Хөдөлгүүр

Одоогийн бидний хэрэглэдэг хувцас, тавилга, электрон төхөөрөмж, машин тэрэг гээд ихэнх зүйлс олон тоогоор үйлдвэрлэгдсэн үйлдвэрийн бүтээгдэхүүнүүд. Өнөөдрийн ертөнцийг үйлдвэрийн бүтээгдэхүүнгүйгээр төсөөлөхийн аргагүй.

Уурын хөдөлгүүр, цахилгаан генератор, мотор зэрэг технологиуд бол хүн төрөлхтөн хэрхэн өөрсдийн биеийн хүчнээс илүү гарч, аливаа зүйлсийг хийх бүтээмжээ асар ихээр нэмэгдүүлж, аж үйлдвэржин, орчин үеийн нийгмийг бүтээсний суурь “хүч чадал” билээ.

Энэхүү бичвэрээрээ уурын хөдөлгүүр болон дулаанаар ажиллах хөдөлгүүр хэрхэн зохион бүтээгдэж, одоогийн түвшинд хүртлээ хөгжсөн, аж үйлдвэрийн хувьсгалыг хэрхэн явуулсан тухай судалцгаая.

Хүн төрөлхтний бусад амьд биетээс ялгарах гол шинжүүдийн нэг нь шинэ технологи зохион бүтээх чадвар билээ. Чулуун зэвсэг, галыг анх олж нээснээс эхлүүлээд хүрэл, төмрийг боловсруулах, газар тариалан эрхлэх гээд технологийн ололтыг даган хүн төрөлхтний соёл иргэншил хөгжиж худалдаа, эдийн засаг, нийгмийн анги давхарга үүсэн хөгжсөн.

Аж үйлдвэрийн хувьсгалаас өмнө хүмүүс өөрсдийн хувцас, аж ахуйд хэрэглэдэг зүйлсээ өөрсдөө хийх эсвэл гар урлаачдаас худалдан авдаг байв. Дэлхийн ихэнх хүмүүс газар тариалан эрхэлж эсвэл гар урлал хийн амь зуудаг байсан ба их хэмжээний бүтээгдэхүүнийг нэг дор үйлдвэрлэх гэсэн ойлголт байхгүй байв [1][2].

Газар тариалан, барилга, уурхай зэрэгт бүгд хүний бие эсвэл анжис, тэрэгт хөллөсөн морь, үхэр зэрэг амьтад л бүх юмыг хөдөлгөх, зөөх хүчийг ихэвчлэн гаргадаг байв.

Харин 18-р зууны үед хүн төрөлхтөний гаргасан нэг том амжилт нь түлш шатааж, тэрнээсээ хөдөлгөөн авах боломжтой уурын хөдөлгүүр гэсэн технологийг зохион бүтээж, энэ технологиороо бүр хувцас, эд хэрэглэлийг олон тоогоор үйлдвэрлэх боломжтой болж, үйлдвэрлэл гэсэн ойлголтыг гаргаж ирсэн явдал юм. Энэ цаг үеийг Аж Үйлдвэрийн Нэгдүгээр Хувьсгал хэмээн нэрлэжээ. Эдгээр технологийн ололтууд гарснаар масс үйлдвэрлэл үүсч хүн төрөлхтний бүтээмж асар хурдтайгаар өсөж, дэлхийн эдийн засаг томорч, Их Британи, АНУ, Европийн улсаад дэлхийн эдийн засагт хүчтэй байр суурь эзэлсэн түүхийг бичжээ [3].

Хүн өөрсдийн эсвэл амьтны яс, үе, булчингийн тусламжтай хөдөлж, алхах, гүйх, юмыг өргөх, чирэх гэх мэтээр өөрсдөдөө хэрэгтэй зүйлсийг бүтээх хөдөлгөх чадвартай. Биеийн хүчээр ажилладаг байсан сонирхолтой технологиудын жишээг дурдваас, гараар эргүүлдэг тээрэмтэй ус дээш нь татдаг худаг, усан онгоцны хүний хүчээр ажилладаг хөдөлгүүр харагдана [4][5]. Гэвч эдгээр технологиуд булчингийн чадлаар хязгаарлагдана.

Хүмүүс салхи болон усны урсгалаар хөдөлгөөн гаргадаг үр тариа бутлагч тээрэм, гэх мэт технологиуд бас хэрэглэдэг байсан ч салхи усны хүчийг хэзээ юунд хэрэглэж болох нь хязгаарлагдмал байв [6].

Харин хүмүүс гал түлж сурсанаас хойш, шаталт гэдэг басхүү нэгэн хэрэглэгдэх боломжтой энергийн эх үүсвэртэй болж, хүмүүс хоол хийх, дулаацахад гал түлэх технологийг ашигладаг байв. Цаашлаад шаталтаас хөдөлгөөн гаргаад сурчихвал хүн төрөлхтний хүч чадал түлшнийхээ хэрээр тэлэх боломжтой байв.

