РЕШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ПРОБЛЕМЫ
Паутов Геннадий Антонович
ООО «Катрен», г. Краснодар
Все увеличивающееся энергопотребление в хозяйственной деятельности человека и ограниченные запасы ископаемых ресурсов неизбежно приведут к дефициту моторного топлива. Академик Черток Б.Е. так высказался в этом плане: «… как, например, человечеству выйти из предстоящего страшного энергетического кризиса? Заканчиваются газ, нефть, уголь, а расход энергии на душу населения будет расти. Откуда ее взять?»
До настоящего времени человечество использовало для получения электроэнергии исключительно энтропийные процессы, т. е. сжигающие топливо. Но при сжигании топлива в замкнутом объеме энергия идет на создание давления и повышение температуры, величина которой адекватна выделяющемуся теплу. При этом ориентировочно 30% энергии сжигания идет на давление, а оставшиеся 70% - на тепло. Абсолютное большинство современных машин используют только энергию давления, а тепло выбрасывается в трубу, рассеивается двигателем и снимается с помощью сложных систем охлаждения. Таким образом, теоретический КПД таких машин находится в пределах 30 ?40%. Кроме того, низкотемпературный режим сжигания в присутствии азота не обеспечивает полного прогарания и является источником загрязнения атмосферы.
Для выхода из такой ситуации необходимы технические решения, обеспечивающие полную утилизацию энергии сжигания топлива. Наиболее удовлетворяющими таким требованиям являются адиабатные технологии. Адиабатные двигатели находятся в полном согласии с законами термодинамики и обеспечивают КПД, по крайней мере, в два раза выше, чем у карбюраторных двигателей. При этом в адиабатном режиме предполагается высокая температура сжигания, что и способствует полному прогаранию топлива. Несмотря на теоретическую обоснованность и перспективность парогазовых установок (ПГУ) с «адиабатиком», их повсеместное внедрение сдерживается по одной единственной причине: отсутствие жаропрочных материалов и масел. Ученые утверждают, что если обеспечить высокотемпературный «адиабатик» ПГУ достаточным ресурсом за счет жаропрочных материалов, то по своим параметрам парогазовые технологии могли бы стать альтернативой атомной энергетике.
С целью реализации высказанной идеи разработаны и защищены патентами технические решения, направленные на создание адиабатных парогазовых технологий, где вообще не требуются жаропрочные материалы, при этом в камере сгорания могут развиваться предельно высокие температуры. Это достигается за счет специальной конструкции камеры сгорания, работающей в адиабатном режиме, то есть без теплового контакта с атмосферой.
Структурно адиабатный энергогенератор состоит из адиабатной камеры сгорания вместе с испарителем, привода, электрогенератора, установки получения чистого окислителя, утилизатора тепла, системы подготовки и нагнетания воды, системы подготовки и подачи топлива, системы автоматического управления технологическим процессом.
Основным узлом в таком агрегате является адиабатная камера сгорания (ноу-хау), в которую подаются топливо, окислитель и вода, и которая определяет основные термодинамические характеристики. Подаваемая вода выполняет две функции: охлаждение стенок камеры и формирование дополнительного рабочего тела в виде перегретого пара. Таким образом, при предельно высокой температуре в объеме сгорания в результате испарения воды в жаровом пространстве на выходе имеем температуру парогазовой смеси в пределах 200-400 °С. Тепловой КПД такого процесса более 99%.
В отличие от существующих систем, в которых для горения используется воздух, в данном техническом решении используется чистый окислитель – кислород. В принципе, чем чище – тем лучше. Вопрос в экономической целесообразности. В системах с высоким давлением в любом случае необходимо компримирование. Но при компримировании воздуха с учетом того, что в нем 80% азота, естественно 80% мощности компримирования уйдет на азот, который нам не только не нужен, но и создает ряд проблем: ограничение по температуре, окисление азота при высокой температуре. При этом идет расход окислителя и образование кислой среды. Поэтому целесообразней и даже энергетически выгодней сначала кислород отделить, а затем скомпримировать до необходимой величины, что позволяет сжигать топливо без температурных ограничений и обеспечивать полное прогарание. Предварительные испытания макетного образца адиабатной камеры сгорания подтвердили экологическую чистоту продуктов горения: на выходе имеем пары воды и углекислый газ. Существует несколько способов получения чистого окислителя, выбор которых определяется в каждом конкретном случае в зависимости от мощности и других факторов, в том числе и условий эксплуатации. Предварительные расчеты показывают, что энергетические затраты на выработку чистого окислителя составляют от 5 до 10% вырабатываемой в адиабатном режиме номинальной мощности, при этом обеспечивается прирост энергии по сравнению с классическим методом как минимум на 30-40%.
С целью преобразования запасенной энергии парогазовой смеси во вращательную мощность на валу возможны два варианта: для малых мощностей использование в качестве привода роторных газовых машин, а для больших мощностей (мегаваттных) - мультипликация мощности парогазовой смеси в давление масла с последующим использованием гидроприводов.
Адиабатные технологии обладают целым рядом достоинств. В результате использования чистого окислителя и вихреобразной подачи компонентов горения в камере образуется предельно высокая температура, при которой происходит полное прогарание топлива. Подачей и испарением воды в камере достигается две цели: получение пара, как дополнительной составляющей рабочего тела, и охлаждение стенок камеры. Согласно предварительным расчетам в оптимальном режиме горения рабочее тело (парогазовая смесь) состоит из 11% углекислого газа и 89% паров воды, в том числе образовавшейся в результате горения. Температура рабочего тела на выходе в пределах 200-400 °С не требует специальных жаропрочных сплавов и масел. Опытная эксплуатация показала, что на внутренних стенках камеры сгорания нет даже окалины. Адиабатная камера сгорания отличается простотой конструкции и изготовления. Отсутствие в комплексе радиатора, карбюратора, системы непрерывного высоковольтного зажигания, специальной системы смазки, сцепления, карданных и редукторных узлов обеспечивает большой ресурс, гарантию надежности и простоту обслуживания. Расход топлива как минимум в два раза меньше, чем у карбюраторных и дизельных двигателей.
Но самое главное – адиабатные технологии создают уникальную перспективу: полученная на выходе смесь чистого углекислого газа и паров воды позволяют впервые осуществить регенерацию перечисленных продуктов в органику, которую можно снова использовать в качестве топлива, что еще больше снизит его расход. Такие технические решения теоретически разработаны.
Здесь надо обратить внимание на то, что во всем мире ведутся поиски новых источников энергии и новых технологий, и надо признаться, что пока эффективных и приемлемых решений не просматривается по разным причинам. В то же время на нашей планете тысячелетиями идет окислительно-восстановительный процесс и тысячелетиями сохраняется энтропийно-энтальпийное равновесие. Адиабатные технологии со сжиганием и регенерированием (восстановлением) продуктов сгорания в точности воспроизводят земной процесс. Поскольу мудрее того, что есть в природе придумать невозможно, адиабатные технологии - это, видимо, единственное направление, с помощью которого можно решить проблему экономного расходования топливных ресурсов. Если в регенеративной цепи будет достигнут коэффициент возврата 0,6-0,7, то первичный расход топлива будет настолько мал, что может быть обеспечен биогазом, легко восполняемым природой.
В любом случае внедрение таких компонентов выгодно, при этом решаются сразу три задачи: