Тепловые двигатели ХХI века: применение

Автономные микро- и мини-ТЭЦ

Использование – вместо паровых и газовых турбин промышленных и государственных ТЭС и ТЭЦ (работающих на органическом, углеводородном жидком или газообразном топливе) – газопаровых турбин объемного расширения (ТОР) позволяет резко снизить затраты на оборудование и себестоимость вырабатываемых видов энергии. А также – уменьшить удельный расход топлива, повысить эффективный и тепловой КПД и обеспечить полную экологическую чистоту выхлопа (а соответственно – и чистоту атмосферы). Однако необходимо иметь в виду, что в газопаровом теплоэлектрогенераторе доля тепловой энергии будет, по сравнению с электрической, незначительной – хотя она легко преобразуется в тепловую электронагревательными приборами.

Автономные микро- и мини-ТЭЦ предназначены для автономного обеспечения объектов, не имеющих централизованного тепло- и электроснабжения – таких, как частные дома, коттеджи, дачи, базы отдыха, частные или государственные предприятия, фермерские и приусадебные хозяйства, полярные и метеостанции, мобильные подразделения МЧС, погранзаставы и т. д. А также – в качестве мобильного автономного парогенератора для отогревания и запуска аварийных сетей теплоснабжения, для локального обеспечения теплом и электроэнергией отключенных на период устранения аварии от централизованного снабжения объектов жилфонда и промпредприятий в зимнее время.

Газопаровой турбодвигатель в варианте теплоэлектрогенератора генерирует механическую энергию для привода электрогенератора и циркуляционного насоса и тепловую – отработавший пар или конденсат – для потребителей тепловой энергии. Турбодвигатель может работать или только в режиме электрогенератора, при отсутствии необходимости в тепловой энергии (система отопления в летний период), или только в режиме теплогенератора, или в режиме теплоэлектрогенератора, генерируя одновременно тепловую и электрическую энергию.

В отличие от современных тепловых двигателей, используемых для автономной генерации электрической и тепловой энергии (дизельные электростанции, бытовые электрогенераторы с ДВС, электрокотлы, бойлерные установки) на 1 кВт мощности газопаровой турбодвигатель обеспечит:
• в 8‑10 раз меньший удельный расход топлива;
• в 8‑10 раз меньшее удельное потребление атмосферного кислорода;
• в 8‑10 раз меньшее удельное выделение в атмосферу выхлопных газов;
• нулевую токсичность выхлопных газов;
• в 10‑15 раз меньшее выделение в атмосферу удельной теплоты при работе в режиме электрогенератора (и в 25‑30 раз – при работе в режиме теплоэлектрогенератора);
• эффективный – до 75 процентов – КПД, что не менее чем в два раза выше, чем обеспечивают лучшие образцы современных тепловых двигателей;
• термический КПД до 80 процентов при работе в режиме электрогенератора и до 90 процентов – при работе в режиме теплоэлектрогенератора.

При работе теплоэлектрогенератора обеспечивается полное отсутствие вибраций и бесшумный выхлоп.

Удельный вес автономного теплоэлектрогенератора в 4‑5 раз меньше удельного веса автономных бытовых бензиновых электрогенераторов.

После рабочего цикла в двигателе жидкость в состоянии пара или горячего конденсата используется в качестве теплоносителя, циркулирующего по системе отопления индивидуального потребителя тепла или по технологической системе предприятия, использующего тепло для производственных нужд.

Генерация пара осуществляется непосредственно в поточной части турбодвигателя, и он используется, прежде всего, с газами – для осуществления рабочего цикла. А затем – в качестве теплоносителя для потребителей тепловой энергии. Механическая энергия при этом используется для создания избыточного давления теплоносителя (пара, горячей воды, конденсата) и для привода электрогенератора и циркуляционного насоса.

При отсутствии необходимости в тепловой энергии отработавший пар не подается в систему отопления, а конденсируется и охлаждается в конденсаторе-охладителе.

При работе газопарового турбодвигателя можно, по желанию потребителя, генерировать перегретый пар или горячий конденсат требуемой температуры, что обеспечивается регулированием подачи топлива и воды или изменением их соотношения.

Турбодвигатель снабжен насосами для подачи топлива и для циркуляции парообразующей жидкости, а также устройствами регулирования их расхода и соотношения.

После прохождения по тепловому контуру (системе отопления) пар конденсируется, конденсат охлаждается в охладителе и вновь подается насосом в турбодвигатель – то есть используется многократно.

Газообразные и твердые продукты сгорания растворяются в водяном паре, а после его конденсации – остаются в конденсате, то есть в замкнутом контуре турбо-двигателя, Они могут затем, при нейтрализации теплоносителя, быть выделены и утилизированы.

Небольшой автономный тепловой контур – и, соответственно, требуемый для его заполнения объем теплоносителя позволяют использовать в качестве теплоносителя антифриз и обеспечить работу теплоэлектрогенератора без обслуживания в течение нескольких лет и исключить вероятность разрушений при остановке в зимнее время.

