletének emelkedése az elektromos energia hőenergiává történő átalakítása következtében következik be. Korábban (lásd a 13. §-t) kaptak egy kifejezést az elektromos áram (elektromos energia) munkájára.
A \u003d I 2 rt joule.
Ezt a kapcsolatot kezdetben (1841-ben) Joule angol fizikus, majd valamivel később (1844-ben) önállóan az orosz akadémikus, Lenz hozta létre.
Annak érdekében, hogy a kapott hőenergia mennyiségét kalóriában fejezzük ki, további 0,24-es tényezőt kell megadni, mivel 1 J = 0,24 cal. Ekkor Q = 0,24I 2 rt. Ez az egyenlet a Joule-Lenz törvényt fejezi ki.
Emily Khristianovics Lenz (1804-1865) megállapította az áram termikus hatásának törvényeit, általánosított kísérleteket végzett az elektromágneses indukcióval, és ezt az általánosítást "Lenz-szabály" formájában fogalmazta meg. Lenz az elektromos gépek elméletéről írt írásaiban leírta az "armatúra reakció" jelenségét a gépekben egyenáram, bebizonyította az elektromos gépek megfordíthatóságának elvét. Lenz Jacobival együttműködve megvizsgálta az elektromágnesek vonzási erejét, és megállapította a mágneses momentum függését a mágnesező erőtől.
Így a vezetőn áthaladó áram által termelt hőmennyiség magának a vezetőnek az ellenállásától, az I 2 áram négyzetétől és a t áthaladásának időtartamától függ.
1. példa. Határozza meg, mennyi hőt szabadít fel egy 6 A-es áram, amely 3 percig 2 ohm ellenállású vezetőn halad át.
Q \u003d I 2 rt \u003d 36 ⋅ 2 ⋅ 180 \u003d 12960 J.
A Joule-Lenz törvény képlete a következőképpen írható fel.
Ebben a témában azt javaslom, hogy találja meg a legtöbbet legjobb lehetőség házi készítésű készülék hőt elektromos energiává alakítani.
Tapasztalataimból a következőket mondom:
3 fő lehetőség van:
1. Gőzdugattyús motor
2. Gőzturbina
3. Stirling
4. Peltier modulokRengeteg anyag lapátolása, YouTube-ról készült házi videók megtekintése után arra a következtetésre jutottam, hogy a legoptimálisabbak és hosszú erőforrással a soros Peltier modulokra épülő konverterek.
(bár korábban más véleményem volt, és azt mondtam, hogy mindez a világ olajösszeesküvőinek machinációja)Röviden szólok:
1. Sorozatmotorból készíthető a kipufogó bemeneti vezérműtengely módosításával. Nem nehéz nagy teljesítményt szerezni. Kenési problémák vannak.
2. A dugattyús motornál jobb és könnyebben gyártható gőzturbina élettartama hosszabb, a javítás elsősorban a csapágyak cseréjére vonatkozik. Készülhet soros autóturbinából, vagy megmunkálható egy Tesla turbina. youtube-on láttam rögtönzött telepítések körülbelül 1 kilowatt teljesítménnyel már a generátor kimenetén. Nyilvánvaló, hogy egy ilyen gőzteljesítményhez egy turbinának sokkal többre van szüksége, mint ami egy vízforralóból származik.
****
Általában a gőzüzemekhez:
A gőzkazán erősen robbanásveszélyes. De csinálhatsz gőzfejlesztőt csövekre, akkor nem olyan veszélyes. Nehézségek vannak a visszaforgatással, radiátorra vagy hőcserélőre van szükség az otthoni fűtési rendszerhez és olyan szivattyúra, amely a párologtatóba hűtött gőzt vagy már vizet pumpál a párologtatóba gőztermelés céljából. Nem teljesen világos, hol lehet beszerezni ezt a szivattyút, mert. vissza kell pumpálnia a gőzfejlesztőbe, nagy nyomás alatt, a turbinákban egy kis centrifugált raknak a tengelyre.Magának a gőzfejlesztőnek a hőforrásnak állíthatónak kell lennie, teljesítménye a megadott határok között kell, hogy legyen, és 100 C alatti hulladékhő természetesen nem használható. Folyamatosan figyelni kell műszaki állapot gőzfejlesztő, hogy a korrózió ne „zabálja fel”, hogy a túlhevített gőzzel rendelkező cső sehol se szakadjon le, álljon elő védelemmel és így tovább ...
