Сборник 70 студ конференции БГТУ

722

Исходя из выведенной формулы, КПД цикла Тринклера увеличивается с ростом степени сжатия ε и уменьшается с увеличением степени изобарного расширения ρ. Степень изохорного повышения давления λ связана с величиной ρ, ведь при повышении λ уменьшается параметр ρ; соответственно, выше КПД цикла Тринклера.

На практике для повышения КПД двигателей, работающих по циклу Тринклера, используются комплексные решения данного вопроса – на данных двигателях чаще всего используется короткоходная компоновка, наддув, высокая степень сжатия (16-21:1) и промежуточное охлаждение засасываемого воздуха. К слову, все выпускаемые двигатели, работающие на жидком тяжелом топливе, работают по циклу Тринклера.

Сравнивая все рассмотренные циклы, можно сказать, что на практике самый высокий термический КПД имеет цикл Тринклера; причиной этому являются именно применяемые степени сжатия в двигателях с этими циклами – около 16…20 единиц.Механический КПД ДВСТринклера также имеет самое высокое значение.

Работа выполнена под руководством проф. каф. «Общая физика» В.И. Попкова

В.В. Жакулин, Д.А. Иванин ДЕТОНАЦИЯ В ДВИГАТЕЛЯХ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Объект исследования: поршневые двигатели внутреннего сгорания Результаты, полученные лично автором: определены основные причины

и способы устранения детонации, а так же рассмотрена структура детонационных и ударных волн.

В режиме дефлаграционного т.е. медленного горения его распространение по газу обусловливается нагреванием, происходящим путем непосредственной передачи тепла от горящего к еще не воспламенившемуся газу. Наряду с режимом медленного горения возможен и совсем иной механизм распространения горения, связанный с ударными волнами т.е детонационное горение.

Если рассматривать сгорание горючей смеси послойно, то в результате термического расширения объема продуктов сгорания каждый раз впереди фронта пламени возникает волна сжатия. Каждая последующая волна, двигаясь по более плотной среде, догоняет предыдущую и накладывается на нее. Постепенно эти волны соединяются в одну ударную волну.

Ударная волна вызывает при своем прохождении нагревание газа — температура газа позади волны выше, чем впереди нее. Если интенсивность ударной волны достаточно велика, то вызываемое ею повышение температуры может оказаться достаточным для того, чтобы в газе могло начаться горение. Ударная волна при своем движении будет тогда как бы поджигать газовую смесь, т. е. горение будет распространяться со скоростью,

723

равной скорости волны, — гораздо быстрее, чем при обычном горении. Такой механизм распространения горения называют детонацией.

За ударной волной будет следовать передвигающийся вместе с нею слой, в котором и происходит горение, причем толщина этого слоя равна произведению скорости распространения волны на время т1. При достаточно больших характерных размерах задачи можно рассматривать ударную волну вместе со следующей за ней областью горения как одну поверхность разрыва, отделяющую сгоревший газ от несгоревшего. О такой «поверхности разрыва» мы будем говорить как о детонационной волне.

Детонационная волна движется относительно остающегося непосредственно за нею газа со скоростью, равной или меньшей скорости звука;

Что касается скорости волны относительно несгоревшего газа, то она всегда является сверхзвуковой:

Перемещаясь со сверхзвуковой скоростью, детонационная волна, как и ударная волна, никак не влияет на состояние находящегося перед нею газа. Скорость перемещения волны относительно исходного неподвижного газа и есть та скорость, о которой надо говорить как о скорости распространения детонации в горючей смеси.

Фактически структура детонационной волны существенно нестационарна и существенно трехмерна; волна имеет вдоль своей площади мелкомасштабную, быстро меняющуюся со временем сложную структуру. Ее возникновение представляет собой результат неустойчивости, связанной прежде всего с сильной (экспоненциальной) температурной зависимостью скорости реакции уже небольшие изменения температуры при искажении формы ударного фронта сильно отражаются на ходе реакции; эта неустойчивость выражена тем сильнее, чем больше отношение активационной энергии реакции к температуре газа (за ударной волной).

