Возможности струйных технологий в энергетике

http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=3505

В.Н.Половинкин, засл. деятель науки РФ, д.т.н., проф., ЦНИИ им. ак. А.Н.Крылова

В попытках найти альтернативные энергетические источники, которые не наносили бы вред окружающей среде, многие специалисты обращают внимание на струйную, вихревую энергетику. Первым наиболее ярким ученым, обратившим внимание человечества на необходимость поиска нетрадиционных подходов в энергетике, был Никола Тесла.

В 1892 г. он высказал следующую мысль: «Мы проходим с непостижимой скоростью через бесконечное пространство. Всё окружающее нас находится в движении, и энергия есть повсюду. Должен найтись более прямой способ утилизировать эту энергию, чем известные в настоящее время. Когда свет получится из окружающей нас среды, и когда таким же образом без усилий будут получаться все формы энергии из этого неисчерпаемого источника, человечество пойдет вперед гигантскими шагами».

Эту идею Н.Тесла можно считать непосредственным посылом к поискам альтернативной экологически безопасной возобновляемой энергетики. Он призывал «подключить свои машины к самому источнику энергии окружающего пространства». Сегодня человечество уже практически подошло к реализации именно этой идеи.

В то же время за модной сегодня темой использования биотоплива в качестве перспективного альтернативного источника энергии, кроется огромный вред, превышающий урон, наносимый природе традиционной энергетикой. Идеи Николы Тесла лежат в совсем иной области, к которой относятся и струйные технологии. Развитие этого направления уже преодолело стадию «этого не может быть» и находится на промежуточном этапе между «в этом что-то есть» и «кто ж этого не знал».

Природные прототипы альтернативных источников энергии

Многие энергетические процессы в природе отличаются уникальной особенностью: для их запуска необходима минимальная энергия. А в результате реализации или протекания самого процесса вырабатывается колоссальная энергия. Но это не значит, что КПД данного механизма превышает многие сотни процентов. Следует особенно подчеркнуть, что все без исключения природные процессы подчинены классическим законам термодинамики, законам сохранения энергии, физики, химии, механики.

Идеи перспективной альтернативной энергии нужно искать в самой природе. Окружающая нас природа – главный источник знаний человечества. Земля обладает неисчерпаемым источником низкопотенциальной экологически чистой энергии - атмосферой, аккумулирующей тепловую и потенциальную энергию газов, нагреваемых лучистой энергией солнца и сжатых под действием гравитации. Неравномерный нагрев газов, изменяя давление в атмосфере, нарушает её равновесное состояние. При восстановлении равновесия потенциальная и тепловая энергия воздуха преобразуются в кинетическую энергию воздушных потоков. Эта природный механизм используется в ветровых энергетических установках. Первым аппаратом, использовавшим кинетическую энергию потока, был парус.

Ученые давно обратили внимание на то, что только вихревые потоки обладают наибольшим потенциальным запасом кинетической и тепловой энергии. При этом энергетические возможности вихревых потоков зависят от многих факторов, в том числе и от состава газов. Поэтому не случайно специалисты все более пристально обращают внимание в перспективной возобновляемой энергетике на так называемую струйную, или вихревую энергетику.

Струйная, вихревая энергетика

Струйные энергетические технологии основаны на законах классической термодинамики и сохранения энергии. Первое направление разработки струйной, вихревой энергетики связано с копированием природного процесса имплозии (англ. implosion — взрыв, направленный вовнутрь; обжатие вещества сходящейся концентрической взрывной волной) и трансформацией тепловой энергии с низким потенциалом в кинетическую энергию. Наиболее наглядным примером природной имплозии являются смерчи, торнадо. Наблюдая их в течение сотен лет, ученые убедились, что смерчи обладают огромной условно неуправляемой энергией, имеющей электрическую природу. Причем верхняя смерча часть заряжена положительно, нижняя - отрицательно. По сути, торнадо представляет собой огромный природный мотор-генератор. В торнадо диаметром более 800 м. сосредоточена энергия крупной атомной бомбы. Фактически процесс торнадо является строго управляемым, следовательно, имеется возможность использования энергии данного процесса.

На возможность использования этой энергии первым обратил внимание австрийский изобретатель Виктор Шаубергер, занимавшийся исследованием природных вихрей в первой половине ХХ в. и создавший прототипы искусственных торнадо. Даже свое жилище он впервые отапливал роторно-вихревым теплогенератором.

