Электр энергиясын жылуға айналдыру және жылу алмасуды құру әдісі

Электр энергиясын өндіруге мүмкіндік беретін көптеген құрылғылардың ішінде жылу энергиясын электр энергиясына айналдыруға мүмкіндік беретін құрылғылар ерекше орын алады. Олардың негізгі міндеті - әр түрлі аралық буындардың ең аз саны бар энергияның бір түрін екіншісіне тікелей түрлендіру. Бұл ретте коэффициентті арттыру мәселесі шешіледі пайдалы әрекетосы процестің.

Түрлендіргіш құрылғы

Түрлендіргіш құрылғы қыздырылған элементтерден және тұрады электр энергиясы. Қыздырылған элементтерді жасау үшін жұмсақ магнитті материал қолданылады, оның Кюри нүктесі төмендетіледі. Ол қыздырғанда магниттік қасиетін жоғалтады және фазалық ауысуға ұшырайды.

Бұл элементтер F әрпі түріндегі магнит тізбегіне кіреді. Оның бір ортаңғы және екі бүйір өзегі бар. Бүйірлік өзектер екі элементтен тұрады, олардың арасында ауа саңылаулары бар. Олар ортаңғы штангаға іргелес және оған қатысты екі жағында симметриялы орналасқан.

Қыздырылған элементтер қатты штанганың көмегімен қосылады. Ол симметрия осі бойымен ортаңғы штанганың шетінде орналасқан топсаға орнатылады. Штанга өз орнын өзгерткен кезде қыздырылған элементтер бүйірлік өзекшелердің ауа саңылауларын кезекпен көпірлейді. Ауа саңылауларында жылу құбыры бар, ол арқылы жылу қыздырғыштан беріледі. Ауа саңылауларының көпірлері болмаса, қыздырылған элементтер салқындатқышпен жанасады. Ортаңғы штангада тұрақты токпен қоректенетін қоздыру орамасы бар, генератордың генерациялайтын орамдары бүйірлік өзектерде орналасқан;

Түрлендіргіштің практикалық жұмысы

Жылу энергиясын электр энергиясына айналдыру белгілі бір схема бойынша жүзеге асырылады. Орамға қуат бергенде, магнит ағыны пайда болады, ол бүйірлік өзектер бойымен ауытқиды. Қозғалыс элементі бүйірлік штангаға тартылып, қажетті ауа аралығын жабады. Магнит ағыны артады, ал қыздырылған элемент жылу өткізгіштің әсерінен болады. Ол магниттік қасиеттердің жоғалуы орын алатын белгілі бір температураға дейін қызады.

Қозғалыс элементі саңылауға тартылады және бүйірлік шыбықтың магниттік тізбегі жабылады, осылайша, бүйірлік өзекшелердің бірінде магнит өрісі артады, ал екіншісінде ол азаяды. Бұл процесс бірнеше рет қайталанады. Барлық осы әрекеттердің түпкі нәтижесі. Оның мөлшері мен қуаты толығымен жылу мен салқындату жылдамдығына байланысты. Бұл бүкіл жүйенің тиімділігіне де жауап береді.

Физикалық ток көздері

Өздеріңіз білетіндей, барлық денелер молекулалардан тұрады және бұл молекулалар тыныштықта емес, үнемі қозғалыста болады. Дене температурасы неғұрлым жоғары болса, соғұрлым жылдамырақ қозғалысосы дененің затының молекулалары. Өтіп бара жатқанда электр тогыӨткізгіштің бойымен электрондар өткізгіштің қозғалатын молекулаларымен соқтығысады және олардың қозғалысын арттырады, бұл өткізгіштің қызуына әкеледі.

Өткізгіштің температурасының жоғарылауы электр энергиясын жылу энергиясына айналдыру нәтижесінде пайда болады. Бұрын (§ 13-ті қараңыз) электр тогының жұмысы үшін өрнек алынған болатын (электр энергиясы)

A = I 2 рт Джоуль.

Бұл тәуелділікті алғашында (1841 жылы) ағылшын физигі Джоуль және біршама кейінірек (1844 жылы) орыс академигі Ленц тәуелсіз түрде жүргізген тәжірибелер нәтижесінде белгіледі.

Алынған жылу энергиясының мөлшерін калориямен көрсету үшін 0,24 коэффициентті қосымша енгізу керек, өйткені 1 Дж = 0,24 кал. Сонда Q = 0,24I 2 rt. Бұл теңдеу Джоуль-Ленц заңын өрнектейді.

Эмилиус Кристианович Ленц (1804-1865) заңдарды белгіледі термиялық әрекетбойынша тәжірибелерді жалпылады электромагниттік индукция, бұл жалпылауды «Ленц ережесі» түрінде ұсынады. Теория бойынша еңбектерінде электр машиналарыЛенц тұрақты ток машиналарындағы «зәкір реакциясы» құбылысын сипаттап, электр машиналарының қайтымдылық принципін дәлелдеді. Ленц Якобимен жұмыс істей отырып, электромагниттердің тартылу күшін зерттеп, магниттік моменттің магниттеу күшіне тәуелділігін анықтады.

Сонымен, өткізгіш арқылы өткенде токтың бөлетін жылу мөлшері өткізгіштің өзінің кедергісіне r, токтың квадраты I 2 және оның өту ұзақтығына t байланысты.

1-мысал. Кедергісі 2 Ом өткізгіштен 3 минут бойы өткенде 6 А ток күші қанша жылу бөлетінін анықтаңыз.

Q = I 2 rt = 36 ⋅ 2 ⋅ 180 = 12960 Дж.

Джоуль-Ленц заңының формуласын былай жазуға болады.

Әдіс қыздыру элементі ретінде электр тогы өткізгішінің бір немесе бірнеше тұйық бұрылыстарын пайдалану, электр трансформаторының қайталама орамасын қалыптастыру және салқындатқышты өткізгіштің беттерімен жанасуға енгізу арқылы жүзеге асырылады. Өнертабыс жылу алмасу кезінде электр энергиясын түрлендіру сенімділігін арттырады. 1 жалақы, 1 науқас.