Исследования показали, что поверхность детонационной волны является как бы кипящей: она покрыта мельчайшими пузырями, колеблющимися вперед-назад с частотой несколько миллионов в секунду. Описанный газодинамический механизм и осуществляет столь быстрое превращение вещества при детонации, скорость распространения которой сравнима с космической и достигает нескольких тысяч метров в секунду.

Внешними признаками детонации являются появление звонких металлических звуков в цилиндрах двигателя, снижение мощности и перегрев двигателя, выброс из выхлопной системы черного дыма. На индикаторной диаграмме, записанной при детонации, в зоне максимальных давлений наблюдается их резкое колебание в виде острых пиков.

Возникновению детонации способствуют нестойкие в отношении детонации топлива с малыми октановыми числами, обогащенные составы смеси, высокая степень сжатия, большие нагрузки на двигатель, снижение частоты вращения вала двигателя, чрезмерно большой угол зажигания, перегрев стенок камеры сгорания.

724

Детонационное сгорание возникает в наиболее отдаленном от свечи зажигания месте, расположенном около горячих стенок. Смесь до прихода фронта пламени нормального сгорания успевает в таких местах сильно перегреться и подвергается интенсивному сжатию и распространению фронта пламени, что способствует быстрому развитию предпламенных реакций.

В результате таких процессов возникает самовоспламенение смеси с самоускоряющимися процессами. Сгорание приобретает взрывной характер с резким местным повышением температуры и образованием ударной волны давления. Отражаясь от стенок камеры сгорания, ударная волна образует новые волны и новые очаги воспламенения. Ударные волны, действуя локально и кратковременно, не повышают работу газов, но резко увеличивают теплоотдачу в стенки, механические и тепловые ударные нагрузки на детали, газовую коррозию поверхностей, особенно днищ поршней

Работа выполнена под руководством проф. каф. «Общая физика» В.И. Попкова

Е.О. Иванов, П.А. Земляков ЛАЗЕРЫ УЛЬТРАКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ

Объект исследования: лазеры ультракоротких импульсов. Результаты, полученные лично авторами: проведено теоретическое

исследование лазеров ультракоротких импульсов, проанализированы перспективы их использования во многих сферах человеческой деятельности.

Лазер – это устройство, преобразующее энергию накачки в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения. Одной из важнейших проблем лазерной физики и квантовой электроники является генерация лазерного излучения в виде импульсов предельно малой длительности. Решение этой проблемы открывает пути создания лазеров, обладающих предельно высокой интенсивностью излучения. С помощью таких лазеров можно получить концентрацию энергии, сравнимую с концентрацией энергии при ядерном взрыве. Другим обстоятельством, мотивирующим развитие лазеров ультракоротких импульсов (УКИ), является необходимость измерения предельно коротких интервалов времени, что позволяет исследовать различные быстропротекающие процессы.

Лазер с использованием внутрирезонаторного просветляющегося поглотителя с одновременной – модуляцией и пассивной синхронизацией мод стал лазером УКИ первого поколения. Второе поколение лазеров УКИ появилось в результате открытия лазеров на органических люминесцентных красителях. Особенностью активных сред этих лазеров была огромная ширина полосы усиления, позволяющая создавать лазеры с плавной перестройкой длины волны в широком диапазоне. Возникло два направления развития лазеров УКИ. Первое – использование твердотельных лазеров с