Буцалж буй усны уурыг ашиглан хөдлөх энерги гаргаж авах боломжтойг бүр МЭӨ 1-р зуунаас хүмүүс ажиглаж эхэлжээ. Тухайн үеийн аелопил гэх эртний технологи усны уурын тусламжтайгаар эргэлдэх хөдөлгөөнийг гаргаж авдаг [7].

18-р зууны үед Их Британид олон өөр зохион бүтээгчид буцалж, халж буй усны уурнаас технологи гарган авахаар оролдсоор 1712 онд Томас Ньюкомен анхны үйлдвэрлэлд хэрэглэгдэхүйц уурын хөдөлгүүр [8], 1769 онд Жэймс Ватт үр бүтээмж сайтай уурын хөдөлгүүр зохион бүтээснээр уурын хөдөлгүүрийг нүүрсний уурхайн усны насос, хөвөнгийн үр салгагч, утас нэхэгч ээрүүл, галт тэрэг гэх мэт олон бүтээлүүд үйлдвэрлэлд ашиглах болжээ [9][10]. Хүн төрөлхтөн нүүрс, мод зэрэг түлшийг шатаан уурын хөдөлгүүрээр асар их чадалтай, асар их хөдөлгөөнийг гаргаж аван, өөрсдийн үр бүтээмжээ асар ихээр нэмэгдүүлж, дэлхийн эдийн засгийн ДНБ 19-р зуунаас хойш зэрэгтээр нэмэгдэх болж, орчин үеийн үйлдвэрлэл, даяаршлын эрин иржээ [11].

Тэгвэл уурын хөдөлгүүр хэрхэн ажилладгийг харцгаая.

Уурын хөдөлгүүрээр бид хөдөлгөөн гаргаад авчихдаг юм байж, гэхдээ бүр том зургаар нь дулаанаас хөдөлгөөн гаргаж авна гэдэг юу гэсэн үг вэ?

Уурын хөдөлгүүрээс гадна одоогийн бүх л төрлийн дулааны энергээс хөдөлгөөний энерги эсвэл өөр хэрэгтэй ажил гаргаж авдаг технологийг ерөнхийд нь дулааны хөдөлгүүр хэмээн нэрлэдэг. Эдгээрийн жишээнд машины дугуйны эргэлдэх хөдөлгөөнийг гаргах бензиний шаталтат хөдөлгүүр, онгоцны тийрэлтэт агаарыг гаргах хөдөлгүүр, цахилгаан станцын турбинууд, хөргөгч зэрэг ордог.

Уурын хөдөлгүүрт усны уурыг ашиглан хөдөлгөөн гаргаж байсан бол ерөнхий дулааны хөдөлгүүрт агшиж, тэлж буй бодис нь заавал усны уур гэлтгүй ямар ч бодис байж болдог. Тэр ашиглагдаж буй бодисыг нь ерөнхийд нь ажлын шингэн гэж нэрлэдэг байна.

Дулааны хөдөлгүүрийн циклийг физик болон инженерчлэлд ойлгохын тулд циклд болж буй үйл явц болгонд ажлын шингэн ямар төлөвт байгааг нь ихэвчлэн даралт ба эзэлхүүн, энтропи ба температурын графикаар дүрсэлдэг [12].

Дулааны хөдөлгүүр нь дулааныг хөдөлгөөн болгож ашиглан, хүн төрөлхтөн өөрсддөө байгаагүй их чадлыг гаргаж авч, асар их энерги, эрчим хүчийг амьдралдаа хэрэглэх боломжтой болоход нөлөөлсөн чухал ойлголт юм аа. Үүнд жишээ болгож онгоцны хөдөлгүүр, уурын турбин гэсэн дулааны хөдөлгүүрүүд хэрхэн ажилладгийг тайлбарлая.

Онгоцны хөдөлгүүрийн бүтцийг доорх зураг 9-т харуулав. Онгоц нь урдаасаа агаарыг сорох сэнс, агаарыг шахах компрессор, түлшийг агаартай холих шатаагч, халуун онгоцны утаанд эргэлдэх турбинаас бүрддэг. Онгоцны хөдөлгүүрийн циклийг Брэйтон цикл гэдэг [nasa]. Энэ циклд агаар эхлээд сэнсээр сорогдон хөдөлгүүрийн урдаас орж компрессор дотор орон шахагдаж, шахагдан агшсаны улмаас даралт болон температур нь ихэсдэг. Ингэхдээ онгоцны хөдөлгүүрийн урд байх сэнс нь 1 секундэд 1.3 тонн агаарыг сордог боловч энэ сорсон агаарын 90% нь хөдөлгүүрийн хажуугаар нь зүгээр өнгөрдөг. Гэхдээ ингэж өнгөрөх нь онгоцыг урагшаа явахад ихээр нөлөөлдөг байна. Үлдсэн 10% нь тэгэхээр хөдөлгүүрийн компрессор дотор орж шахагдахдаа 50 дахин агшиж, үүний улмаас температур нь 600°C болтлоо ихэсдэг байна. Ийнхүү халсан өндөр даралтат агаарыг шатаагч дотор онгоцны түлштэй холиход шаталт үүсдэг. Тэгснээр шатсан түлш ба агаарын холоимог нь 2100°C болтлоо халдаг. Үүний дараа энэ халуун агаар турбинаар өнгөрөхдөө тэлж, турбиныг эргүүлэн онгоцны сэнс болон компрессорыг эргэхэд шаардлагатай эрчим хүчийг гаргаж авдаг байна. Ингэж сэнсээр үлээгдэх агаар болон онгоцны халуун утаагаар онгоц урагш түлхэгдэн асар хурдтай нисдэг [13].