Өнертабыс электр энергиясын жылуға түрлендіру және жылу алмасуды құру технологиясына қатысты. Оны ішкі жану қозғалтқыштарын алдын ала қыздыру жүйелерінде, өнеркәсіптік кәсіпорындарды жылыту және ыстық сумен қамтамасыз етуде сұйықтықтарды жылыту үшін пайдалануға болады. тұрғын үйлер, плазманы және басқа заттарды қыздыруға арналған. Электр энергиясын жылуға түрлендірудің және жылу алмасуды құрудың белгілі әдісі бар, ол электр тоғының салқындатқыш арқылы тікелей өтуіне негізделген, ток өткізгіштері арқылы желілік кернеуді электродтарға беру арқылы жасалған (қараңыз: А.П. Альхаузен және т.б., «Төмен температуралық электр жылыту», Мәскеу, Энергетика, 1968). Ол сұйықтықтарды, бетонды жылытуға, топырақты, кенді, құмды және басқа заттарды еріту үшін қолданылады. Бұл әдістің негізгі кемшіліктері салыстырмалы түрде жоғары кернеулер (380 В немесе 220 В), сондай-ақ салқындатқыштың электрлік кедергісіне электр жылыту мен жылу алмасудың тәуелділігі салдарынан жоғары электр қауіптілігі болып табылады. Атап айтқанда, электр кедергісінің берілген мәнін қамтамасыз ету үшін қыздырылған суға арнайы қоспалар қосылады. Электр энергиясын жылуға түрлендірудің және қыздыру элементі мен салқындатқыштың арасында жылу алмасуды құрудың белгілі әдісі бар, соның ішінде электр энергиясын беру. қыздыру элементі, ол металл түтік болып табылады, оның ішінде арнайы толтырғышқа басылған қыздыру катушкасы бар, қыздырғыш катушкалар арқылы электр тогын өткізеді (қараңыз: А.П. Альхаузен және т.б., «Төмен температурада электр жылыту», Мәскеу, Энергетика, 1968). Бұл әдіс әртүрлі салаларда кеңінен тарады. ұлттық экономика. Түтік тәрізді электр жылытқышы(қыздыру элементі) суға, тұздарға, сұйық металға, қалыпқа, іштен жанатын қозғалтқыштың картеріне және т.б. Дегенмен, қыздырылған катушка жеткізіледі электр кернеуітікелей қоректендіру желісінен, ал салыстырмалы түрде жоғары қоректену кернеуі төмендетуге мүмкіндік бермейді электр кедергісіспираль, бұл электр қауіпсіздігін қамтамасыз ету үшін спиралды электрлік оқшаулау қажеттілігін тудырады және бұл өз кезегінде спираль мен металл түтік арасындағы жылу өткізгіштігін төмендетеді, сондықтан қыздыру элементі (ом) мен салқындатқыш арасындағы жылу алмасуды нашарлатады. тұтас. Спиральдың электрлік оқшаулауы оның электрлік бұзылуын және қыздыру элементінің металл түтігімен жанасу мүмкіндігін жоққа шығармайды (a) электр потенциалы, бұл оның жерлендіру қажеттілігіне әкеледі. Сонымен қатар, қыздырғыш элементтердің (элементтердің) катушканың жанып кетуіне байланысты қызмет ету мерзімі шектеулі. Электр энергиясын жылуға айналдырудың және жылу алмасуды құрудың белгілі әдісі бар, ол « Қарсылық дәнекерлеу«(қараңыз: Н.С. Кабанов, «Байланыс машиналарында дәнекерлеу», Мәскеу, «Высшая мектеп» баспасы, 1985 ж.; Ю.Н. Бобринский және Н.П. Сергеев, «Байланысты дәнекерлеу машиналарын жобалау және реттеу», Мәскеу , «Машина жасау» баспасы «, 1967; В.Г.Геворкян, «Дәнекерлеу негіздері», Мәскеу, «Высшая школа» баспасы, 1991 ж.). бұл әдісқыздыру элементі және салқындатқыш - екінші ораманы жабатын дәнекерленген металл дәнекерлеу трансформаторы, нәтижесінде металды қыздыруға және дәнекерлеуге жеткілікті электр тогы тұйық тізбек арқылы өтеді. Бұл жағдайда трансформатордың қайталама орамасының әрбір айналымы электр энергиясының жеке көзі болып табылады, өйткені ол трансформатордың бастапқы орамасы арқылы магниттік ядрода жасалған бірдей магнит ағынын қамтиды. Бұл әдіс прототип болып табылады. Бұл әдістің кемшілігі салыстырмалы түрде төмен электр кедергісі бар салқындатқыштар үшін ғана жарамды. Сұйықтықты, мысалы, суды пайдаланған жағдайда, трансформатордың көмегімен кернеуді төмендетуден бас тарту керек, ал әдіс барлық кемшіліктерімен қарастырылған бірінші әдіске айналады. Ұсынылған әдіс бойынша электр энергиясын жылуға түрлендірудің қауіпсіздігі мен сенімділігіне және жылу беру тиімділігіне электр тогы өткізгішінің тұйық айналымы немесе қыздыру элементі ретінде трансформатордың қайталама орамасын құрайтын бірнеше айналымдар пайдалану және салқындатқышты енгізу арқылы қол жеткізіледі. өткізгіштің беттерімен байланыста болады. Трансформатордың магниттік тізбегін жабатын өткізгіштің бұрылысы жабылған кезде, онда электрлік қауіпсіздікті және электрлік