Читать онлайн «Большая энциклопедия техники». Страница 253

Электрическая машина

Электрическая машина – это устройство, которое совершает полезную работу за счет преобразования электрической энергии в другой вид энергии, или это машина, которая преобразует механическую энергию в электрическую или обратно, либо электрическую энергию опять же в электрическую, но с другими параметрами. Электрические машины, преобразующие механическую энергию в электрическую, называются электрическими генераторами.

Электрический генератор – это устройство для преобразования в электрическую энергию неэлектрические виды энергии, такие как тепловая, механическая, химическая и т. д. В зависимости от вида энергии и принципа преобразования различают следующие типы генераторов: электромашинный, в котором механическая энергия преобразуется в электрическую; электростатический; солнечный термоэлектрический; электрохимический. В свою очередь электромашинные генераторы делятся на синхронные и асинхронные. Среди них наиболее распространены синхронные электромашинные генераторы, вырабатывающие переменный ток промышленной частоты.

В электростатическом генераторе напряжение создается при помощи механического переноса электрических зарядов механическим транспортером. Наибольшее напряжение электростатического генератора – 20 МВ (в настоящее время разрабатываются электростатические генераторы на напряжение до 30 МВ).

Солнечный термоэлектрический генератор служит для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.

Термоэлектрический генератор с помощью системы обеспечивает концентрацию лучистого потока. Может быть использован в качестве источника энергопитания автономных потребителей мощностью до сотен Вт.

Электрохимический генератор использует принцип прямого преобразования химической энергии реакции топлива и окислителя в электрическую. Реакция преобразования происходит без промежуточного превращения химической энергии в тепловую и соответствующих неизбежных потерь, определяемых принципом Карно, присущих всем тепловым двигателям, причем реакция превращения происходит в самом топливном элементе.

Первое поколение энергетических установок с электрохимическим генератором базировалось на водород-кислородных топливных элементах со свободно циркулирующим щелочным электролитом. Почти одновременно проводились работы по созданию генераторов на более совершенных топливных элементах – с твердополимерным электролитом и с матричным щелочным электролитом.

В этой борьбе двух идей окончательную победу одержала система с матричным щелочным электролитом, которая при одинаковых с твердополимерным топливным элементом массогабаритных показателях и высоком ресурсе обеспечивает на 20—25% более высокую экономичность процесса генерации электроэнергии. Для этой системы освоена стабильная технология, проверенная при изготовлении более сотни генераторов.

Характеристики электрохимического генератора: масса блока – 572 кг, мощность – 40 кВт. Блок электрохимического генератора позволяет выдавать напряжение не ниже 59 В при КПД на номинальном режиме (40 кВт) не ниже 70% и на нагрузке 20% (8 кВт) – не ниже 79%.

В настоящее время активно ведутся работы по твердополимерным топливным элементам, и направлены они на улучшение массогабаритных характеристик и экономичности самих элементов, а также – на снижение стоимости и повышение качества твердополимерных мембран.

К достоинствам энергетических установок с электрохимическим генератором относятся высокий коэффициент полезного действия, абсолютная экологическая чистота, малошумность, низкий уровень температур и значительно меньшее количество отводимого тепла, а также высокая энергоемкость.

Последний параметр очень важен при использовании генератора на подлодках, так как позволяет почти в 10 раз увеличить дальность непрерывного подводного плавания (по сравнению с дальностью плавания традиционной дизельэлектрической подводной лодки).

Электрохимические генераторы могут с высокой эффективностью использоваться во всех тех случаях, когда требуется длительное и надежное обеспечение электроэнергией при отсутствии возможности контакта с атмосферой и когда важны высокий КПД производства электроэнергии, малые габариты оборудования, малошумность, экологическая чистота и небольшие выделения тепла в окружающую среду.

Следует отметить еще один важный момент: компактное хранение водорода – одна из наиболее сложных задач, решаемых при создании электрохимических генераторов. В 1991 г. была отработана технология системы хранения водорода для второго поколения генераторов, изготовлены два опытных образца интерметаллидного накопителя, испытаны в стендовых условиях и всесторонне освоены, продемонстрировав очень хорошие эксплуатационные качества. Но по мере увеличения энергоемкости установок выявилось, что предпочтительней система генерации водорода на борту подводной лодки из углеводородного топлива, поэтому уже сейчас наряду с поиском более водородоемких и дешевых интерметаллидов ведутся проработки и исследования по конверсии углеводородного топлива.

Электрический двигатель – это машина, преобразующая электрическую энергию в механическую.

