Вакуумная техника в энергетике
Энергетика охватывает области получения, передачи, преобразования и использования различных видов энергетических ресурсов. Наиболее распространенными видами энергетики являются тепловая электроэнергетика, гидроэнергетика и атомная энергетика, включая термоядерную. Особняком стоят генераторы прямого преобразования тепловой и химической энергии в электрическую. Практически в каждой из перечисленных областей находит применение вакуумная техника либо вакуумная технология.
Наиболее широко используемыми являются тепловые электростанции, основой которых служат котельные установки. Топливо транспортируется, измельчается и подсушивается. Подвод тепла и отвод влаги от топлива производится в специальных сушильных установках. По давлению среды в рабочем пространстве сушилки разделяются на атмосферные, вакуумные и высоковакуумные — сублимационные . Незначительное количество вещества обрабатывается в камерных сушилках, а большое количество — в туннельных сушилках непрерывного действия. Основной частью сушилки является удлиненная камера, внутри которой высушиваемый материал перемещается в продольном направлении.
Уголь можно сушить в барабанных сушилках горизонтальных или наклонных цилиндрах, или конических барабанах, вращающихся со скоростью 0,5-8 об/мин. Сушка происходит в условиях низкого вакуума.
Для деаэрации воды, питающей котел, на тепловых электростанциях устанавливают деаэраторы — устройства для удаления растворенных газов. При отсутствии деаэрации воды, подаваемой в парогенераторы, растворенные в воде газы (кислород и свободная двуокись углерода), выделяясь в парогенераторе или тепловой сети, вызывают коррозию металла. Среди средств деаэрации большое распространение получили вакуумные деаэраторы. В работе рассмотрены условия эффективной деаэрации, эффективного нагрева жидкости и гидродинамической устойчивости в вакуумных деаэраторах.
Уралльский технологический институт разработал конструкцию трехкамерного вакуумного деаэратора (ТВД) . ТВД обеспечивает ступенчатую деаэрацию воды в трех камерах, имеющих разное давление газа и хорошую вентиляцию паровых пространств.
Работа камеры исключает гидростатическую депрессию, а следовательно, и недогрев, отрицательно сказывающийся на десорбции О2 и, СО2. При расширении воды в струях обеспечивается развитая поверхность контакта пара с водой, что в сочетании с развитым вентиляционным потоком (не менее 5-10% расхода воды) обеспечивает глубокую деаэрацию.
Вакуумная технология находит применение при производстве турбогенераторов. Корпорация Chromalloy Gas Turbine Corp. производит упрочняющие покрытия для высокотемпературных турбин . При производстве покрытий используются вакуумные насосы, которые должны откачивать пары, содержащие хлор и частицы силиката. Корпорация с 1990 г. начала использовать для откачки установки KLRC Kinney Vacuum Co. KLRC — двуступенчатая установка, состоящая из двух жидкостно-кольцевых вакуумных насосов типов 304 и 316. В качестве рабочей жидкости насосов используется вода, которая нейтрализуется едким натрием. Установка KLRC работает в 2,5-3 раза дольше, чем установка из чугуна. Остаточное давление 4-103Па. При использовании жидкости с меньшим давлением насыщенных паров можно получить остаточное давление 103 Па.
В турбогенераторостроении вакуумная техника находит место также в связи с использованием явления сверхпроводимости . Одной из основных задач при создании сверхпроводящих генераторов является конструирование вакуумной тепловой защиты криогенной зоны с расположенной в ней сверхпроводящей обмоткой и системой подачи криоагента.
Применение сверхпроводящих генераторов может в ближайшем будущем начаться для парогазовых установок и установок на твердом топливе с мощности в 200 МВт, для АЭС при мощности 600-800 МВт. Опытные сверхпроводящие турбогенераторы с начала 80-х годов выпускаются в США, Японии, России.
Достижения в области криогенной техники и техники сверхпроводимости позволяют осуществить технически более совершенные и экономичные решения в области получения сильных токов . Применение криогенной техники в электротехнических и энергетических установках считается будущим криоэнергетики и охватывает следующие области:
1. Производство электроэнергии: МГД-генераторы со сверхпроводящими магнитами, турбогенераторы со сверхпроводящей обмоткой якоря, термоядерные генераторы со сверхпроводящими магнитами.
2. Накопители энергии со сверхпроводящими магнитами.
3. Электропривод: двигатели со сверхпроводящей обмоткой возбуждения, электромагнитные системы подвеса со сверхпроводящими магнитами (транспорт на магнитных опорах).
4. Передача энергии с помощью сверхпроводящего кабеля.