қауіпсіздікті қамтамасыз ететін бастапқы орамаға берілетін айналымдар санынан аз ЭҚК индукцияланады және жабық бұрылыс бұрылыстың төмен электрлік кедергісіне байланысты күрт артады және оны электрлік салқындатқыштың кедергісіне қарамастан қыздырады. Бұл ретте салқындатқыштың өткізгіштің жабық катушкасының беттерімен тікелей жанасуы жылу шығындарының күрт төмендеуіне байланысты жылу берудің тиімділігін арттырады. Конверсияның сенімділігін қамтамасыз ететін бұрылыстың күйіп қалу мүмкіндігін болдырмайтын жағдайлар жасалуы мүмкін. Сызбада ұсынылған әдісті жүзеге асыратын жабдықтың үлгісі көрсетілген. Әдіс келесідей жүзеге асырылады. К ауыстырып-қосқышын пайдаланып, W 1 айналым саны бар трансформатордың бастапқы орамасы айнымалы ток желісіне қосылады. Магниттік тізбекте 1 айнымалы магнит ағыны пайда болады, ол 2 және 3 өткізгіштердің жабық бұрылыстарында ЭҚК индукциялайды және оларда электр тогын тудырады, оларды қыздырады. Өткізгіш 2 құбыр түрінде жасалған, өткізгіш 3 тұйық шоғырдан жасалған мыс сымдар. А кірісіне салқын салқындатқыш сұйықтық енгізіледі, мысалы, 2 өткізгіштің ішіне еніп, өткізгіштің сыртын жуатын су. конвекция, В шығысына ағындар. Бір нақты жағдайда 3-өткізгіш болмауы мүмкін (ол 2-өткізгіштің электр кедергісі трансформатордың қуатына сәйкес келмегенде қажет). Басқа нақты жағдайда, 2-өткізгіштің сыртқы бетінен жылудың таралуын болдырмау үшін 2-өткізгіштің орнына электр оқшаулағыш құбырды қолдануға болады, содан кейін жылу салқындатқышқа тек өткізгіштен 3 түседі. Үшінші жағдайда, өткізгіш оқшаулағыш құбырдың ішіне немесе магниттік тізбекті қоршайтын басқа пішіндегі көлемге орналастырылған салқындатқыштың өзі болуы мүмкін. Әдістің нақты жүзеге асырылуының мысалы. 2М3-500 маркалы штампталған болат радиатор алынды (189-бетті қараңыз, Н.А. Коханенконың редакциясы, Мәскеу, құрылыс әдебиеті баспасы, 1964 ж.) балама қыздыру беті 3,53 эквивалентті (11-ге тең - секциялық). шойын радиаторыМ-140 ГОСТ 8690-58 бойынша) сыйымдылығы 13,3 л. бастап болат құбырдиаметрі 3/4"" қуаттылығы 1,5 кВт күштік трансформатордың магниттік тізбегін жабатын жабық катушка жасалды. А бұрылысының кірісі шығысқа қосылды (радиатордың төменгі жағындағы құбыр тігінен орнатылған), ал В айналымының шығысы резеңке түтіктердің көмегімен радиатордың кірісіне (жоғарғы жағындағы құбыр) қосылды. Радиатордың жоғарғы жағында 0,25 литр сыйымдылығы бар кеңейту цистернасы орнатылды. Содан кейін жүйе (радиатор - бұрылыс) сумен толтырылды және трансформатордың бастапқы орамасы 220 В кернеуі бар желіге қосылды. Трансформаторды қосқанға дейін радиаторды қоршап тұрған температура бөлме көлемінде 4,5 o C болды. 300 м 3. Трансформаторды қосқаннан кейін 0,8 В бұрылыстағы электр кернеуі және бұрылыстан өтетін электр тогы өлшенді, ол 1875 А құрады. 20 минуттан кейін радиатордағы судың температурасы 96 o C дейін көтерілді ( судың бастапқы температурасы 12 o C болды), содан кейін тиристорлық басқару жүйесін пайдалану арқылы желіден тұтынылатын қуат бастапқыда 800 Вт-қа дейін төмендетілді, бұл су температурасының 82 o C деңгейінде сақталуын қамтамасыз етті, содан кейін 2 сағаттан кейін 500 Вт, бұл судың температурасын 60 o C деңгейінде ұстауды қамтамасыз етті. Нәтижесінде 4 сағаттық сынақ, бөлме температурасы 18 o C жетті. Келесі күні жүйе 1,5 кВт қуат тұтыну кезінде қосылды. 4 сағаттан кейін бөлме температурасы 23 o C-қа жетті, содан кейін жүйе 500 Вт тұтынуға ауыстырылды және жылыту құрылғысы ретінде 1 ай бойы жұмыс істеді. 800 Вт қуат тұтынумен ұсынылған әдіс бойынша сыйымдылығы 150 литр жылыту жүйесін жылыту бойынша сынақтар жүргізілді. Сынақтар кезінде суды жылыту 7 сағат ішінде 16 o C-тан 58,5 o C-қа дейін орнатылды, содан кейін жүйе 500 Вт қуат тұтынумен 58 o C температураны сақтайтын режимге ауыстырылды. Болат құбырдың жабық орамына дәнекерлеу арқылы жабылған мыс сымдар шоғырын енгізу үшін сынақтар жүргізілді (3 өткізгіш). Сынақтардың нәтижесінде 3-өткізгіштің көмегімен тұйық бұрылыстардың эквивалентті электр кедергісін кез келген дерлік шекте азайтуға және трансформатор толық жүктелгенше қуат тұтынуды арттыруға болатыны анықталды. Сынақтар дәстүрлі әдіспен салыстырғанда ұсынылған әдісті қолданғанда электр энергиясын тұтынуды 1,5-2 есеге азайту мүмкіндігін көрсетті.