****3. Stirling, egyszerűsége ellenére még mindig véglegesítés alatt, és egy rakás átdolgozott konzervmotor, pár óra alatt összegyűjtve a YouTube-on.
Saját tapasztalatból mondom: Stirlinget csinálni hálátlan munka. Gyakorlatilag ANNYIRA nehéznek bizonyult ezt a motort megcsinálni, sok anyag kell hozzá, különböző mechanizmusokból származó sorozatalkatrészek, nem igazán passzolnak... A tömítettségével vannak gondok, mert. Nem csinálok olyat, hogy pár órát szépen pörögjön, aztán eltörje az összes perselyt. Röviden: nehéz és nehéz.
Az interneten talált kész keverőgenerátorok közül elég nagyméretű és nehezen gyártható eszközöket láttam, nagyszámú dörzsölő elemmel (és ezért rövid élettartamúak). A hatalmuk kb
0,045 - 2 vatta!, és a méret a rendszeregység fele lett (valakinek tetszik). Azok. nehéz és nem hatékony. A + baglyokból kalóriaszegény hő hasznosítható, készíthető belőle konzervdobozok, lufi, és mutasd meg a gyerekeknek, annyi lehetőség van. Nos, nem olyan veszélyes, mint a gőzüzemek, bár a zsír nagy nyomáson és hőmérsékleten felrobbanhat (kibomlik), ezt is figyelembe kell venni.4. Peltier. Könnyen lehet ezek alapján Termoelektromos Generátort készíteni, pl. radiátorokra faragunk, vagy bármire, és eltávolítjuk az áramot. A zökkenőmentes hőmérséklet-emelkedés és a hőmérsékleti viszonyok betartása mellett az ilyen típusú konverterek erőforrását a legnagyobbnak tartom a felsorolt telepítések közül. Alacsony kalóriatartalmú hő hasznosítható. A YouTube-videók szerint a peltierek teljesítményét tekintve egyértelműen felülmúlják a házi sterlinget. De messze vannak a gőzturbináktól, 1 kW-ra egy darab meglehetősen lenyűgöző méretű és árú.
A legfontosabb, hogy nem kell a cryotherm oldalakat nézegetni, ugyanúgy árat kérnek, mint a nem hazaiak, néha arra gondolok, hogy általában halkan ragasztják a márkás matricáikat a kínai modulokra. Röviden, például Ukrajnában a kínai TEC1-12710 modul 70 grammba kerül (körülbelül 9 dollár), az Ebay-en általában ugyanazokat a modulokat láttam 1 dollárért, de nem értettem, hogyan kell fizetni értük, mondja meg, ki tudja és tényleg az interneten vásároltam, kérem. Egyszóval 70 gr, megvan, már rendeltem párat, NG után hozzák, kísérletezek.
Az elektromos energia hő- vagy elektromos fűtéssé alakításának négy fő fajtája van, amelyek szerint osztályozzák az ipari elektromos kemencéket; 1) elektromos fűtés ellenálláson keresztül; 2) elektromos ívfűtés; 3) vegyes elektromos fűtés; 4) indukciós fűtés.
A kohászati kemencék elektromos fűtése jelentős előnyökkel rendelkezik a széntartalmú tüzelőanyagok elégetésével történő fűtéssel szemben: nagyon magas hőmérséklet elérése akár 3000 ° C-ig, magas hőmérsékletű zónák koncentrációjával a kemencék munkaterének bizonyos szakaszaiban; a hőmérséklet értékének és eloszlásának szabályozásának egyszerűsége és simasága a munkatérben; a munkaterület tisztasága és a hamuval, kénnel, gázokkal és különféle szennyeződésekkel való szennyeződés elkerülésének képessége: alacsony fémveszteség salakkal, porral, gázokkal és hulladékkal; magas termikus hatásfok, eléri a 70-85% -ot; kis mennyiségű gáz és por; komplex gépesítés és automatizálás lehetősége; a munkahelyek kultúrája és tisztasága; bármilyen gázközeg és vákuum használatának képessége.