725

ламповой накачкой, генерирующих пикосекундные импульсы с высокой мощностью. Второе – использование лазеров на красителях непрерывного действия со сравнительно малой мощностью, но с фемтосекундными импульсами. Значительным этапом в разработке твердотельных лазеров УКИ стало создание твердотельных лазерных материалов, пригодных для генерации УКИ. В результате появились так называемые вибронные кристаллы с широкими полосами поглощения и усиления (сапфир, форстерит, черный гранат). Замена струй красителей вибронными кристаллами сделала фемтосекундные лазеры компактными и надежными в эксплуатации. Лазеры на вибронных кристаллах с пассивной синхронизацией мод за счет керровской линзы стали третьим поколением лазеров УКИ. Их усовершенствование привело к генерации УКИ длительностью 5,4 фс. Но у фемтосекундных лазеров с керровской линзой есть существенный недостаток

– высокие требования к лазеру накачки, который должен работать с достаточно высокой и стабильной выходной мощностью. Решением проблемы стали работы по твердотельным лазерам с диодной полупроводниковой накачкой и волоконно-оптическим системам. Волоконные лазеры фемтосекундных импульсов с диодной накачкой стали лазерами УКИ четвертого поколения. Они исключительно компактны, а стоимость используемых для их накачки источников на порядок меньше, чем для лазеров с керровской линзой.

Уникальные свойства фемтосекундных лазеров определяют их широчайшее применение в различных областях науки (нелинейная и волоконная оптика; прецизионная спектроскопия; лазерная плазма; источники рентгеновского излучения), техники (сверхбыстродействyющая оптоэлектроника; осциллография c субпикосекундным разрешением; прецизионная обработка материалов; разделение изотопов) и медицины (оптическая когерентная томография; прецизионная хирургия; изготовление кардиологических микропротезов). Эффективность практического использования УКИ может быть обусловлена минимальной длительностью импульса и связанной c нею малой временной когерентностью, максимальными пиковой мощностью и интенсивностью, большими временной когерентностью и средней мощностью цуга УКИ.

Работа выполнена под руководством доц. каф. «Общая физика» И.О. Мачихиной

А.А. Круговых УЛЬТРАТОНКАЯ ОРГАНИЧЕСКАЯ СОЛНЕЧНАЯ БАТАРЕЯ

НА ПОЛИМЕРНОЙ ПОДЛОЖКЕ

Объект исследования: органическая фотоэлектрическая солнечная батарея.

Результаты, полученные лично автором: проанализировано устройство органической фотоэлектрической солнечной батареи и ее характеристики.

726

С момента установления законов фотоэффекта в 1888 году русским ученым Александром Григорьевичем Столетовым, данное физическое явление весьма широко используется в науке и технике. В частности, в настоящий момент легкие и механически прочные фотоэлектрические преобразователи солнечной энергии представляют повышенный интерес для современной техники и в этом плане органические фотоэлектрические солнечные батареи являются весьма перспективными.

Недавно группой ученых из Австрии и Японии был представлен прототип ультратонкой фотоэлектрической солнечной батареи на полимерной подложке. Схема устройства органической фотоэлектрической солнечной батареи показана на Рисунке 1. Батарея содержат два электрода, светочувствительный активный слой и транспортный слой. Общая толщина функционального слоя фотоэлектрической ячейки – несколько сотен нанометров. К основным преимуществам солнечных батарей данного типа относят низкую стоимость, малый вес, гибкость и возможность рулонного хранения при больших объемах производства. Эффективность преобразования энергии в батарее составляет 4,5%, что является хорошим результатом для нынешних пленочных солнечных батарей. Удельная (по массе) мощность составляет 10 ватт на грамм. Для сравнения, «жёсткие» модули солнечных батарей на основе мультикристаллического кремния обладают удельной мощностью в 10 ватт на килограмм. Устройство, приклеенное к эластичной плёнке, не повреждается даже при сильной деформации под нажатием стержня диаметром 1,5 мм.

Meталлический электрод

(115 nm Ca/Ag)

Aктивная пленка (200 nm P3H T:

PCBM)

Прозрачный электрод (150 nm PEDOT:PSS)

Рис.1. Схема устройства органической фотоэлектрической солнечной батареи.