Өнертабыстың формуласы

1. Электр энергиясын жылуға түрлендіру және қыздыру элементі ретінде электр трансформаторының қайталама орамасын пайдалана отырып, қыздыру элементі мен салқындатқыш сұйықтық арасында жылу алмасуды құру әдісі салқындату сұйықтығының кірісі мен шығысы бар құбыр, ол салқындатқыштың салқындатқыштың конвекциясын қыздыру элементі арқылы оның кірісін радиатордан салқындатқыштың шығысымен және қыздыру элементінен салқындатқыштың шығысын радиатордың кірісімен жалғау арқылы қамтамасыз етеді, қосылымдар шлангтармен, радиатор радиатордан салқындатқыштың шығысы оның төменгі бөлігінде болуы үшін тігінен орнатылады, радиатордың жоғарғы бөлігінде кеңейту цистернасы орнатылады және бүкіл жүйе салқындатқышпен толтырылады және трансформатор желіге қосылады. 2. 1-бапқа сәйкес әдіс, құбыр түріндегі жабық бұрылыстың электр оқшаулағыш материалдан жасалуымен және оның ішінде өткізгіштің бір немесе бірнеше тұйық бұрылыстары орнатылуымен сипатталады.

СУРЕТТЕР

MM4A Ресей Федерациясының өнертабысқа патентін белгіленген мерзімде патентті күшінде ұстау үшін алым төлемегендіктен мерзімінен бұрын тоқтату

Жылу энергиясыадам іс-әрекетінде ерекше орын алады, өйткені ол экономиканың барлық салаларында қолданылады, көпшілігімен бірге жүреді. өндірістік процестержәне адамдардың күнкөрісі. Көп жағдайда қалдық жылу қайтарымсыз және ешқандай экономикалық пайдасыз жоғалады. Бұл ысырап болған ресурс енді ештеңеге тұрарлық емес, сондықтан оны қайта пайдалану энергетикалық дағдарысты азайтуға және қоршаған ортаны қорғауға көмектеседі. Сондықтан жылу энергиясын электр энергиясына түрлендірудің және қалдық жылуды электр энергиясына айналдырудың жаңа әдістері бүгінде бұрынғыдан да өзекті.

Табиғи энергия көздерін электр, жылу немесе кинетикалық энергияға айналдыру қажет максималды тиімділік, әсіресе газ және көмір электр станцияларында CO 2 шығарындыларын азайту үшін. Сонда әртүрлі жолдарбастапқы энергия түрлеріне байланысты жылу энергиясын электр энергиясына түрлендіру.

Энергетикалық ресурстардың ішінде көмір мен табиғи газ жану (жылу энергиясы) арқылы электр энергиясын өндіруге, ал ядролық ыдырау (ядролық энергия) арқылы уран бу турбинасын айналдыру үшін бу энергиясын пайдалану үшін пайдаланылады. Фотода 2017 жылғы электр қуатын өндіретін ең ірі он ел берілген.

Өнімділік кестесі қолданыстағы жүйелержылу энергиясын электр энергиясына түрлендіру.

Жылу энергиясын электр энергиясына айналдыру әдісін таңдау және оның экономикалық орындылығы энергия қажеттілігіне, табиғи отынның болуына және құрылыс алаңының жеткіліктілігіне байланысты. Өнеркәсіптің түрі бүкіл әлемде өзгеріп отырады, нәтижесінде электр энергиясы бағасының кең ауқымы пайда болады.

Жылу энергиясын электр энергиясына айналдыру технологиялары, мысалы, жылу электр станциялары, атом электр станциялары, IES, GTES, TEP, термоэлектрлік генераторлар, MHD генераторлары бар. әртүрлі артықшылықтаржәне кемшіліктері. Электр қуатын зерттеу институты (EPRI) құрылыс және энергия шығындары, жер, су талаптары, СО 2 шығарындылары, қалдықтар, қолжетімділік және икемділік сияқты маңызды факторларды қарастыра отырып, табиғи энергия өндіру технологияларының оң және теріс жақтарын көрсетеді.

EPRI нәтижелері электр энергиясын өндіру технологияларын қарастырған кезде барлық мәселелерді шешуге бір өлшемді тәсіл жоқ екенін көрсетеді, бірақ бәрібір көбірек артықшылықтарҚұрылысқа қолайлы табиғи газдың электр қуатының құны төмен және көмірге қарағанда ауаға азырақ шығарындылар тудырады. Дегенмен, барлық елдерде мол және арзанға қол жетімді емес табиғи газ. Кейбір жағдайларда геосаяси шиеленістерге байланысты табиғи газға қол жеткізу қаупі бар Шығыс Еуропажәне кейбір Батыс Еуропа елдері.

Күн фотоэлектрлік модульдері сияқты жаңартылатын энергия технологиялары эмиссиялық электр энергиясын шығарады. Дегенмен, олар көп жерді қажет етеді және олардың тиімділік нәтижелері өзгермелі және ауа райына байланысты. Жылудың негізгі көзі көмір ең проблемалы болып табылады. Ол CO 2 шығарындыларына әкеледі және көп нәрсені қажет етеді таза сусалқындату сұйықтығы мен қабылдайды үлкен аумақстанциясының құрылысына арналған.

Жаңа технологиялар электр энергиясын өндіру технологияларымен байланысты бірқатар проблемаларды азайтуға бағытталған. Мысалы, газ турбиналары аккумулятордың резервтік көшірмесімен біріктірілген отынды жағусыз күтпеген қорларды қамтамасыз етеді және жаңартылатын ресурстардың үзіліссіз қиындықтарын қол жетімді, ауқымды энергия сақтау қоймасын құру арқылы азайтуға болады. Осылайша, бүгінгі күні жылу энергиясын электр энергиясына айналдырудың сенімді және үнемділігін қамтамасыз ететін бірде-бір тамаша әдіс жоқ. тиімді электр энергиясыең аз әсермен қоршаған орта.

Жылу электр станциялары

Жылу электр станцияларында жану кезінде суды жылытудан алынатын жоғары қысымды және температуралы бу қатты отын(негізінен көмір), генераторға қосылған турбинаны айналдырады. Осылайша ол өзінің кинетикалық энергиясын электр энергиясына айналдырады. Жылу электр станциясының жұмыс элементтері:

1. Газ оттығы бар қазандық.
2. Бу турбинасы.
3. Генератор.
4. Конденсатор.
5. Салқындату мұнаралары.
6. Айналмалы су сорғысы.
7. Қазандық сумен жабдықтау сорғысы.
8. Мәжбүрлі сору желдеткіштері.
9. Бөлгіштер.

Төменде типтік диаграмма берілген.

Суды буға айналдыру үшін бу қазандығы қолданылады. Бұл процесс отын жағу жылуымен құбырлардағы суды жылыту арқылы жүзеге асырылады. Жанармай жану камерасында сырттан берілетін ауамен жану процестері үздіксіз жүргізіледі.

Бу турбинасы генераторды айналдыру үшін бу энергиясын тасымалдайды. Жоғары қысымды және температурасы бар бу білікке орнатылған турбина қалақтарын айналдыра бастайтындай итереді. Бұл жағдайда турбинаға түсетін өте қызған будың параметрлері қаныққан күйге дейін төмендейді. Қаныққан бу конденсаторға түседі, ал ротордың қуаты ток тудыратын генераторды айналдыруға жұмсалады. Бүгінгі күні барлық дерлік бу турбиналары конденсаторлық типті.