Az elektromos fűtés hátrányai a következők: magas villamosenergia-fogyasztás, jelentősen meghaladja a gazdaság más ágazataiban a fogyasztást, valamint bizonyos típusú elektromos kemencék esetében a termelékenység és a teljesítmény korlátozása. A jövőben az erőművek kapacitásának és számának növekedése, a villamos energia költségének csökkenése, valamint az elektromos kemencék teljesítményének és termelékenységének növekedése miatt a felsorolt hátrányok jelentőségét vesztik.
A P háromfázisú elektromos kemence teljes aktív vagy watt teljesítményét a képlet határozza meg
Elektromos fűtés ellenálláson keresztül
Ennek az elektromos fűtésnek több fajtája van. A hőleadás módja szerint megkülönböztetünk közvetett és közvetlen fűtést; legmagasabb érték a kemencetechnikában való elosztás pedig közvetett fűtéssel rendelkezik, melynek jellemzője, hogy speciális fűtőelemekben (ellenállásokban) adják ki a hőt és azokból hőátadással adják át a feldolgozandó anyagnak. A kemencék munkaterének hőmérséklete szerint megkülönböztetik a fűtést; alacsony hőmérséklet 100-700°, közepes hőmérséklet 700-1200° és magas hőmérséklet 1200-2000°.
Alacsony hőmérsékletű fűtésnél nagy jelentősége van a fűtőtest és az anyag közötti hőcserének a konvekció révén, amelyet minden lehetséges módon fokoz a kemencékben nagy gáz- vagy levegősebességű kényszerkeringés. Közepes és magas hőmérsékletű fűtés során, különösen annak hiányában kényszerkeringés gázok, a fő hőmennyiség sugárzással kerül a fűtőtestekből a feldolgozott anyagokba. Az elektromos ellenállású kemencéknél a magas hőmérsékletű fűtés csak korlátozott értékű.
Az elektromos ellenállásfűtés a legnagyobb alkalmazási területet az anyagok szárítására és égetésére, fémek és ötvözetek melegítésére és hőkezelésére, alacsony olvadáspontú fémek - ón, ólom, cink, alumínium, magnézium és ötvözeteik - olvasztására, valamint laboratóriumi ill. háztartási szükségletek. Mert azonban at közvetett fűtés a fűtőelemek mérete megnő, elhelyezésük a kemence munkaterében nehézkesnek bizonyul, az elektromos ellenállású kemencék teljesítményének felső határa 600-2000 kW-ra korlátozódik.
Az elektromos energia hőenergiává történő átalakításának normál lefolyásához és a hosszú távú stabil működéshez a fűtőelemeknek a következő tulajdonságokkal kell rendelkezniük: keresztmetszet elemek és korlátozott hosszúságuk; kis elektromos hőmérsékleti együttható, amely korlátozza a fűtött és hideg fűtőberendezés elektromos ellenállásának különbségét, állandóságát elektromos tulajdonságok időben; hőállóság és oxidációmentesség; hőállóság, azaz elegendő mechanikai szilárdság magas hőmérsékleten; a lineáris méretek állandósága; az anyag jó megmunkálhatósága (hegeszthetőség, alakíthatóság stb.). Ezeknek a követelményeknek a legjobban a nikkel, króm, vas (nikróm, fekrális és hőálló acél) ötvözetei felelnek meg az ellenállásos elektromos kemencékben huzal vagy szalag formájában, valamint a széntartalmú anyagok, amelyeket szén, grafit vagy karborundum rudak formájában használnak. .
A fűtőelemek méreteinek meghatározása tudományosan alátámasztható két, a fűtőtestek működésének lényegét leíró alapegyenlet - a teljesítményegyenlet és a hőátadási egyenlet - együttes megoldásával. Mert a fűtőelem az szerves része elektromos célra, majd megszerezni szükséges teljesítmény bizonyos mérettel és ellenállással kell rendelkeznie. Másrészt az elektromos átalakítás eredményeként a fűtőelembe beérkező összes hőenergiát hőátadással át kell adni a feldolgozott anyagoknak és a kemence bélésnek, amihez bizonyos felület, hőmérséklet és hőátadás szükséges. együttható. Ha a fűtőelem hőátadása nem felel meg a benne fellépő hőleadásnak, az elem túlmelegszik, és hőmérséklete meghaladhatja az anyagra megengedett határértékeket, ami a fűtőelem tönkremeneteléhez vezet.