В природе существуют множество видов, типов торнадо и смерчей. Каждый из них имеет характерные геометрические очертания рис.1. Наибольшую продолжительность существования имеют торнадо - смерчи, зарождаемые в океане. По мнению отдельных специалистов в качестве топлива торнадо использует жидкость во всех трех фазах. При этом разность температур различных слоев атмосферы срабатывает как запуск механизма торнадо, а его топливом является вода.

Рис.1. Природные струйные, вихревые технологии

Использовать эффект торнадо для генерации электроэнергии (ЭЭ) впервые удалось Льюису Мичоду (Louis Michaud), который попытался создавать небольшие искусственные вихри при помощи специального «вихревого двигателя». По расчетам американского инженера установка диаметром 200-400 м может генерировать до 200 МВт электроэнергии. «Топливом» для искусственного торнадо может служить разогретая поверхность океана или любого водоема.

На основе наблюдений за природными торнадо были сформулированы подходы к созданию искусственных генераторов торнадо. Наиболее отработанными в настоящее время являются генераторы торнадо с центральным нисходящим вакуумным шнуром рис. 2. Самый большой в мире искусственный смерч высотой около 200 м размещен в музее компании Mercedes-Benz (Германия).

Рис.2. Генератор торнадо (с центральным нисходящим вакуумным шнуром)

Интерпретацией энергетического механизма торнадо занимались сотни ученых. В версии Потапова-Фоминского она выглядит следующим образом рис. 3. Российский изобретатель Ю.С.Потапов имеет самое большое число авторских свидетельств на так называемые вихревые, молекулярные теплогенераторы. Все его конструкции - от первой тепловой трубы до последних агрегатов - существуют в виде действующих образцов. Хотя с заявлениями автора установок, что их КПД составляет 200-400%, трудно согласиться. Основное заблуждение сторонников такой оценки эффективности связано с тем, что рассматриваются разомкнутые и замкнутые системы. Рассматривать одинаковые понятия для разомкнутой и замкнутой систем неправомерно. При расчете КПД двигателей внутреннего сгорания никто не учитывает энергию, затраченную природой на создание топлива, рассматривается только конечный этап энергетического цикла.

Рис.3. Интерпретатор торнадо в версии Потапова-Фоминского

Основой любой струйной энергетической технологии являются струйные аппараты.

Струйные аппараты

Классическими струйными аппаратами являются эжекторы и инжекторы. Эжектор откачивает, а инжектор нагнетает любую среду. Струйные аппараты применяются во многих отраслях промышленности: нефтехимической, нефтегазодобывающей, нефтеперерабатывающей, в ТЭК, атомной энергетике, в космической и глубоководной технике, пищевой и др. В атомной энергетике струйные технологии станут определяющими, особенно при создании безопасной атомной энергетики в моноблочном варианте.

Мнения специалистов по применению и возможностям струйных аппаратов разделились. Одни считают, что струйные аппараты могут использоваться только в качестве транспортных средств для передачи энергии или среды, и не более того. В традиционных энергетических установках они могут заменить такие элементы как бойлеры, насосы и т.п. Вторая группа авторов доказывает, что струйные аппараты позволяют получать новый вид энергии и обеспечивать возможность аккумуляции и использования энергии до температур, ниже окружающей среды.

Считается, что любая энергетическая установка работает по классическому принципу Карно - использование теплоперепада от максимального нагрева до температуры окружающей среды. Если с помощью струйных аппаратов создать однородную двухфазную среду с определенными параметрами, появляется возможность забирать энергию от источника с температурой даже ниже 0^оС.

В инжекторах путем преобразования тепловой энергии пара в кинетическую энергию жидкостной струи получают на выходе полное давление жидкой смеси, превышающее давления пара и жидкости на входе в аппарат. Поэтому инжектор может использоваться как насос.

Эжектор - гидравлическое устройство, в котором происходит передача кинетической энергии от одной среды, движущейся с большей скоростью, к другой. Впервые теорию эжекторного увеличения тяги описал в 1969 г. профессор ЦАГИ Г.Н. Абрамович, констатировавший факт управляемого использования энергии атмосферы для выполнения механической работы.