Конденсаторлар - буды суға айналдыруға арналған құрылғылар. Бу құбырлардың сыртына шығады, ал салқындатқыш су құбырлардың ішіне өтеді. Бұл конструкция беттік конденсатор деп аталады. Жылу беру жылдамдығы салқындатқыш судың ағынына, құбырлардың бетінің ауданына және су буы мен салқындатқыш су арасындағы температура айырмашылығына байланысты. Су буының өзгеру процесі қаныққан қысым мен температурада жүреді, бұл жағдайда конденсатор вакуумда болады, өйткені салқындатқыш судың температурасы сыртқы температураға тең, максималды температурасыртқы температураға жақын судың конденсациясы.

Генератор механикалық энергияны статор мен роторға түрлендіреді. Статор катушкалар бар корпустан, ал магнит өрісі роторының станциясы катушкасы бар өзектен тұрады.

Шығарылатын энергия түріне қарай жылу электр станциялары бөлінеді конденсациялық IESэлектр энергиясын өндіретін және жылу энергиясын (бу және ыстық су) және электр энергиясы. Соңғылары жылу энергиясын электр энергиясына айналдыру мүмкіндігіне ие жоғары тиімділік.

Атом электр станциялары

Атом электр станциялары ядролық ыдырау кезінде бөлінетін жылуды суды қыздыру және бу шығару үшін пайдаланады. Бу электр энергиясын өндіретін үлкен турбиналарды айналдыру үшін пайдаланылады. Бөліну кезінде атомдар көбірек пайда болу үшін бөлінеді ұсақ атомдар, энергияны босатады. Процесс реактордың ішінде жүреді. Оның ортасында 235 ураны бар ядро ​​орналасқан. Атом электр станциялары үшін отын 235U (0,7%) және бөлінбейтін 238U (99,3%) изотопы бар ураннан алынады.

Ядролық отын циклі - атомдық энергетикалық реакторларда ураннан электр энергиясын өндіруге қатысты өндірістік қадамдар тізбегі. Уран - бүкіл әлемде кездесетін салыстырмалы түрде кең таралған элемент. Ол бірқатар елдерде өндіріліп, отын ретінде пайдаланбас бұрын өңделеді.

Электр энергиясын өндіруге байланысты қызмет атом электр станцияларында жылу энергиясын электр энергиясына түрлендіруге арналған ядролық отын цикліне жатады. Ядролық отын айналымы уранды өндіруден басталып, ядролық қалдықтарды көмумен аяқталады. Пайдаланылған отынды ядролық энергия үшін опция ретінде қайта өңдеу кезінде қадамдар шынайы циклды құрайды.

Атом электр станцияларында пайдалануға отынды дайындау үшін отын элементтерін алу, өңдеу, түрлендіру, байыту және шығару процестері жүргізіледі. Жанармай циклі:

1. Уранның жануы 235.
2. Шлактау - 235U және (239Пу, 241Пу) 238U-ден.
3. 235U ыдырауы кезінде оның шығыны азаяды, ал электр энергиясын өндіру кезінде 238U изотоптары алынады.

VWR үшін отын штангаларының құны өндірілген электр энергиясы құнының шамамен 20% құрайды.

Уран реакторда шамамен үш жыл болғаннан кейін, пайдаланылған отын қалдықтарды кәдеге жарату алдында уақытша сақтауды, қайта өңдеуді және қайта өңдеуді қоса алғанда, басқа пайдалану процесінен өтуі мүмкін. Атом электр станциялары жылу энергиясын тікелей электр энергиясына айналдыруды қамтамасыз етеді. Реактордың ядросында ядролық бөліну нәтижесінде пайда болатын жылу суды буға айналдыру үшін пайдаланылады, ол бу турбинасы қалақтарын электр энергиясын өндіретін қуат генераторларына айналдырады.

Бу электр тізбегінің таза суын салқындату үшін тоғандардың, өзендердің немесе мұхиттардың суын пайдаланатын салқындату мұнарасы деп аталатын электр станциясында бөлек құрылымда суға салқындатылады. Содан кейін салқындатылған су бу шығару үшін қайта пайдаланылады.

Атом электр станцияларында электр энергиясын өндірудің олардың өндірісінің жалпы балансына қатысты үлесі әртүрлі түрлеріресурстар, кейбір елдердің контекстінде және әлемде - төмендегі фотода.

Газ турбиналы электр станциясының жұмыс принципі бу турбиналы электр станциясының жұмысына ұқсас. Жалғыз айырмашылығы, бу турбиналы электр станциясы турбинаны айналдыру үшін сығылған буды пайдаланады, ал газ турбиналы электр станциясы газды пайдаланады.

Газтурбиналық электр станциясында жылу энергиясын электр энергиясына айналдыру принципін қарастырайық.

Газ турбиналық электр станциясында ауа компрессорда сығылады. Содан кейін бұл сығылған ауа жану камерасы арқылы өтеді, онда газ-ауа қоспасы пайда болады және температура көтеріледі. қысылған ауа. Бұл жоғары температура мен жоғары қысым қоспасы арқылы өтеді газ турбинасы. Турбинада ол күрт кеңейіп, турбинаны айналдыруға жеткілікті кинетикалық энергияны алады.

Газ турбиналық электр станциясында турбина білігі, генератор және ауа компрессоры кең таралған. Турбинада пайда болған механикалық энергия ішінара ауаны сығуға жұмсалады. Газ турбиналы электр станциялары көбінесе су электр станцияларына қосалқы энергиямен қамтамасыз етуші ретінде пайдаланылады. Ол тудырады көмекші қуатсу электр станциясын іске қосу кезінде.

Газ турбиналы электр станциясының конструкциясы бу турбиналы электр станциясына қарағанда әлдеқайда қарапайым. Газ турбиналы электр станциясының көлемі бу турбиналы электр станциясынан кішірек. Қазандықтың құрамдас бөлігі жоқ, сондықтан жүйе күрделі емес. Бу жоқ, сондықтан конденсатор немесе салқындату мұнарасы қажет емес.