A tetszőleges alakú és anyagú fűtőelemek teljesítményegyenletének megoldása alapján az általános képletet levezetjük
A fűtőtest méreteinek kiszámításakor a w értékének pontosan meg kell felelnie a fajlagos hőátadásának, amelyet a megfelelő hőátadási egyenlet megoldásával találhatunk meg a fűtőtestre, falazatra és A.D. anyagra. Svenchansky elemezte a különböző valós fűtőtestek hőátadási viszonyait, és grafikonokat és táblázatokat állított össze, amelyek segítségével meg lehet találni w értékét.
Ív elektromos fűtés
Ezt a típusú elektromos fűtést magas hőmérsékleten használják elektromos sütők nagy teljesítményű főleg olvasztásra különféle anyagok. Ha az ív ég az elektróda és a kemencében feldolgozott anyag között, akkor az ilyen kemencéket közvetlen hatású kemencéknek nevezzük, amelyeknek függő íve van: nyitott - látható (20. ábra, a) vagy zárt - töltésrétegbe merített láthatatlan ív vagy megolvad (20. ábra, b ). Ha az ív az elektródák között ég, és közvetlenül nem érintkezik a kemencében feldolgozott anyagokkal, termékekkel, akkor az ilyen kemencéket független ívű indirekt kemencéknek nevezzük (20. ábra, c). A közvetlen hatású ívkemencék, különösen a zárt ívűek, rendelkeznek a legnagyobb hőhatékonysággal, mivel ezekben a legjobb feltételek vannak az ív és az anyag közötti hőcseréhez, ami lehetővé teszi az anyag gyors és korlátozott hőveszteséggel történő melegítését. nagyon magas hőmérséklet. magas hőmérsékletű.
A közvetlen hatású ívkemencéket legszélesebb körben acél és vasötvözetek olvasztására, réz és nikkel olvasztására és finomítására, valamint különféle érc nyersanyagok feldolgozására használják. Fémek vagy nagy (fémes) elektromos vezetőképességű ötvözetek olvasztásakor csak az anyag felületén égő nyílt ívvel dolgozhat, mivel az elektródák anyagrétegbe való bemerítése rövidzárlathoz vezet. A zárt ívű működés akkor lehetséges, ha a feldolgozott anyagok és termékek korlátozott (nem fémes) elektromos vezetőképességgel rendelkeznek. A közvetett ívkemencéket olyan esetekben használják, amikor a feldolgozott anyag érintkezése az ívvel rontja a termékek minőségét vagy növeli a veszteségeket, például egyes színesfémek és ötvözetek (sárgaréz, bronz stb.) olvasztásakor. Hangsúlyozni kell, hogy az elektromos ívfűtés az ellenállásfűtéssel ellentétben nem korlátozza a kemencék teljes teljesítményét.
Az íves elektromos fűtés az elektromos áram hővé alakításának folyamatából áll, amely égő ívben megy végbe, valamint az ív, az anyag és a bélés közötti hőcsere folyamatából. Az első folyamat szabályszerűségeinek leírása az úgynevezett ívelmélet, és különösen az ívelmélet tárgya. váltakozó áram nagy teljesítményű. Az ívelmélet fejlesztéséhez jelentős mértékben hozzájárult V.V. Petrov, V.F. Mitkevich, S.I. Telny, I.T. Zherdev, K.K. Khrenov, G.A. Sisoyan és mások. D.A. Diomidovszkij, N.V. Okorokov és mások.