Как видно из рис. 1 опытный образец фотоэлектрического преобразователя насчитывает в толщину всего 1,9 микрометра. Это примерно в десять раз меньше, чем у любых тонкоплёночных солнечных батарей, созданных ранее.

Основная цель при построении тонких солнечных батарей – продемонстрировать и применить свойства непрерывного преобразования оптической энергии в электрическую при максимальной механической деформации. В опытах исследователей также производилось снятие вольтамперных характеристик устройств на стеклянной подложке и гибкой

727

подложке эластомера. Все параметры подбирались таким образом, что в недеформированном образце мощность была максимальна. Исследователи установили, что при сжатии материала батареи до 70% ее отдаваемая мощность падает незначительно. А при восстановлении исходных форм и размеров отдаваемая мощность приобретает значение близкое к первоначальному.

Хотя сжатие и растяжение устройства вызывает очень небольшое изменение в его производительности устройства, эти изменения могут накапливаться в течение многих циклов. Циклическое испытание показывает постепенное снижение отдаваемого тока и выходной мощности, на 27% после 22 циклов.

Эффективность преобразования энергии солнечного элемента непосредственно соответствует мощности на единицу площади, и является основным показателем для описания эффективности солнечных батарей. Тем не менее, при рассмотрении данного параметра часто берут выходную мощность на единицу массы (удельная масса в ваттах на грамм). Такой подход удобен для легкой летающей техники. Так метеорологические воздушные шары, беспилотные летательные аппараты или любые другие системы дистанционного исследования должны иметь малый вес и достаточную длительность автономной работы. Применение пленочных солнечных батарей также эффективно для легких автономных источников питания.

Несмотря на это, электрически активные компоненты этого образца, в принципе, не отличается от других распространенных пленочных солнечных батарей, но при этом предложенная ультратонкая солнечная батарея теперь составляет всего лишь примерно 25% от общей толщины и 45% от общей массы.

Как правило, подобная технология становится жизнеспособной, где требуется временные, большого объема и легкие источники питания. Поэтому чрезвычайная гибкость и большая удельная мощность данных солнечных элементов, продемонстрированная исследователями, позволяет реализовать их уникальный потенциал в качестве источников питания.

Работа выполнена под руководством доц. каф. «Общая физика» С.Б. Рыбалка

А.АЛапицкая ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УЧАСТКАХ

МИКРОЭЛЕКТРОННОГО ПРОИЗВОДСТВА

Объект исследования: Техника безопасности на участке эпитаксии. Результаты, полученные лично автором: исследованы основные

источники опасности при работе с эпитаксиальными реакторами, предложены меры дополнительной безопасности.

Установки эпитаксиального наращивания предназначены для получения эпитаксиальных слоев кремния различной проводимости, а также для

728

карбидизации графитовой подставки, покрытия подставки поликристаллическим слоем кремния, травления подложек и подставок газообразным хлористым водородом. В ЗАО «Группа Кремний Эл» используется установка «Эпиквар».

Работа на этой установке связана с применением токов высокой частоты и следующих химических веществ:гидридсодержащих смесей и галогенидов кремния, бора, фосфора, мышьяка, сурьмы (фосфина, диборана, арсина, тетрахлорида кремния, треххлористого мышьяка, треххлористого фосфора, трехбромистого бора).

Большинство гидридов элементов III—V групп представляют легколетучие, огнеопасные, взрывоопасные и чрезвычайно токсические вещества (моносилан, фосфин, диборан и т. д.). Применяются они в виде разбавленных смесей с водородом или инертным газом. Транспортировка гидридов должна производиться в специальных баллонах, имеющих четкую маркировку. Баллоны должны удовлетворять требованиям, изложенным в «Правилах устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением», и при транспортировке закрепляться каждый раздельно в специальных стойках с амортизирующими прокладками.