Қуатты газ турбиналық электр станцияларын жобалау және салу әлдеқайда қарапайым және арзанырақ, күрделі шығындар мен пайдалану шығындары ұқсас бу турбиналық электр станциясының құнынан айтарлықтай төмен.

Газ турбиналық электр станциясындағы тұрақты шығындар бу турбиналы электр станциясымен салыстырғанда айтарлықтай аз, өйткені бу турбинасында power pointЖүйе желіге жүктеме бермесе де, қазандық үздіксіз жұмыс істеуі керек. Газ турбиналық электр станциясын бірден іске қосуға болады.

Газ турбиналық электр станциясының кемшіліктері:

1. Турбинада пайда болған механикалық энергия ауа компрессорын іске қосу үшін де пайдаланылады.
2. Өйткені турбинада жасалған механикалық энергияның негізгі бөлігі басқаруға жұмсалады ауа компрессоры, жалпы тиімділікгаз турбиналық электр станциясы балама бу турбиналық электр станциясы сияқты жоғары емес.
3. Газ турбиналық электр станциясынан шығатын газдар қазандықтағынан айтарлықтай ерекшеленеді.
4. Турбинаны нақты іске қоспас бұрын, ауаны алдын ала сығымдау керек, бұл газ турбиналық электр станциясын іске қосу үшін қосымша қуат көзін қажет етеді.
5. Газ турбиналық электр станциясында газдың температурасы айтарлықтай жоғары. Бұл жүйенің балама бу турбинасына қарағанда қызмет ету мерзімінің қысқа болуына әкеледі.

Төмен тиімділігіне байланысты газ турбиналы электр станциясын коммерциялық электр энергиясын өндіру үшін пайдалану мүмкін емес; ол әдетте басқа әдеттегі электр станцияларын, мысалы, су электр станцияларын қосалқы қуатпен қамтамасыз ету үшін қолданылады;

Термиондық түрлендіргіштер

Оларды термиондық генератор немесе термоэлектрлік қозғалтқыш деп те атайды, олар термиондық эмиссия арқылы жылуды тікелей электр энергиясына айналдырады. Жылу энергиясын термиондық сәулелену деп аталатын температуралық индукциялық электрон ағыны процесі арқылы өте жоғары тиімділікпен электр энергиясына айналдыруға болады.

Термиондық энергия түрлендіргіштерінің негізгі жұмыс принципі электрондар қыздырылған катодтың бетінен вакуумде буланып, содан кейін салқындатқыш анодта конденсацияланады. 1957 жылы алғашқы практикалық демонстрациясынан бастап термиондық энергия түрлендіргіштері әртүрлі жылу көздерімен бірге қолданылды, бірақ олардың барлығы бірдей температурада жұмыс істеуді қажет етеді. жоғары температуралар- 1500 К жоғары. Салыстырмалы түрде төмен температурада (700 К - 900 К) термиондық энергия түрлендіргіштерінің жұмыс істеуі мүмкін болса да, әдетте >50% құрайтын процестің тиімділігі айтарлықтай төмендейді, өйткені бірлігінен шығарылатын электрондар саны катод қыздыру температурасына байланысты.

Металдар мен жартылай өткізгіштер сияқты дәстүрлі катодты материалдар үшін шығарылатын электрондар саны катод температурасының квадратына пропорционал. Дегенмен, жақында жүргізілген зерттеу графенді ыстық катод ретінде пайдалану арқылы жылу температурасын шама ретімен азайтуға болатындығын көрсетті. Нәтижелер 900 К-де жұмыс істейтін графен негізіндегі катодты термиондық түрлендіргіш 45% тиімділікке қол жеткізе алатынын көрсетеді.

Схематикалық диаграммаэлектронды термиондық эмиссия процесі фотода көрсетілген.

Графен негізіндегі TIC, мұнда Tc және Ta сәйкесінше катод температурасы және анод температурасы. Термиондық эмиссияның жаңа механизміне сүйене отырып, зерттеушілер графен негізіндегі катодты энергия түрлендіргіші қолдануды таба алады деп болжайды. қайта пайдаланужиі жететін өндірістік қалдықтардың жылуы температура диапазоны 700-ден 900 К-ге дейін.

Лян мен Энг ұсынған жаңа модель графен негізіндегі энергия түрлендіргіш конструкцияларына пайдалы болуы мүмкін. Негізінен термоэлектрлік генераторлар болып табылатын қатты күйдегі қуат түрлендіргіштері әдетте төмен температура диапазонында тиімсіз жұмыс істейді (пайдалылығы 7%-дан аз).

Энергия қалдықтарын қайта өңдеу зерттеушілер мен ғалымдар үшін танымал мақсатқа айналды инновациялық әдістеросы мақсатқа жету үшін. Ең перспективалы бағыттардың бірі - нанотехнологияға негізделген термоэлектрлік құрылғылар, олар ұқсайды жаңа көзқарасэнергияны үнемдеуге. Жылудың электр энергиясына немесе электр энергиясын жылуға тікелей түрлендіру Пельтиер эффектісіне негізделген термоэлектрлік деп аталады. Дәлірек айтсақ, эффект екі физиктің есімімен аталады - Жан Пелтье мен Томас Зейбек.

Пелтиер екі түйіспеге қосылған екі түрлі электр өткізгіштерге жіберілетін ток бір түйіспенің қызып кетуіне, ал екіншісі салқындатылатынын анықтады. Пелтье зерттеуін жалғастырып, висмут-сурьма (BiSb) түйіскен жерінде жай ғана токты өзгерту арқылы бір тамшы суды мұздатуға болатынын анықтады. Пелтье сонымен қатар әртүрлі өткізгіштердің түйіскен жерінде температура айырмашылығы болған кезде электр тогының ағуы мүмкін екенін анықтады.

Термоэлектрлік өте жоғары қызықты дереккөзжылу ағынын тікелей электр энергиясына айналдыру қабілетіне байланысты электр энергиясы. Ол оңай масштабталатын және қозғалатын бөліктері немесе сұйық отыны жоқ энергия түрлендіргіштерін қамтамасыз етеді, бұл оларды кез келген жағдайда қолдануға мүмкіндік береді. үлкен санжылу әдетте киімнен үлкенге дейін қалдықтарға жоғалады өнеркәсіптік нысандар.