Elektromos ív egyen- és váltakozó árammal is előállítható, de általában minden ipari kemence váltakozó árammal működik. Stabil ívképzéshez és áramlökések korlátozásához a vele sorba kapcsolt rövidzárlatok során elektromos áramkör be van kapcsolva egy induktív reaktancia, amely az aktív teljesítmény kis hányadát veszi fel. Váltóárammal minden félperiódus alatt a hálózati feszültség és az áramerősség eléri a maximumot és átmegy nullán. ábrán. A 21. ábra az Id és Ud áram- és ívfeszültség pillanatnyi értékének, valamint az Uist tápforrás feszültségének elméleti görbéit mutatja. Amikor a forrásfeszültség a nullapont átlépése után emelkedni kezd, az ív csak az U1 gyújtási feszültség elérésekor gyullad meg. Ettől a pillanattól kezdve áram jelenik meg az áramkörben, amely a szinuszostól eltérő periodikus görbén növekszik. Az ív a csillapítási feszültségnél kialszik, azaz mielőtt a forrásfeszültség átlépi a nullát, és ebben a pillanatban az áram leáll. A nullán való áthaladás után az összes leírt jelenség megismétlődik. Így az ívben az áram szaggatott, és az ív meggyullad, majd kialszik. Az ívégetés megszakításainak időtartama számos tényezőtől függ, különösen az elektródák anyagától, a kemencetér fűtési fokától stb. Nyilvánvaló, hogy a szakaszos ív csökkenti az ívfűtés hatékonyságát, és ezért biztosítására feltételeket kell teremteni folyamatos égés AC ívek. A váltakozó áramú ív folyamatos égetésének fő eszköze az induktív ellenállási ív soros beépítése az áramkörbe, amint az a 2. ábrán látható. 21b és c.
Az áramkörben aktív és induktív ellenállással rendelkező váltakozó áramú ív differenciálegyenletének tanulmányozása meghatározta az induktív X és az aktív R ellenállások értékének arányát, amely biztosítja a folyamatos ívégetést adott forrásfeszültségeken Uist és ív Ud (22. ábra).
Az ívfűtés hatékonysága nagymértékben függ attól elektromos üzemmódégő ív, és mindenekelőtt a feszültség és az áram értékei.
Jelenleg még nem készült tudományosan megalapozott módszer az ívkemencék táplálására szolgáló legelőnyösebb feszültség meghatározására. Ezért a feszültséget a gyári gyakorlat szerint 100 és 600 V között választják meg, a nagy teljesítményű ívkemencéknél és a zárt ívkemencéknél általában nagyobb feszültséget fogadnak el. Az Ulin maximális üzemi feszültség és a kemence Рnom névleges teljesítménye közötti összefüggést általában az empirikus képlettel fejezik ki
ahol k és n empirikus együtthatók, amelyek különböző értékekkel rendelkeznek a kemence típusától és a folyamat természetétől függően. Például ívacél olvasztó kemencéknél k = 15; n = 0,33. A megnövelt feszültséggel való munkavégzés racionálisabb, mivel csökkenti a teljesítményveszteséget és növeli az ív hosszát és hősugárzását. A felső feszültséghatár (600 V) elsősorban a kemence elektromos szigetelésének körülményeiből és a kezelőszemélyzet biztonságából adódik.
A feszültségérték meghatározása után az ívfűtéssel rendelkező elektromos kemence elektromos üzemmódjának egyéb mutatói - az optimális áramerősség, cos φ és hatásfok - a teljesítményjellemzők szerint történik. Az ívkemencék működési jellemzőit kördiagramok készítésével találjuk meg: a meglévő gyári kemencéknél a természetből, az újonnan tervezett kemencéknél - számított adatok szerint.
Az ívfűtés elmélete és az ívkemencék számítása szempontjából nagy jelentősége van az égő ív és a kemencében feldolgozott anyagok közötti hőcsere folyamatának. Az ívkemencék munkaterében a hőátadás elmélete azonban még fejlesztés alatt áll. kezdeti szakaszban fejlesztését, és további mélyreható fejlesztést igényel.
Vegyes elektromos fűtés
Ez a fűtési mód, amely az elektromos ívben és a töltőréteg ellenállásában vagy az olvadékokban fellépő közös hőleadás eredménye, elsődleges fontosságú a vasötvözetek, öntöttvas és érc nyersanyagokat és félig feldolgozó érc-termikus kemencéknél. -a színesfémkohászat és a vegyipar termékei.
a legnehezebb esetben az íven és a töltésrétegeken áthaladó elektromos áram, salak- és fémrétegekké alakul át hőenergia Qarc, Qcharge, Qslag, Q fém, kemence Rtot a felsorolt hőleadások összege. Mindezen hőkibocsátások kiszámításának fő sémáját és kapcsolatukat az érctermikus kemencék kandallójának geometriájával egykor a szerző ismertette, de a hőkibocsátások pontos kiszámításához még mindig nagyon kevés adat áll rendelkezésre termikus jellemzőívek, a töltés és az olvadékok elektromos ellenállása, a vezető szakaszok alakja és mérete stb. Ennek megfelelően a szerző által az érc-termikus elektromos kemencék számítási módszere továbbra is tájékoztató jellegű, és korlátozottan alkalmazható.