Уурын турбинт цахилгаан станцууд нь бас нэгэн бидний өргөн ашигладаг дулааны хөдөлгүүр юм. Нүүрсний болон цөмийн цахилгаан станцууд Ранкины цикл (Rankine Cycle) гэсэн дулааны хөлөлгүүрийг ашигладаг. Ранкины циклийн ажилллах зарчим нь онгоцны хөдөлгүүртэй төстэй ба насос нь эхлээд усыг шахаж, ийнхүү шахагдаж өндөр даралттай болж халсан усыг тогтмол даралтанд нүүрс эсвэл цөмийн шаталтаар нэмж халаадаг. Энэ халах үйл явцад ус нь ууршиж хий төлөвт шилжиж, энэ халуун уур нь уурын турбиныг эргүүлж, турбинаасаа гарсныхаа дараа дахин анхны төлөв хүртлээ конденсатор дотор хөрдөг. Турбин эргэлдэх хөдөлгөөнөөс нь бид цахилгаан генератор ашиглан эрчим хүч гарган авдаг. Цахилгаан генератор нь соронз болон эргэлдэх хөдөлгөөнийг ашиглан цахилгаан соронзон оронгоос цахилгаан эрчим хүч гарган авдаг технологийг хэлдэг.

Хөргөгч, агаарын кондишн нь уурын шахалтын циклийг (Vapor Compression Cycle) хөргөгчний R-134A, R600a гэсэн тусгай шингэн дээр хийж, хөргөх ажлыг гаргаж авдаг бас дулааны хөдөлгүүрүүд юм [12].

Дулааны хөдөлгүүрийн гол эх үүсвэр нь нүүрс, газрын тос, био түлш ч, эдгээрийг шатаасны үр дүнд нь нүүрсхүчлийн хий ялгардаг. Шатах процесс нь түлш хэмээх нүүрсхүчил дээр суурилсан органик бодисыг өндөр температурт хүчилтөрөгчтэй урвалдуулсны үр дүнд дулаан гаргах үйл явцыг хэлдэг. Энэ урвалын үр дүнд нүүрсхүчлийн диоксид буюу нүүрсхүчлийн хий ялгардаг. Энэхүү ялгарсан нүүрсхүчлийн хий нь хүлэмж шиг давхарга болон дэлхийгээс ялгарах дулааныг сансарт цааш нь гаргахгүй буцаж дэлхий рүү ойлгон эсвэл өөртөө шингээн дэлхийн дулаарал, үүнээс үүдээд уур амьсгалын өөрчлөлтийг бий болгодог [14]. Бидний шаталтаар ялгаруулсан нүүрсхүчлийн хий нь агаар мандалд маш удаан хугацаагаар буюу ойролцоогоор 10000-аад жилийн турш үлддэг байна [15] [16]. Хэдийгээр мод, хөрс, ус нь нүүрсхүчлийн хийг өөртөө шингээдэг ч, Аж Үйлдвэрийн Хуьсгалаас эхэлсэн хүн төрөлхтөн бидний энэ үйлдвэржсэн ертөнцөд гаргаж буй нүүрсхүчлийн хийн хэмжээ байгаль дэлхийн шингээж амжихаас хамаагүй хурдан, хамаагүй их хэмжээгээр ялгарч байна.

Одоогийн дэлхий хэр их халж, хэр их уур амьсгалын өөрчлөлтөд орох нь бид хэр их нүүрсхүчлийн хий гаргахаас шалтгаална. 2015 онд Нэгдсэн Үндэсний Байгууллагын Уур Амьсгалын Өөрчлөлтийн Талуудын Хурлын Парисын хэлэлцээрт улс орнууд дэлхийн дулаарлыг Аж Үйлдвэрийн Хувсгалын өмнөх үеээс хойш ихсэх хэмжээг 1.5 С-д барина гэж амлалт өгцгөөсөн. Шаталтаас дулаан, хөдөлгөөн гаргаж аван, аж үйлдвэржиж, одоогийн хөгжилд бид хүрсэн ч, уур амьсгалын өөрчлөлт одоогийн хүн төрөлхтний хамгийн том асуудлуудын нэг болоод байна. Хүн төрөлхтөн өөрсдөөсөө гаргаж чадахгүй их хүссэн хүч чадлаа гарган авч технологийн дэвшилтэт эрин үеийг бүтээсэн ч, энэ хүч чадлын төлөөс нь дэлхийн дулаарал, уур амьсгалын өөрчлөлт, эргээд хүн төрөлхтний оршихуйн заналхийлэл болов уу? Технологийн дэвшил хүмүүсийн амьдралыг өөрчлөх, сайжруулах хүчтэй ч бас нийгэм байгаль орчныг доройтуулах хүчтэй aжээ.