Электролитический конденсатор – это электрический конденсатор, который состоит из двух проводников (обкладок), разделенных диэлектриком, состоящим из слоя окиси алюминия, нанесенного электролитическим путем на алюминиевую фольгу (анод), находящуюся в контакте с вязким раствором электролита, которым пропитана бумажная или марлевая прокладка.

Электролитические конденсаторы обладают униполярностью емкости, т. е. на выводе конденсаторов подается «плюс», а на корпус – «минус». Электролитический конденсатор имеет недостаточную стабильность по емкости при высоком tg B. Чаще всего данные конденсаторы имеют емкость до 2000 мкФ при отсутствии рабочего напряжения постоянного тока на единицу толщины диэлектрика, при тангенсе угла потерь от 500 до 2500 (tg B умножить на 104), при отсутствии удельной реактивной мощности. Для временного включения на переменное напряжение электролитические конденсаторы могут быть двуанодными, и их основным преимуществом является большая емкость, которая достигает 2000 мкФ при напряжении от 6 до 12 В.

Адсорбционный насос – вакуумный насос, в основе действия которого лежит явление адсорбции, т. е. откачиваемый газ адсорбируется на поверхности различных газопоглощающих веществ, например цеолита или геттера. Принцип действия адсорбционных насосов основан на способности предварительно лишенных газа твердых пористых тел поглощать газы и пары в основном за счет физической адсорбции.

Адсорбционные насосы нашли применение в системах безмасляной откачки как для создания предварительного разрежения, так и для получения и поддержания весьма низкого давления в высоковакуумных сосудах. В качестве поглощающих материалов (адсорбентов) могут применяться силикагели, алюмогели, цеолиты и активированные угли. Однако наибольшее распространение в качестве адсорбента получили цеолиты, представляющие собой алюмосиликаты щелочного или щелочно-земельного металла, природного или искусственного происхождения.

Пористую структуру и очень хорошие адсорбирующие свойства они приобретают после прокаливания; при этом кристаллическая решетка не разрушается, но после удаления кристаллизационной воды в цеолитах получаются равномерные по размерам тонкие поры. В поры могут проникать только те газы, диаметр молекул которых меньше размера пор, т. е. цеолиты обладают избирательным поглощением газов, это дало повод называть их молекулярными ситами. Например, цеолит марки СаА обладает порами с диаметром 0,5 нм, цеолит марки NaX – 0,9 нм. Напомним, что диаметры молекул основных атмосферных газов О2, N2, СО2 близки к 0,3 нм. Многочисленные поры образуют большую удельную поверхность. Так, у цеолита СаА поры имеют удельную поверхность, достигающую 600 м2/г.

Недостатком цеолитов, как, впрочем, и других адсорбентов, является то, что они плохо поглощают инертные газы, в частности аргон, содержание которого в воздухе достигает 1%, а также практически полная их неэффективность по отношению к газам с очень низкой точкой кипения (Н2, Не, Ne). С увеличением количества поглощенного газа при неизменной температуре адсорбента возрастает равновесное давление откачиваемого газа. Вместе с тем при одном и том же количестве поглощенного газа равновесное давление над поверхностью адсорбента тем меньше, чем ниже его температура. Поэтому в вакуумных адсорбционных насосах адсорбент обычно охлаждается жидким азотом и, реже, жидким водородом или гелием. В цилиндрический корпус, изготовленный из нержавеющей стали, вставлена перфорированная трубка. Кольцевое пространство между трубкой и корпусом заполнено адсорбентом. Для охлаждения адсорбента на насос снизу надевается сосуд Дьюара, в который заливают жидкий азот. После окончания откачки кран на входе насоса закрывается, сосуд Дьюара снимают, и насос отогревается до комнатной температуры. При этом вследствие обратного выделения газа из адсорбента давление в объеме насоса может превысить атмосферное. В связи с этим в верхней части насоса предусмотрен клапан (пробка), предохраняющий насос от разрушения при выделении газа из адсорбента. Такого отогрева с выпуском выделяющихся газов в атмосферу достаточно, чтобы насос был готов к следующему циклу откачки. Предельное остаточное давление адсорбционного насоса определяется адсорбционной емкостью адсорбента и зависит от количества поглощенного насосом газа. С целью получения низких предельных остаточных давлений рекомендуется осуществлять предварительную откачку сосуда до давления 104 Па водоструйным или механическим вакуумным насосом. Иногда в качестве насоса для форвакуумной откачки используют другой адсорбционный насос.