Színeskohászathoz, bemerített elektródákkal működő érctermikus kemencékhez vékony réteg salak, amelyben vegyes elektromos fűtés történik, amely két fő komponensből áll: Qarc és Qslag.
KISASSZONY. Maksimenko azt javasolta, hogy az összes elektrotermikus folyamatot két fő csoportra osztsák; 1) olyan folyamatok, amelyekben a p ívben elnyelt energia részaránya nagyobb, mint a töltésben elnyelt és megolvadó energia részaránya 2) olyan folyamatok, amelyekben p
Indukciós elektromos fűtés
Az indukciós elektromos fűtés a transzformátor elve szerint történik, amelyben a szekunder tekercs zárva van. magát, aminek következtében az indukált elektromos áram hőenergiává alakul. A szekunder tekercs szerepét általában maga a felmelegített anyag tölti be. A primer tekercsbe (induktor) betáplált elektromos energia összetett átmenetet hajt végre egy gyorsan változó mágneses tér energiájává, amely viszont ismét a szekunder áramkörbe áramlik át elektromos energiává, amely itt alakul át a mágneses ellenállás ellenállása miatt. áramkör hőenergiává. Ha a hevítendő anyag ferromágneses, akkor a váltakozó mágneses tér energiájának egy része közvetlenül hőenergiává alakul anélkül, hogy elektromos energiává alakulna át.
A technológiában legelterjedtebb az indukciós kemencék két típusa: 1) vasmagos kemencék; 2) mag nélküli kemencék - nagyfrekvenciás.
A vasmagos kemencék rendelkeznek kördiagramm(23. ábra, a), hasonlóan a hagyományos transzformátor áramköréhez, amelyben a primer tekercs vasmagra van felszerelve, a szekunder tekercset pedig olvadt fém zárt gyűrűje képviseli, azaz a terheléssel kombinálva. Az erőteljes keringés hatására a gyűrűs csatornában felhevült fém felemelkedik munkaterület kemencében, és az ott található keverékkel érintkezve felmelegíti és megolvasztja.
Sémájuk szerint a mag nélküli kemencék egy légtranszformátort képviselnek (23. ábra, b), amelynek primer tekercse egy réz tekercs - egy induktor, a szekunder pedig maga a fémtöltet, amelyet a tégelybe töltenek.
Az indukált elektromotoros erő effektív értéke E. in függ az Fm, wb hasznos mágneses fluxus amplitúdóértékétől, a váltakozó áram frekvenciájától f, per/sec, a w tekercs fordulatszámától, és a képlettel fejezzük ki.
A vasmagos kemencékben az érték meglehetősen nagy a hasznos mágneses fluxus magban való koncentrációja miatt, a mag nélküli kemencékben pedig kicsi az érték a nagy mágneses disszipáció miatt. Ennek eredményeként a vasmagos indukciós kemencékben az E elektromotoros erő szükséges értéke könnyen elérhető normál és csökkentett frekvenciájú váltakozó áramon (f Az indukciós fűtés fő előnyei a következők: hőleadás közvetlenül a tömegben a fűtött anyag, amely csökkenti a hőcserélő folyamatok szerepét, egyenletesebb melegítést biztosít az anyagnak és jelentősen növeli az indukciós kemencék hőhatékonyságát; a kemencék munkaterének kivételes tisztasága (a tüzelőanyag égéséből származó szennyező termékek hiánya miatt fűtőelemek és elektródák anyagai), amely lehetővé teszi nagy tisztaságú fémek és ötvözetek előállítását; a kemencék munkaterének teljes elszigetelését a környező levegőtől és az olvasztást vákuumban vagy gázvédő atmoszférában; nagyon magas hőmérséklet elérésének lehetősége, amelyet csak a fűtött anyag és a tűzálló falazat tulajdonságai korlátoznak; az olvadékok erőteljes keveredése elektromágneses és hőáramokkal, ami lehetővé teszi egyenletes ötvözetek előállítását kémiai összetétel; az indukciós kemencék nagy fajlagos termelékenysége; magas melegítési és olvadási sebesség; kis fémveszteség a hulladékból; a kemenceegységek magas műszaki kultúrája, por és gázok hiánya.