Сферы применения эжекторов не ограничиваются только увеличением тяги реактивного движителя. Эжекторы используются и в газотурбинных двигателях, двигателях внутреннего сгорания с целью получения увеличенной агрегатной мощности и т.д.

Струйный теплогенератор

В соответствие с двумя подходами ученых, занимающихся изучением струйных технологий, разделяют и типы создаваемых струйных аппаратов. Первый тип струйных энергоустановок (ЭУ) представляет собой аппарат, в котором кинетическая энергия жидкости (например, воды), приводимой в движение насосом, превращается в тепловую энергию. Процесс интенсифицируется с помощью специального устройства - гидродинамического теплогенератора, представляющего собой вихревую трубу. Первый вихревой теплогенератор был создан Ранке – «вихревая труба» Ранке, в которой реализовывался эффект Ранка-Хилша рис.4. Протекание процесса в вихревой трубе зависит от рабочей среды. В случае газа происходит разделение его на холодный и теплый слои. Холодный слой отбрасывается к стенке трубы, теплый - концентрируется в середине. В случае жидкости, она также разделяется на горячую и теплую воду, температуры которых превышают температуру входящей в трубу жидкости.

Рис.4. «Вихревая труба» Ранке

Первой ЭУ, в которой использовалась тепловая труба, была энергетическая установка Леопольда Шерье рис.5. Подобная ЭУ сегодня должна широко внедряться в гидроэнергетике. В ней используется поток спадающей воды с очень низким КПД. Создавая завихрение этого потока, и размещая турбину в нижней части установки, можно получать дополнительную вихревую энергию. Дополнительная вихревая энергия получается вследствие возникновения и протекания уникального процесса изменения структуры воды на молекулярном уровне, т.е. её перекристаллизацией. Было неоднократно установлено, что при определенной скорости (а завихрение может осуществляться до скорости 400 км/час), происходит молекулярное изменение структуры воды. При этом выделяется большая дополнительная энергия.

Рис.5. Энергетическая установка Леопольда Шерье

Среди струйных аппаратов существенное распространение получил вихревой насос.

Вихревой насос

Первое поколение вихревых насосов, в создании которых, например, принимал участие профессор Ю.С.Потапов, представляет собой традиционный насос - циркуляционный насос, корпус, тепловую трубу, тормозное устройство для осуществления перепада давления и радиатор. Это типовая установка, разные модификации которой сегодня достаточно широко предлагаются на рынке.
Впервые же струйные технологии в транспортной энергетике были использованы в 1814 г. Стефенсоном при создании первого паровоза «Блюхер». В этом паровозе был задействован струйный аппарат - инжектор, который получал пар из паровозного котла, воду из тендера и подавал её в котёл. Аппарат развивал давление, большее, чем в котле, как минимум на величину гидравлического сопротивления тракта подачи воды. В рамках традиционных теоретических представлений такая возможность была не реализуема. Тем не менее, паровоз просуществовал до 1830 г., произведя революцию в транспортной энергетике. Вторым детищем Стефенсона стал паровоз «Ракета».

Струйные газотурбинные двигатели

Второе направление развития струйной энергетики связано, например, с созданием струйных газотурбинных двигателей с эжекционным процессом. В эжекционном процессе параллельного присоединения к стационарной реактивной струе, тяга увеличивается без дополнительных затрат энергии. Причем увеличивается не только тяга, но и полезная мощность или мощность на валу двигателя за счет дополнительной неуравновешенной силы внешнего давления на входной раструб (заборник) эжектора. В результате последовательного присоединения дополнительных масс реактивная тяга и кинетическая энергия объединенной массы больше тяги и кинетической энергии активной струи.

Основой внедрения эжекционного процесса в энергетике стало научное открытие № 314 (от 2.07.1951 г.) О. И. Кудрина, А. В. Квасникова, В. Н. Челомея: «Явление аномально высокого прироста тяги в газовом эжекционном процессе с пульсирующей активной струей». С тех пор во всех конструкциях двигательных комплексов ракетной технике В. Н. Челомей использовал струйные технологии. Было однозначно доказано, что данный эффект оказался полезен не только для создания дополнительной реактивной тяги, но и для использования его в эжекторном сопловом аппарате ГТД с целью получения дополнительной мощности на валу.