В качестве автономных источников энергии небольшой мощности на космических летательных аппаратах, самолетах, судах и т.д. широко используются электрические генераторы — установки непосредственного преобразования различных видов энергии в электрическую . Суммарная их мощность превосходит мощность всех электростанций вместе взятых.
При производстве термоэлектрических, термоэмиссионных генераторов и солнечных элементов используется вакуумная техника и технология.
Действие термоэмиссионных генераторов (ТЭГ) основано на эффекте Ноттингема. В результате теплового возбуждения электронов происходит термоэмиссия. Конструкция ТЭГ представляет собой два электрода, разделенных небольшим промежутком и включенных в цепь с нагрузочным сопротивлением. Различают вакуумные и газонаполненные термоэмиссионные генераторы. Для эффективной работы ТЭГ важно хорошее обезгаживание термоэмиссионной сборки, включая электроды. Предложен способ дегазации ТЭГ с эмиттером и коллектором из вольфрама. При достижении с помощью откачки давления остаточного газа (около 10-4Па) начинают плавный подъем мощности. По достижении температуры эмиттера 1900-2000К производят плавный нагрев коллектора до температуры 1000-1050К за счет изменения давления газа в системе теплоотвода. Это позволяет удалить с коллектора поверхностные загрязнения. После окончательной дегазации производится напуск паров цезия. Такая процедура позволяет повысить удельную входную мощность с 5 до 8-9,5 Вт/см2
Термоэлектрические генераторы используют эффект Зеебека: в замкнутой цепи, состоящей из разных материалов, протекает электрический ток при разной температуре их контактов. Несколько термопар объединяют в батарею. При создании термоэлементов используется пленочная технология, основным оборудованием которой являются вакуумные напылительные установки, и полупроводниковая технология, также использующая различные типы вакуумных установок. Например, миниатюрный термоэлектрический генератор (ТЭГ) может быть изготовлен с применением технологии производства МОП-приборов . ТЭГ изготовляется на основе монокристаллического кремния на сапфировых подложках и поликристаллического кремния на кварцевых подложках.
Внимание исследователей многих стран уже давно привлечено к разработке эффективных средств преобразования солнечной энергии, практическое использование которой не связано с загрязнением окружающей среды и нарушением теплового баланса планеты . Повышенный интерес к фотоэлектрическому методу преобразования энергии обусловлен реальной возможностью создания стабильной в эксплуатации, дешевой и высокоэффективной солнечной энергии.
Актуальной проблемой современной полупроводниковой солнечной энергетики является создание тонкопленочных солнечных элементов . В полупроводниках с прямыми оптическими переходами коэффициент поглощения излучения столь велик, что поглощение фотоактивной части происходит в слое менее нескольких микрон. В то же время большинство солнечных элементов, изготовленных из монокристаллических полупроводников имеет толщину 200-300 мкм, поскольку применение в массовом производстве более тонких пластин не удается из-за их высокой хрупкости.
В этом разрыве между теорией и практикой возможно таится резерв дальнейшего удешевления солнечных элементов, который может сделать целесообразным и экономически оправданным использование солнечных элементов не только в системах с автономным энергоснабжением космических аппаратов, но и в наземных электрических системах различной мощности.
При производстве тонкопленочных солнечных элементов большую роль играет вакуумная технология. Вакуумное оборудование необходимо, например, при физическом осаждении из паровой фазы — вакуумном испарении. Вакуумная система содержит диффузионные и вспомогательные форвакуумные насосы и должна обеспечивать давление 10-4-10-6 Па. Такая система наиболее часто используется для создания тонких пленок в основном благодаря небольшой стоимости, простоте и высокой скорости откачки. При использовании в диффузионных насосах специальных масел (например, полифенилового эфира), криогенных отражателей и полностью металлической конструкции в системе достигается сверхвысокий вакуум с давлением в диапазоне 10-6-10-8 Па. Другая стандартная сверхвысоковакуумная система основана на применении ионно-распылительного насоса в сочетании с сорбционными и вспомогательными титановыми сублимационными насосами.
Солнечные элементы создаются на основе разных материалов: сульфида меди, тонкопленочного поликристаллического кремния, CdTe, CdS..
При изготовлении солнечных элементов на основе аморфного кремния используется магнетронное ионное распыление, которое также проводится в вакууме.
Изучаются возможности создания солнечных элементов с применением ионного осаждения. Легирование пленок галлием позволяет значительно изменить их удельное электросопротивление. Ионное легирование проводится на установках ионной имплантации, в которые также входит большое количество разнообразной вакуумной аппаратуры: турбомолекулярных и крионасосов и вакуумных измерительных приборов.