Az indukciós fűtés hátrányai a következők: csökkentett teljesítménytényező, mivel vasmagos kemencéknél cos φ = 0,3 / 0,8 és mag nélküli kemencéknél cos φ = 0,03 / 0,1; az indukciós kemencék korlátozott mérete, teljesítménye és kapacitása más egységekhez képest; a mag nélküli kemencék elektromos berendezéseinek összetettsége, amelyek speciális nagyfrekvenciás váltóáram-forrásokat és nagy kondenzátortelepeket igényelnek; a vasmagos kemencecsatornák és a mag nélküli kemencék tégelyeinek bélésének korlátozott tartóssága: alacsony salakfűtési hőmérséklet.
Az indukciós fűtés előnyei széleskörű elterjedéséhez vezettek. A vasmagos indukciós kemencék jelenleg a nemvasfémek olvasztásának és öntésének, valamint a színesfémötvözetek előállításának fő berendezései. A mag nélküli indukciós kemencéket színes- és nemesfémek olvasztására, valamint kiváló minőségű acélöntvények előállítására használják. A réz, nikkel és cink kohászatában indukciós kemencéket is használnak, amelyek a végső szakaszban működnek. Az indukciós fűtést széles körben használják gépgyártó üzemek különböző fém nyersdarabok és termékek hőkezelése során.
A vasmagos indukciós kemencék elmélete az egyfázisú kéttekercses vasmagos transzformátor elméletén alapul. A hagyományos transzformátor és a vasmagos indukciós kemence között az a különbség, hogy a transzformátor szekunder tekercseléssel és fogyasztási hálózattal (terheléssel) rendelkezik egymástól jelentős távolságra, az indukciós kemencében pedig a szekunder tekercs kombinálódik a terheléssel. és egy olvadt fémgyűrű képviseli.
A Ppr átalakított teljesítmény az I2 szekunder árammal és a fém tényleges aktív ellenállásával az r2 csatornában a következő képlettel fejezhető ki.
Az induktorban elveszett teljesítmény ( elektromos veszteségek) Rel, az I1 primer áramban és az induktor tekercs tényleges aktív ellenállásában kifejezve
A P vasmagos indukciós kemence teljes aktív (watt) teljesítménye lesz
A vasmag nélküli indukciós kemencék elméletében ezeket a kemencéket légtranszformátoroknak tekintik, amelyekben a zárt vas mágneses kör hiánya miatt a mágneses fluxusok áthaladnak a feldolgozott keveréken és a levegőn.
Az f tekercset tápláló váltóáram frekvenciája az indukciós kemence kapacitásától (teljesítményétől) és a feldolgozott p2 töltés fajlagos ellenállásától függ. Tanulmányok azt mutatják, hogy minél nagyobb a kemence kapacitása és méretei, különösen a töltet átmérője d, cm, és annál kisebb ellenállás olvadt fém p2. ohm/cm3, minél kisebb a minimális frekvencia fmin, Hz; ezt a függőséget a képlet fejezi ki
Minden kemence kapacitása és ellenállása megfelel egy bizonyos optimális frekvencia tápáram, amelynél a kemence hatásfoka eléri a lehetséges maximális értéket. A nagy kapacitású (teljesítményű) mag nélküli kemencéknél csökkentett frekvenciájú váltakozó áramot lehetett használni, egészen a normál 50 Hz-ig.
A mag nélküli kemence Pa aktív teljesítménye a töltésben átalakított teljesítményből és az induktorban elvesztett teljesítményből áll, és a képlettel fejezzük ki
A tüzelőanyag elégetésének és a villamos energia hőenergiává alakításának folyamatainak törvényszerűségei alapján a következőket leginkább fontos feladatokat a kohászati kemencék elméletéről, működéséről és tervezéséről:
a) kemencefűtési rendszer kiválasztása (széntartalmú tüzelőanyag vagy villamos energia);
b) a tüzelőanyag típusának és minőségének, valamint égési rendszerének kiválasztása;
c) a villamos energia paramétereinek és a hőenergiává történő átalakításának rendszerének megválasztása;
d) tüzelőanyag égési folyamatok számítása;
e) tüzelőberendezések kiválasztása és számítása;
f) elektromos kemencék számítása, tervezése.