Было также установлено, что при эжектировании атмосферного воздуха пульсирующей струей продуктов сгорания прирост реактивной силы достигает 140%, т.е. тяга увеличилась в 2,4 раза. Кинетическая энергия объединенной реактивной массы может быть увеличена более чем в 10 раз по сравнению с кинетической энергией активной струи, так как в зависимости от параметров процесса присоединения может увеличиваться не только реактивная масса, но и ее скорость. Кинетическая энергия не рассеивается в атмосфере, как при создании реактивной тяги движителя, а почти полностью используется для воздействия на лопатки турбины.

Отмеченный принцип используется и для других целей. Например, за рубежом выхлопные трубы теплоэлектростанций оснащены вихревыми генераторами. В результате получается дополнительная энергия, а поток газов ориентируется вертикально в высоту, соответственно уменьшая воздействие токсичных компонентов.

Использование струйной энергетики в атомной отрасли

Ряд специалистов исключительно обоснованно связывает использование струйной энергетики с атомной отраслью. Это связано с попыткой создания безопасного паропроизводящего агрегата в моноблочном исполнении. Представить под крышкой реактора любой другой привод для системы охлаждения сложно. Создание действительно моноблочной конструкции ППА возможно только на базе струйных технологий. В «Морском вестнике» № 2(34), июнь 2010 г. опубликована статья о разработке ядерного моноблочного паро-производящего агрегата (ППА) типа «Бета» с кипящей активной зоной и струйными средствами циркуляции, мощностью 150 МВт рис.6.

Рис.6. Ядерный моноблочный паро-производящий агрегат типа «Бета»

Специалистами Морского технического университета под руководством Н.П.Шаманова были разработаны не только варианты струйных аппаратов, но и систем охлаждения, например, простейшие схемы первого контура и двухступенчатого первого контура ППА рис.7.

Рис.7

В последнее время НИЦ им.Курчатова инициировал возврат к идее создания моноблочного агрегата типа «Бета» с использованием струйных технологий. В качестве одного из вариантов системы теплоснабжения для ПАЭС предполагается замена насосов питательными и сетевыми струйными аппаратами рис.8.

Рис.8 Система теплоснабжения для ПАЭС

В атомной энергетике существуют различные конструктивные решения струйных аппаратов. На рис.9  показаны схемы элеватора и водо-водяного инжектора. Конструкция, сечение и размеры определяются необходимыми параметрами среды. При цифровом моделировании процесса, исходя из параметров среды, определяют геометрию одного и второго сопла, размеры смесительной камеры.

Рис.9. Два вида водо-водяных инжекторов

Специалистами Кораблестроительного университета предложена схема проточной части пароводяного струйного аппарата (ПВСА) рис.10, включающая традиционное сопло, первый и второй конфузоры, цилиндрическую часть, первый и второй диффузоры смесительной камеры. Такая схема ПВСА позволяет управлять процессом разгона потока либо регулировкой давления до нужной величины. При использовании ПВСА в качестве проталкивающего насоса, давление, позволяющее среде преодолеть гидравлическое сопротивление, будет иметь некоторый дополнительный запас.

Рис.10. Схема проточной части пароводяного струйного аппарата

Струйное устройство, предлагаемое для плавучих АЭС, показано на рис.11. В качестве основного аргумента за использование струйных аппаратов специалисты приводят их надежность, безопасность и высокую эффективность. Отсутствие вращающихся частей и определяет надежность этих аппаратов. Они не требуют ухода в период между очистками, и их эффективность достаточно высока.

Рис.11

Трансзвуковые струйные аппараты

Ещё одно направление применения струйных технологий связано с использованием повышенной сжимаемости двухфазных рабочих сред. Переход от дозвукового режима течения однородных двухфазных сред на входе в аппарат через сверхзвуковой режим течения их смеси внутри аппарата, затем снова к дозвуковому режиму течения на выходе из аппарата определил его название - трансзвуковой струйный аппарат (ТСА).

Очевидно, что чем больше сжимаемость рабочей среды, тем выше эффективность преобразования тепловой энергии среды в механическую работу. Новым в термодинамике двухфазных потоков является учёт свойства повышенной сжимаемости среды именно в двухфазных потоках. Эта особенность двухфазного потока послужила базой для развития нового направления в термодинамике - основы термодинамики двухфазных потоков. Оно было разработано профессором В.В. Фисенко. Полученные им технические решения запатентованы в ведущих странах мира. Устройства, представляющие собой одновременно теплообменники, смесители и насосы, нашли применение в Европе, США, Китае и России.

