В настоящее время промышленное получение электрической энергии связано с рядом превращений одного вида энергии в другой. Чтобы получить электрический ток c помощью электрогенератора, необходимо сначала превратить тепловую энергию топлива в механическую энергию (вращение ротора), а ее — в электрическую энергию.
Естественно, возникает вопрос, нельзя ли как-нибудь сократить эту длинную энергетическую цепь? Нельзя ли заменить ее более короткой цепью, т. e. превратить каким-то путем тепловую энергию непосредственно в электрическую?
Промежуточное механическое звено сейчас необходимо иметь потому, что для получения электрической энергии мы используем принцип электромагнитной индукции. Мы возбуждаем электродвижущую силу в проводнике тем, что перемещаем этот проводник в магнитном поле. Чтобы избежать промежуточного преобразования тепловой энергии в механическую, надо отказаться от получения электрической энергии путем электромагнитной индукции.
Было сделано немало попыток разрешить эту задачу. Предлагались термоэлементы, гальванические элементы с угольным и газовым катодом и т. п. Но до сих пор ни один из этих проектов не нашел технического применения из-за того, что коэффициент полезного действия всех предлагавшихся конструкций был меньше коэффициента полезного действия обычных установок с турбогенераторами.
Один из возможных путей преобразования тепловой энергии в электрическую без промежуточного механического звена — это так называемый ионно-конвекционный генератор, предложенный несколько лет назад инж. P. П. Жежериным и автором этой статьи. Попытаемся в настоящей статье вкратце осветить принцип работы и основные технические возможности ионно-конвекционного генератора.
Действие этого генератора основано на явлении переноса электрических зарядов струей влажного пара. Явление это было открыто почти 100 лет назад.
*
В 1840 г., через 10 лет после того, как Фарадей открыл принцип электромагнитной индукции, английский ученый Армстронг присутствовал при ремонте локомобиля. Из щели вблизи предохранительного клапана вырывалась струя влажного пара; в нее случайно попала левая рука Армстронга. Армстронг попытался закрыть вентиль паропровода, но как только он приблизил свою правую руку к маховичку вентиля, между рукой и вентилем проскочила искра, и он почувствовал сильный удар. Струя пара наэлектризовала Армстронга, зарядила его до высокого потенциала относительно котла локомобиля.
Армстронг обратился к Фарадею, который дал объяснение этому явлению и посоветовал Армстронгу построить специальную пароэлектрическую машину.
В 1845 г. пароэлектрическая машина была построена, и Армстронг поместил ее описание в журнале английского общества инженеров-механиков. Машина состояла из котла, шести деревянных сопел, металлической гребенки и металлического шара. Котел длиной 96 см и диаметром 44 см был укреплен на изолирующих стеклянных ножках; в нем поддерживалось давление в 6 атмосфер. Пар вырывался из шести параллельно расположенных сопел, сделанных из твердого дерева и охлаждаемых снаружи водой. Струя пара направлялась на металлическую гребенку, соединенную с металлическим шаром, укрепленным на изолирующей стеклянной ножке. При этом шар заряжался до очень высокого напряжения (несколько сот тысяч вольт); из него можно было извлекать искры длиной до 60 см.
 |
| Пароэлектрическая машина Армстронга. |
Фарадей дал следующее объяснение этому явлению. Благодаря тому что сопла охлаждались водой, пар частично конденсировался и выходящая струя содержала в себе мельчайшие капельки воды. При трении о стенки сопел капельки эти заряжались положительным электричеством и, попадая на гребенку, отдавали ей весь свой заряд.
Благодаря тому что капельки уносили с котла положительные заряды, котел заряжался до высокого отрицательного потенциала.
Коэффициент полезного действия машины Армстронга был ничтожно мал, действовала она неустойчиво и поэтому не получила промышленного применения. Она осталась физической игрушкой, описание которой можно найти только в старинных курсах электротехники.
Неоднократно делались попытки улучшить машину Армстронга, но все они кончались неудачно. Последняя такая попытка была предпринята в 1907 г. Эрнстом Фраем. С тех пор к пароэлектрическому генератору не возвращались, так как нечего и мечтать о достаточно высоком коэффициенте полезного действия машины, дающей электрическую энергию при помощи трения.
*
В ионно-конвекционном генераторе мы также решили использовать явление переноса зарядов капельками. Но при этом заряды сообщаются капелькам не трением, а тем, что их пропускают через ионизированную среду, т. e. среду со свободными зарядами.