Жартылай өткізгіш термопильді материалдарда қолданылатын наноқұрылымдар жақсы электр өткізгіштігін сақтауға және жылу өткізгіштігін төмендетуге көмектеседі. Осылайша, термоэлектрлік құрылғылардың өнімділігін Пельтиер эффектісі арқылы нанотехнология негізіндегі материалдарды қолдану арқылы арттыруға болады. Олар жақсартылған термоэлектрлік қасиеттерге және жақсы күн энергиясын сіңіру қабілетіне ие.

Термоэлектрдің қолданылуы:

1. Қуат жеткізушілері және диапазондағы сенсорлар.
2. Жану май шамы, қашықтағы байланыс үшін сымсыз қабылдағышты басқарады.
3. MP3 ойнатқыштары, сандық сағаттар, GPS/GSM чиптері және сияқты шағын электронды құрылғыларды қолдану импульстік есептегіштердене жылуымен.
4. Люкс көліктердегі орындықтарды жылдам салқындату.
5. Көліктердегі қалдық жылуды электр энергиясына айналдыру арқылы жою.
6. Зауыттардан немесе өнеркәсіп орындарынан шыққан қалдық жылуды түрлендіру қосымша қуат.
7. Күн термоэлектрикасы, әсіресе күн сәулесі аз аймақтарда электр энергиясын өндіру үшін фотоэлектрлерге қарағанда тиімдірек болуы мүмкін.

Магнитогидродинамикалық қуат генераторлары қозғалатын сұйықтықтың (әдетте иондалған газдың немесе плазманың) өзара әрекеттесуі арқылы электр энергиясын өндіреді. магнит өрісі. 1970 жылдан бастап бірнеше елдерде көмірді отын ретінде пайдалануға ерекше назар аудара отырып, MHD зерттеу бағдарламалары жүргізілді.

MHD генерациясының негізгі принципі талғампаз. Әдетте, электр өткізгіш газ пайда болған кезде жоғары қан қысымықазбалы отынды жағу арқылы. Содан кейін газ магнит өрісі арқылы бағытталады, нәтижесінде Фарадейдің индукция заңына сәйкес оның ішінде электр қозғаушы күш пайда болады (19 ғасырдағы ағылшын физигі және химигі Майкл Фарадейдің атымен аталған).

MHD жүйесі газды жоғарыдан жоғарыға дейін кеңейтуді қамтитын жылу қозғалтқышы болып табылады төмен қысымкәдімгі газ турбогенераторындағы сияқты. MHD жүйесінде газдың кинетикалық энергиясы оның кеңеюіне рұқсат етілгендіктен тікелей электр энергиясына айналады. MHD генерациясына қызығушылық бастапқыда плазманың магнит өрісімен өзара әрекеттесу айналмалы механикалық турбинаға қарағанда әлдеқайда жоғары температурада пайда болуы мүмкін екендігінің ашылуынан туындады.

Жылу қозғалтқыштарындағы тиімділік бойынша өнімділік шегін 19 ғасырдың басында француз инженері Сади Карно белгіледі. Әрқайсысы үшін MHD генераторының шығыс қуаты текше метроның көлемі газ өткізгіштік өніміне, газ жылдамдығының квадратына және газ өтетін магнит өрісі кернеулігінің квадратына пропорционал. MHD генераторлары жақсы өнімділікпен және ақылға қонымды физикалық өлшемдермен бәсекеге қабілетті жұмыс істеуі үшін плазманың өткізгіштігі 1800 К (шамамен 1500 C немесе 2800 F) жоғары температура диапазонында болуы керек.

MHD генераторының түрін таңдау пайдаланылатын отынға және қолдануға байланысты. Дүние жүзінің көптеген елдеріндегі көмірдің мол қоры электр энергиясын өндіруге арналған көміртегі негізіндегі MHD жүйелерін дамытуға ықпал етеді.

Негізгі әдістер және электр энергиясын жылуға түрлендіру әдістерікелесідей жіктеледі. Тікелей және жанама электрлік жылыту арасында айырмашылық бар.

Сағат тікелей электр жылытуэлектр энергиясының жылу энергиясына айналуы электр тогының тікелей қыздырылған дене немесе орта (металл, су, сүт, топырақ және т.б.) арқылы өтуі нәтижесінде болады. Сағат жанама электр жылытуЭлектр тогы арнайы қыздыру құрылғысы (қыздыру элементі) арқылы өтеді, одан жылу жылу өткізгіштік, конвекция немесе сәулелену арқылы қыздырылған денеге немесе ортаға беріледі.

Анықтайтын электр энергиясын жылу энергиясына түрлендірудің бірнеше түрі бар Электр жылыту әдістері.

Электр тоғының электр өткізгіш қатты заттар немесе сұйық орталар арқылы өтуі жылудың бөлінуімен бірге жүреді. Джоуль-Ленц заңы бойынша жылу мөлшері Q=I 2 Rt, мұндағы Q – жылу мөлшері, Дж; I - силаток, А; R - дене немесе орташа кедергісі, Ом; t - ағымдағы ағынның уақыты, с.

Қарсылықты қыздыруды контактілі және электродтық әдістермен жүзеге асыруға болады.

Байланыс әдісіметалдарды тікелей электрлік қыздыру принципі бойынша да, мысалы, электр контактілі дәнекерлеу машиналарында да, жанама электрлік қыздыру принципі бойынша да - қыздыру элементтерінде қыздыру үшін қолданылады.

Электродтық әдісметалл емес өткізгіш материалдар мен орталарды жылыту үшін қолданылады: су, сүт, шырынды жем, топырақ және т.б. Қыздырылған материал немесе орта электродтардың арасына орналастырылады, оған айнымалы кернеу беріледі.

Электродтар арасындағы материал арқылы өтетін электр тогы оны қыздырады. Кәдімгі (тазартылмаған) су электр тогын өткізеді, өйткені оның құрамында әрқашан электр зарядтарын, яғни электр тогын тасымалдаушы болып табылатын иондарға диссоциацияланатын тұздардың, сілтілердің немесе қышқылдардың белгілі бір мөлшері болады. Сүттің және басқа сұйықтықтардың, топырақтың, шырынды жемнің және т.б электр өткізгіштік сипаты ұқсас.