В своё время С.Карно сформулировал условия преобразования тепловой энергии в механическую работу по аналогии с работой обычной гидравлической машины - путём использования теплоперепада между горячим и холодным источниками тепла. Как выяснилось позднее, эта аналогия не вполне корректна для некоторых направлений термодинамики. До последнего времени считалось, что для повышения эффективности преобразования тепловой энергии в механическую работу существует только один путь - повышение температуры подвода тепла (Т₁), ибо нижняя температура цикла Т₂ ограничена температурой окружающей среды. В конце 1970-х гг. профессору В.В. Фисенко удалось доказать возможность преобразования тепловой энергии в механическую работу без потери большей части этой энергии вследствие рассеяния её в окружающей среде.

На рис.12 представлены схема идеального цикла Карно и диаграммы идеальных циклов У. Ренкина. На диаграмме Т/S приведены параметры в характерных точках цикла и условные линии, соединяющие начальные и конечные состояния рабочего тела пар-вода при его изоэнтропийном расширении, псевдоконденсации и изоэнтропийном сжатии для аппаратов В.В. Фисенко.

Рис.12. Идеальный цикл Карно и цикл Ренкина. Термодинамический цикл с использованием ТСА

В ТСА используется явление, позволяющее получать регулируемое существенное понижение температуры холодного источника Т₂ (вплоть до отрицательной по шкале Цельсия).

Теоретическая возможность такого процесса может быть продемонстрирована формулой: Т₀ = Т_ф [1 + 0,5 (к - 1)М²], показывающей, что температура в движущемся потоке Т_ф всегда меньше температуры заторможенного потока Т₀ в том же сечении. В наибольшей степени этот факт проявляется при сверхзвуковом движении потока. Таким образом, появляется возможность существенного понижения температуры в потоке по отношению к температуре торможения. То есть утверждение о том, что нельзя отдать тепло от менее нагретого тела к более нагретому без дополнительной затраты энергии (одна из формулировок второго начала термодинамики) не всегда справедливо.

Продолжим рассуждение и, например, зададимся вопросом: какая из сред будет греть другую - горячая вода с температурой + 120^оС или «холодный пар» с температурой + 100 ^оС? В традиционной термодинамике ответ очевиден: более горячая вода нагреет менее нагретый пар. Но при этом не учитывается, что энергии, запасённой в стоградусном паре, существенно больше, чем энергии в воде нагретой до 120 С (удельная энтальпия пара равна H"₁₀₀ ⁼2676.3 кДж/кг, а удельная энтальпия воды равна H'₁₂₀ ⁼503.7 кДж/кг). Чтобы отвести эту энергию от пара к воде нужно заставить эти среды обмениваться количествами движения (в результате чего скорость потока будет расти, а скорость звука в нём падать), смешать и разогнать смесь до сверхзвуковой скорости, что вполне реально и осуществимо.

Снижение температуры в потоке ниже температуры окружающей среды и нагревание «холодным» паром «горячей» воды оказывается возможным благодаря повышенной сжимаемости однородных двухфазных сред. Рассмотрим это явление на примере двухфазной среды вода-пар. При нормальных условиях (температуре 20 °С и атмосферном давлении) скорость звука а в воде равна примерно 1400 м/с, в газе - примерно 330 м/с, а в насыщенном паре при давлении ~ 0,1 МПа - примерно 500 м/с. Но если жидкость и пар (газ) хорошо перемешать, создав достаточно однородную среду, то скорость звука в ней будет намного меньше скорости звука не только в воде, но и в газе. Минимальное значение скорости звука (~ 20 м/с) соответствует двухфазной среде с равными парциальными объёмами жидкости и газа.

В общем случае, скорость звука в однородной двухфазной смеси определяется уравнением а²=к_см р р^- , полученным с использованием уравнения показателя изо-энтропы смеси. Здесь к_см - показатель изоэнтропы, р - давление, а р - плотность среды. В двухфазной однородной смеси её показатель изоэнтропы является функцией показателя изоэнтропы газа и соотношения парциальных объёмов газа и жидкости β =V_г (V_г+V_ж)^-1 и не зависит от свойств жидкости.