Система газораспределения совместно с реактором должна быть проверена на герметичность во избежание подсоса воздуха или утечки газа. В случае подсоса воздуха в реактор или утечки водорода из газовых коммуникаций или реактора возможен взрыв в результате образования взрывоопасной смеси.

Предложен порядок пуска скруббера во избежание взрыва. При замене баллонов с гидридсодержащими смесями или испарителя с тетрахлоридом кремния должны быть отключены электропитание и подача водорода.

Работа выполнена под руководством доц. каф. «Электронные, радиоэлектронные и электротехнические системы»» М.Ю. Некрасовой.

Е.В. Марин СПОСОБЫ УМЕНЬШЕНИЯ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ ПРИ ПЕРЕДАЧЕ

ПОТРЕБИТЕЛЮ

Объект исследования – потери энергии при ее передаче.

Результаты, полученные лично автором: подробно рассмотрены потери электроэнергии при ее передаче потребителю.

Потери составляют 15-17% от энергии, вырабатываемой на электростанциях.Одна из важных для энергетической отрасли проблем сегодня – потериэлектроэнергии. В связи с тем, что растет количество потребителей электроэнергии, растут и потери.

Потери можно разделить на 5 основных групп:

1.Перемагничивание

2.Выделение Джоулевского тепла

3.Излучение ( дуга )

4.Скин-эффект

729

5. Утечки на землю Перемагничевание.Так как в первичной обмотке трансформатора

течетпеременный электрический ток, то в магнитопроводе создается переменный магнитный поток и происходит постоянное перемагничивание магнитопровода из ферромагнитного материала. Ферромагнитный материал обладает петлей магнитного гистерезиса. Работа по перемагничиванию магнитопровода определяется по формуле: =1/4П , где S - это площадь петли гистерезиса. Энергия, которая затрачивается на перемагничивание, переходит в тепло, нагревающее магнитопровод.Трансформатор на перемагничивании теряет около 3-4 % энергии, поданной на первичную обмотку при номинальном режиме работы.

Пути решения этой проблемы:

1.Не допускать работу трансформатора не в номинальных режимах.

2.Получение новых магнито-мягких материалов.

3.Использовать тепло, которое выделяется в трансформаторе, на обогрев рабочих помещений.

Выделение Джоулевского тепла. При передаче электроэнергии на дальние расстояния возникает проблема потерь в проводах лини электропередач, связанная с выделением тепла по закону Джоуля-Ленца. На эти потери уходит приблизительно 8-10% передаваемой электроэнергии.

Пути решения этой проблемы:потери, связанные с выделением Джоулевского тепла, можно уменьшить,передавая электроэнергию по высоковольтным линиям электропередач.

Горения дуги. При размыкании контактов электрического аппарата вследствие ионизации пространства между ними возникает электрическая дуга. Промежуток между контактами при этом остается проводящим и прохождение тока по цепи не прекращается.Расчеты потерь в дуге затруднены и относительно других ранее рассмотренных потерь незначительны, но экономические потери очень весомы так, как из-за большой температуры плавятся и обгорают контакты ключей и выключателей.

Пути решения этой проблемы:возникновения дуги предотвращается одним способом – увеличением искрового пространства. Это возможно сделать с помощью быстродействующих выключателей масленого или вакуумного типа.

Скин-эффект. На высоких частотах ток в проводнике стремится расположиться в тонкой области около поверхности проводника (скин-слое). Это явление называется – скин-эффект.Толщинускин-слоя определяют по формуле: δ=√(1/(σпµ0µr )), где δ – глубина скин-слоя, σ – проводимость материала, µ0- магнитная постоянная, µr- относительная магнитная проницаемость, f -частота.Потери энергии заключаются в том, что весть ток, который течет в цепи, рпспределяется в основном в скин-слое. Это значит, что сопротивление проводника растет, следовательно, растут потери связанные с выделением Джоулевского тепла.