При таком способе значительно возрастает число капель, переносящих электрические заряды, что коренным образом меняет всю картину. Пары ртути ионизируются легче и позволяют работать при более высоких температурах, чем водяные пары, поэтому мы решили в качестве рабочего тела использовать не воду, а ртуть.
 |
| Принципиальная схема ионно-конвекционного генератора. |
Вблизи сопла помещены два электрода А и F, к которым подведено напряжение от батареи E₂. При определенной величине напряжения между электродами образуется электрическая дуга. Окружающая дугу среда ионизируется, т. e. атомы ее расщепляются, образуя электроны — отрицательно заряженные частицы — и ионы — положительно заряженные частицы. Перед широким отверстием сопла помещена металлическая сетка, которую заряжают отрицательным потенциалом от батареи E₁.
Электроны, образующиеся в результате ионизации идут к аноду А — положительному электроду, ионы — частично к катоду F — отрицательному электроду, а частично к заряженной отрицательно сетке G, как это показано стрелками на рисунке. Поэтому вокруг сетки и образуется как бы оболочка из положительных ионов.
В сопле S ртутный пар расширяется и начинает конденсироваться. При этом центром конденсации могут являться ионы. Вот почему образующиеся капельки ртути несут на себе положительные электрические заряды.
За сеткой G расположен металлический холодильник X. Попавшие на холодильник капельки отдают ему свой заряд, и холодильник заряжается положительно. Но так как тела, имеющие одноименный заряд, отталкиваются, то электрическое поле между сеткой и холодильником тормозит капельки. Поэтому на холодильник капельки приходят уже не с той скоростью, с которой они вылетели из сопла, а с какой-то остаточной скоростью, составляющей всего несколько процентов от начальной. Если бы холодильник не был заряжен (если его замкнуть, например, накоротко с сеткой G), то не было бы тормозящего электрического поля и капельки прилетали бы на холодильник с той же скоростью, какую они имели при выходе из сопла. При ударе о стенки холодильника вся кинетическая энергия капелек и пара преобразовывалась бы опять в тепловую энергию.
 |
| Ионно-конвекционный генератор с радиальными соплами. По трубе T поступает ртутный пар из котла. А₁ — фланец, являющийся выводом анода. G₁¹ и G₂¹ — фланцы, служащие выводом сеток. N — стяжной болт. M — изолирующая втулка. S — конические диски, образующие радиальные сопла. Y — поджигатель катода F. F — катод ионизирующей дуги. I — фарфоровый изолятор катода. Х₀ — рубашка водяного охлаждения конденсатора. X₁ — водяное охлаждение верхнего флянца. R — выравнивающий реостат для равномерного распределения тока ионизирующей дуги между анодами А. K — фарфоровые кольца, изолирующие фланцы анода, сеток и холодильника. Q — резиновые уплотнения. X — холодильник (конденсатор). H — труба, ведущая к вакуумному насосу. А — аноды ионизирующей дуги. G₁ — первая безпотенциальная сетка. G₂ — сетка, находящаяся под отрицательным потенциалом. G₀ — сеточный экран. О₁ — подвод охлаждающей воды к конденсатору. В — ртутеотводящая трубка. |
Таким образом за счет торможения капелек и происходит преобразование кинетической энергии в энергию электрическую.
Нагрузка генератора, т. e. объект, к которому подается напряжение от генератора, приключается к зажимам Z. Положительным полюсом является холодильник X, а отрицательным — один из электродов ионизирующей дуги.
Рассмотрим детальнее механизм преобразования тепловой энергии пара в электрическую в ионно-конвекционном генераторе.
Любое заряженное электричеством тело обладает электрическим напряжением — потенциалом. Если соприкасаются два неодинаково нагретых тела, то тепло переходит от более нагретого к менее нагретому. Точно так же если два тела имеют разный потенциал, то при соединении их какой-либо проводящей средой электричество будет переходить от тела с большим потенциалом к телу с меньшим, пока их потенциалы не сравняются. При этом производится работа, которая всегда равна произведению разности потенциалов на величину электрического заряда.
Предположим, что между холодильником и сеткой имеется разность потенциалов U. Тогда для переноса с сетки на холодильник заряда e надо совершить работу, равную Ue.
Кинетическая энергия любого тела — энергия движения — тем больше, чем больше его масса и скорость. Она равняется половине произведения массы тела на квадрат его скорости.
Назовем массу капельки m, скорость ее v, тогда кинетическая энергия капли будет \(\frac{mv^2}2\). Если бы капля двигалась к холодильнику только за счет имеющейся у нее в момент выхода из сопла кинетической энергии, то \(\frac{mv^2}2\) должно было бы быть немного больше Ue. Скорость капельки, выходящей из сопла, одного порядка с тепловыми скоростями молекул, т. e. равна нескольким стам метрам в секунду, поэтому даже в том случае, когда заряд капли равен элементарному электрическому заряду, она должна состоять из нескольких сот тысяч атомов, чтобы иметь достаточную массу и запас энергии для преодоления тормозящего электрического поля холодильника.