Так как сжимаемость среды обратно пропорциональна скорости звука в ней, то двухфазная пароводяная среда существенно более сжимаема, чем не только вода, но и газ (пар). Возможность более полного преобразования внутренней энергии рабочей среды в механическую работу существенно больше тогда, когда сжимаемость среды больше. Поэтому в качестве рабочей среды предпочтительнее использовать не хорошо сжимаемый газ (пар), а гораздо более сжимаемые двухфазные среды. Именно на этом явлении основана работа аппаратов В.В. Фисенко.

С точки зрения эффективности преобразования внутренней энергии сжимаемых сред в механическую работу, важно выделить случаи, когда среда движется в условиях сверхзвуковой скорости потока, то есть при М=W а^-1 >1. На сегодняшний день все работающие при М>1 машины реализуют один вариант повышения эффективности - увеличение числителя в формуле числа Маха. Но увеличение скорости движения потока W ведёт к огромным энергетическим затратам.

В аппаратах, использующих повышенную сжимаемость рабочих сред, преобразование энергии можно осуществить с существенно меньшими за­тратами за счёт того, что увеличивается не скорость потока W, а уменьшается скорость звука в потоке а. Этот путь является энергетически более выгодным.

Профессор В.В.Фисенко присвоил своим аппаратам название трансзвуковые струйные аппараты (ТСА) потому, что однородная двухфазная среда проходит состояния дозвуковое – звуковое – дозвуковое – сверхзвуковое.

Для демонстрации и изучения явления при активном участии Ю.И. Кузякина была создана установка, включающая электродный паровой котел и ряд других узлов, представленных на рис.13. Следует отметить, что данные установки могут работать только при наличии электродных котлов.

Рис.13. Принципиальная схема гидравлической части опытной теплогенерирующей установки ЭТСА 3/12

Это в определенной степени связано с тем, электродный котел, являясь источником получения пара, одновременно выполняет и роль условного ускорителя пароводяной смеси. Использование электродного парового котла позволяет увеличивать концентрацию пузырьков пара по высоте благодаря разнесенным по вертикали электродам котла. Основой установки является сопло ТСА. В результате математического моделирования была получена оптимальная форма сопла рис.14, повторяющая форму природного смерча. Такая форма, как правило, требует минимального потребления энергии для того, чтобы ускорить или замедлить поток.

Рис.14. Оптимальная конструкция сопла ТСА

В расчётной модели В.В.Фисенко и в созданных на её основе ТСА оказалось возможным не только получить на выходе давление большее, чем на входе в аппарат, но и получить на выходе аппарата температуру потока более высокую, чем температура сред на входе в него.
Преимуществами ТСА как теплообменника и/или теплообменника-насоса являются:
-простота конструкции и эксплуатации;
- малые габариты и масса при высокой энергоёмкости;
- большая экономичность;
- низкие затраты при использовании;
- высокая надёжность (безотказность и долговечность);
- удобство и простота технического обслуживания и ремонта;
- большой диапазон регулирования внешней нагрузки;
- многофункциональность - возможность выполнения наряду с функцией теплообменника и функции насоса во всем диапазоне нагрузок.

На 39-й Международной выставке изобретений в Женеве в апреле 2011 г. В.В. Фисенко были вручены «Золотая медаль» и диплом за лучшую разработку в области энергосбережения, а также «Специальная награда» и сертификат от Ассоциации изобретателей Тайваня за выдающуюся разработку, повышающую качество проживания.

На Международной выставке «Архимед-2007» было отмечено изобретение «Одноконтурная установка с ядерным реактором и трансзвуковыми струйными аппаратами» авторов из ВМА им. Кузнецова (Баранов Э.М., Кузякин Ю.И., Соловьев А.П.), позволяющее разработать малогабаритные энергетические установки, работающие без доступа воздуха и вредных выбросов в атмосферу, которые могут устанавливаться на морских транспортных и промышленных средствах освоения шельфовых зон России и зон экономической ответственности России в Мировом океане. Замена ряда блоков ЭУ трансзвуковыми струйными аппаратами позволяет исключить вращающееся оборудование (кроме турбины и электрогенератора) и паровую часть конденсационной установки, существенно (до 30%) снизить массы и габариты паротурбинной части энергоустановки и повысить долговечность ее оборудования.