Тікелей электродты жылыту тек бойынша жүзеге асырылады айнымалы ток, өйткені DCқыздырылған материалдың электролизін және оның нашарлауын тудырады.

Кедергі бойынша электр жылыту табылды кең қолдануөндірісте оның қарапайымдылығы, сенімділігі, әмбебаптығы және жылыту құрылғыларының төмен құны арқасында.

Электр доғасымен қыздыру

Газ тәрізді ортадағы екі электрод арасында пайда болатын электр доғасында электр энергиясы жылу энергиясына айналады.

Доғаны іске қосу үшін қуат көзіне қосылған электродтар қысқаша жанасып, содан кейін баяу ажыратылады. Электродтарды тарату сәтіндегі жанасу кедергісі ол арқылы өтетін ток арқылы қатты қызады. Металда үздіксіз қозғалатын бос электрондар электродтардың жанасу нүктесінде температураның жоғарылауымен олардың қозғалысын жылдамдатады.

Температура көтерілген сайын бос электрондардың жылдамдығының жоғарылағаны сонша, олар электродтардың металынан бөлініп, ауаға ұшады. Олар қозғалған кезде ауа молекулаларымен соқтығысады және оларды оң және теріс зарядты иондарға бөледі. Электродтар арасындағы ауа кеңістігі иондалған, ол электр өткізгіш болады.

Көз кернеуінің әсерінен оң иондар теріс полюске (катодқа), ал теріс иондар - оң полюске (анодқа), осылайша ұзақ уақытқа созылатын разрядты құрайды - электр доғасыжылудың бөлінуімен бірге жүреді. Доғаның температурасы оның әртүрлі бөліктерінде бірдей емес және металл электродтар үшін: катодта - шамамен 2400 ° C, анодта - шамамен 2600 ° C, доғаның ортасында - шамамен 6000 - 7000 ° C. .

Тікелей және жанама электр доғалық қыздыру бар.Негіздер практикалық қолдануэлектр доғалық дәнекерлеу қондырғыларында тікелей электр доғалық қыздыруды табады. Орнатуларда жанама қыздырудоға инфрақызыл сәулелердің қуатты көзі ретінде пайдаланылады.

Егер металл кесіндісі айнымалы магнит өрісіне қойылса, онда е айнымалысы индукцияланады. г.с, оның әсерінен металда құйынды токтар пайда болады. Бұл токтардың металда өтуі оның қызуын тудырады. Металды қыздырудың бұл әдісі индукция деп аталады. Кейбіреулердің құрылғысы индукциялық жылытқыштарбеттік эффект пен жақындық эффекті құбылысын қолдануға негізделген.

Индукциялық қыздыру үшін өнеркәсіптік (50 Гц) және жоғары жиілікті токтар (8-10 кГц, 70-500 кГц) қолданылады. Ең кең таралған индукциялық қыздыруметалл корпустар (бөлшектер, дайындамалар) машина жасауда және жабдықтарды жөндеуде, сондай-ақ шыңдауда металл бөлшектер. Индукциялық әдісті суды, топырақты, бетонды жылыту және сүтті пастерлеу үшін де қолдануға болады.

Диэлектрлік қыздыру

Диэлектрлік қыздырудың физикалық мәні келесідей. Тез өзгеретін электр өрісіне орналастырылған электр өткізгіштігі нашар қатты заттар мен сұйықтарда (диэлектриктер) электр энергиясы жылу энергиясына айналады.

Кез келген диэлектрик бар электр зарядтарымолекулааралық күштермен байланысқан. Бұл зарядтар өткізгіш материалдардағы бос зарядтардан айырмашылығы байланысқан деп аталады. Әсерінен электр өрісібайланысқан зарядтар өріс бағытына бағытталған немесе ығысқан. Сыртқы электр өрісінің әсерінен байланысқан зарядтардың орын ауыстыруы поляризация деп аталады.

Айнымалыда электр өрісіЗарядтардың, демек, молекулааралық күштермен олармен байланысқан молекулалардың үздіксіз қозғалысы бар. Өткізбейтін материалдардың молекулаларын поляризациялау үшін көз жұмсайтын энергия жылу түрінде бөлінеді. Кейбір ток өткізбейтін материалдардың құрамында аз мөлшерде бос зарядтар болады, олар электр өрісінің әсерінен материалда қосымша жылудың бөлінуіне ықпал ететін шағын өткізгіш ток жасайды.

Диэлектрлік қыздыру кезінде қыздырылатын материал металл электродтар - конденсатор пластиналарының арасына орналастырылады, оған жоғары жиілікті кернеу (0,5 - 20 МГц және одан жоғары) арнайы жоғары жиілікті генератордан беріледі. Диэлектрлік жылыту қондырғысы жоғары жиілікті құбырлы генератордан тұрады, күштік трансформаторжәне электродтары бар кептіру құрылғысы.

Жоғары жиілікті диэлектрлік қыздыру перспективті қыздыру әдісі болып табылады және негізінен ағашты, қағазды, азық-түлік пен жемді кептіру және термиялық өңдеу (астық, көкөністер мен жемістерді кептіру), сүтті пастерлеу және зарарсыздандыру және т.б.

Электрондық сәулелік (электрондық) қыздыру

Электрондар ағыны кездескен кезде ( электронды сәуле), электр өрісінде үдетілген, қыздырылған денеде электр энергиясы жылу энергиясына айналады. Электрондық жылыту ерекшелігі болып табылады жоғары тығыздықэнергияның концентрациясы 5х10 8 кВт/см2 құрайды, бұл электр доғасымен жылытуға қарағанда бірнеше мың есе жоғары. Электронды қыздыру өнеркәсіпте өте ұсақ бөлшектерді дәнекерлеу және өте таза металдарды балқыту үшін қолданылады.

Электрлік жылытудың қарастырылған әдістерінен басқа, ол өндірісте және күнделікті өмірде де қолданылады. инфрақызыл қыздыру (сәулелену).