Таким образом, электризоваться будут только капли, обладающие достаточной массой, и только они будут переносить электрические заряды.
Однако неверно было бы заключить, что полезную работу производит только та часть пара, которая сконденсируется в капли при выходе из сопла Размеры капелек, состоящих из нескольких сот тысяч атомов, очень малы — порядка одной десятимиллионной миллиметра, поэтому поверхность их по отношению к их массе и объему весьма велика, как у всех маленьких тел. Велико поэтому и трение капелек об окружающий их пар, даже при высоких степенях разрежения последнего.
Капельки как бы увлекаются паром, и, когда под влиянием электрического поля они начинают тормозиться, пар подгоняет их, и капельки могут дойти до холодильника даже в том случае, когда живая сила \(\frac{mv^2}2\) меньше Ue.
Капельки можно рассматривать как отдельные лопатки турбины, на которые давит пар и отдает им свою кинетическую энергию. Поэтому, хотя количество перешедшего в жидкость (капли) пара может составлять всего, скажем, 20 процентов и хотя заряды будут переноситься только каплями, полезную работу будет совершать весь пар. Это потому, что при торможении капель в электрическом поле им будет передаваться энергия не сконденсировавшейся части пара. Тормозиться будет вся дисперсная среда — капли и пар в целом. Конечно, при этом не обойдется без некоторых потерь энергии: пар будет обгонять капли и придет на холодильник со скоростью, которая больше скорости капель; кроме того, благодаря трению капель о пар часть кинетической энергии пара будет опять преобразована в тепловую энергию. Но все же, благодаря тому, что капли малы и сцепление их с паром велико, только незначительная часть кинетической энергии дисперсной среды не будет преобразована в электрическую энергию и выделится на холодильнике в виде тепла.
*
Разберем детальнее процесс приобретения каплями зарядов.
Первый возможный путь — это образование капель вокруг ионов; в этом случае каждая капля будет нести элементарный положительный заряд. Но даже и в том случае, когда центром конденсации пара не будет ион и в момент образования капля ртути, ионизировавшись под воздействием дугового разряда — так называемую плазму, — неизбежно должна зарядиться.
Скорость капельки достигает нескольких сотен метров в секунду, протяженность ионизированной зоны равна нескольким сантиметрам, поэтому капельки в плазме находятся в течение нескольких десятитысячных долей секунды. Этого времени вполне достаточно, для того чтобы капелька успела приобрести потенциал плазмы, а так как плазма имеет положительный потенциал по отношению к сетке, то и капелька оказывается заряженной положительно.
Можно провести аналогию между ионно-конвекционным генератором и обыкновенной электростатической машиной, в которой тела, переносящие заряды, электризуются благодаря касанию о заряженный кондуктор. Плазму можно сравнить со своеобразной щеткой электрической машины, которая, в отличие от обыкновенной, передает заряды, не вызывая потерь на трение.
В 1936 г. нами была построена экспериментальная установка, которая подтвердила принципиальную возможность создания ионно-конвекционного генератора.
Мощность, отдаваемая ионно-конвекционным генератором, как это легко сообразить, должна быть прямо пропорциональна площади выходного отверстия сопла, поэтому конструкция ионно-конвекционного генератора должна быть такова, чтобы обеспечить максимальную площадь выходного отверстия сопла при минимальных размерах всего генератора. Это требование выполнено в конструкции ионно-конвекционного генератора с радиальными дисковыми соплами.
Известно, что коэффициент полезного действия установки тем больше, чем больше начальные давление и температура.
В машинах, где есть вращающиеся детали, не могут быть применены очень высокие давления и температуры, так как при этом меняются размеры деталей и их прочность, что нарушает нормальную работу машины.
Основным ценнейшим свойством ионно-конвекционного генератора является то, что это — машина, не имеющая вращающихся частей. Благодаря этому можно будет применить в нем начальные давление и температуру, значительно более высокие, чем в турбинах, а следовательно, можно ожидать более высокого коэффициента полезного действия.
По поводу возражений, выдвигаемых против ионно-конвекционного генератора, мы считаем не лишним привести цитату из записной книжки одного из творцов паровой турбины, Лаваля:
«Всецело проникнутый истиной, что скорость является небесным даром, я еще в 1876 г. осмелился думать об успешном применении пара, направленного непосредственно на колесо для получения энергии. Это было смелое предприятие. В то время были известны лишь малые скорости. Скорости, позднее применявшиеся в сепараторе, в те времена казались невероятными, а в современных руководствах писалось о паре: жаль, что плотность пара так мала, что не допускает мысли применения его на колесе для получения механической работы. Мне, однако, это удалось».
Эти слова еще раз подтверждают, что смелым, революционным пересмотром самых основ современных методов получения электрической энергии можно добиться новых значительных успехов.
Комментариев нет:
Отправить комментарий