Изобретение Баранова Э.М., Кузякина Ю.И., Никонова Е.Н. «Паротурбинная установка с трансзвуковыми струйными аппаратами» позволяет создать паротурбинные установки для АЭС, ТЭЦ, плавучих стационарных и транспортных энергетических установок, для котельных ЖКХ с качественно новым оборудованием, обеспечивающим повышение КПД энергоустановок, в том числе, КПД их термодинамического цикла.

Трансзвуковые струйные аппараты (рис.15) прошли проверку в качестве насосных агрегатов, теплообменных аппаратов смесительного типа, регуляторов расхода рабочих сред и других устройств в течение многолетней эксплуатации на объектах ЖКХ, промышленности России и различных стран мира (США, Украина, Казахстан, особенно широко Китай и др.).

Рис.15. Закономерности изменения параметров и типы ТСА

Дополнительные плюсы ТСА

Геометрия сопла ТСА близка к форме природной воронки истечения жидкости. Соотношение диаметра к протяженности определяется параметрами, которые необходимо получить. Ещё одна особенность трансзвуковых струйных установок: температура среды, которая движется по трубе, не превышает 20-30^с С. Температура же пузырьков пара, равномерно распределенного по объему, достигает 600-700^оС. Энергию такой двухфазной жидкости можно передавать на большие расстояния без теплоизоляции трубопроводов.

На рис.16  представлена конструкция ТСА, используемого на Кировском заводе. При разгоне однородного потока до скоростей, превышающих скорость звука, происходит изменение структуры воды на молекулярном уровне. Вода становится топливом, выделяется водород. Это позволяет надеяться на возможность создания энергетической установки, для которой углеводное топливо не потребуется вообще.

Рис.16. Промышленный вариант трансзвукового струйного аппарата

На рис.17  представлена установка, смонтированная в ВМА им. Н.Г.Кузнецова. Она также включает электродный котел. На 1 кВт потребляемой электроэнергии установка может производить до 10 и более киловатт тепловой энергии. Говорить о том, что её КПД>1 нельзя. Просто задействован механизм, позволяющий придать воде или однородной смеси такое состояние, при котором она способна отдавать часть энергии, накопившейся в ней в процессе её формирования. Дополнительная отдача энергии происходит за счет включения механизма изменения структуры воды. На выходе ТСА из-за счет изменения диаметра сопла происходит скачок давления и повышение температуры.

Рис.17. Лабораторная экспериментальная установка

Помимо экзотического варианта - получения «дополнительной энергии», ТСА используются в традиционных системах теплообеспечения. На рис.17 (слайд 34) представлена схема традиционной котельной установки для отопления и горячего водоснабжения, в состав которой входит 21 элемент. Использование струйной технологии позволяет исключить целый ряд элементов: рис.18.

Рис.18. Перспективная схема  котельной установки

Перспективы струйных технологий

В настоящее время проектируется малогабаритная автономная универсальная установка (система «Комфорт») для кондиционирования воздуха (нагрева/охлаждения) рис.19,  а также главная или вспомогательная энергетическая установка «ВИСТЭН» (экологически безопасная, универсальная, автономная), позволяющая получать дополнительную энергию рис.20. В её состав входят: электродный котел, ТСА, турбина, лопатки которой соответствуют форме сопла. Для запуска этого генератора необходим посторонний источник питания в виде аккумуляторной батареи или другого источника. После запуска система работает сама на себя. Однако реализация такой системы возможна при КПД струйной турбины или турбогенератора выше 70%.

Рис.19. НИОКР  «Комфорт»

Рис.20. НИОКР «ВИСТЭН»

Над созданием такого турбогенератора (с КПД>70%) работает ряд фирм, в том числе, завод им. Климова, Калужский турбинный завод. Если такая турбина будет создана, появится уникальная возможность создания источника электрической энергии без использования углеродного топлива. Природные процессы – прототипы струйных технологий - подтверждают такую возможность.

На данном этапе развития России, когда за короткий промежуток времени предстоит интенсифицировать энергетику страны, использование струйных технологий при проведении ремонтных работ и модернизации существующих энергетических установок позволит при минимальных затратах повысить их мощность и существенно продлить сроки их эксплуатации.

Размещено 14.01.2012

Статьи других авторов
На главную