Газопаровой турбодвигатель теплоэлектрогенератора работает на всех видах углеводородного топлива, используемого для традиционных ДВС, и обеспечивает реализацию всех известных рабочих циклов ДВС (дизель, карбюратор, впрыск).

Преимущества автономии

Преимущества автономного теплоэлектрогенератора (микро- и мини-ТЭЦ) перед существующим оборудованием, обеспечивающим автономное снабжение индивидуальных потребителей или только теплом (котельные), или только электроэнергией (дизельные электростанции), и перед теплоэлектроцентралями (ТЭЦ), обеспечивающими централизованно потребителей одновременно и тепловой, и электрической энергией, следующие:
• исключаются большие капитальные затраты на линии электропередач и на теплотрассы, использующиеся только в зимний период и требующие обслуживания в начале отопительного сезона и после его окончания;
• исключаются проблемы, связанные с аварийностью, характерной для ЛЭП (обрыв при обледенении или при ураганах) и теплотрасс (прорыв коммуникаций).

Дополнительные потребительские качества мини-ТЭЦ:
• простота конструкции;
• бесшумный и экологически чистый выхлоп;
• минимальный удельный вес и габариты;
• мобильность;
• многофункциональность.

При появлении на рынке теплоэлектрогенератор обеспечит решение проблемы независимого энергообеспечения потребителей, не имеющих централизованного тепло- и электроснабжения, а также резкое снижение потребления углеводородного топлива, атмосферного кислорода, значительное сокращение выбросов тепла в атмосферу и снижение материальных затрат на производство теплоэнергетического оборудования.

А также – обеспечит значительное снижение затрат на генерацию тепловой и электрической энергии, частичное решение проблемы ограничения токсичных и тепловых выбросов, резкое уменьшение потребления атмосферного кислорода – что очень важно для мегаполисов.

Ракетные циклы

В отличие от атмосферных тепловых двигателей, в ракетных двигателях рабочим телом являются только продукты сгорания ракетного топлива. То есть так называемого балластного газа – увеличивающего массу рабочего тела и общее давление за счет нагревания теплотой продуктов сгорания ракетного топлива – в цикле нет. Соответственно – температура продуктов сгорания очень высокая. Кроме того, рабочий цикл ракетных двигателей характеризуется большими расходами топлива и, как и другие типы тепловых двигателей, большими потерями тепловой энергии с продуктами сгорания. Что является серьезным недостатком, не позволяющим обеспечить высокие термический и эффективный КПД рабочего цикла, экономические показатели и показатели эффективности, такие, как удельная тяга, удельный расход топлива, удельный вес. Не обеспечивается эксплуатационная безопасность (аварийные ситуации) и экологическая безопасность по токсичным выбросам и выбросам тепла.

Рабочие циклы всех известных типов ракетных двигателей, использующих в качестве рабочего тела газообразные вещества, не обеспечивают срабатывания большого теплоперепада, так как характеризуются малым периодом преобразования тепловой энергии в потенциальную давления и затем – в кинетическую энергию высокоскоростного потока газа при расширении в сопле.

Известно, что использование в тепловом двигателе в качестве рабочего тела парообразующей жидкости эффективнее, чем использование газообразного. Работа сжатия парообразующей жидкости ниже, чем газа, и, кроме того, при генерации пара из жидкости обеспечивается возможность при одном и том же количестве подводимого тепла осуществить генерацию рабочего тела пара с более эффективными начальными параметрами, более высоким давлением и меньшей температурой. Например, в паротурбинных установках, характеризующихся максимальной агрегатной мощностью.

Задача была решена путем трансформации тепловой энергии в потенциальную энергию давления рабочего тела, для чего в качестве источника рабочего тела в ракетном двигателе используется парообразующая жидкость (ПЖ) – например, вода; а тепловая энергия источника тепла – продуктов сгорания ракетного топлива или атомной энергии – используется для генерации из нее пара, который используется или с продуктами сгорания в виде газопаровой смеси, или в качестве единственного рабочего тела для создания тяги при расширении в сверхзвуковом сопле.

В газопаровом ракетном двигателе (ГПРДЖТ), работающем на жидких компонентах топлива, горючее и окислитель являются теплогенерирующими компонентами. Они генерируют высокотемпературное газообразное рабочее тело – продукты сгорания. Парообразующая жидкость является компонентом, потребляющим значительную долю тепловой энергии продуктов сгорания, и преобразует ее в энергию давления водяного пара, который с продуктами сгорания образует газопаровую смесь, являющуюся рабочим телом.

В газопаровом твердотопливном ракетном двигателе (ГПРДТТ), работающем на унитарном твердом топливе, парообразующая жидкость также является основным компонентом, а газопаровая смесь – рабочим телом.

В паровом ядерном ракетном двигателе (ПЯРД), работающем на энергии, выделяемой твердыми ТВЭЛ, рабочим телом, создающим реактивную тягу, является водяной пар. При этом вся полость камеры выполняет функцию парогенератора (ПГ).

В газопаровых РД зона подачи компонентов топлива, горения и образования газообразных продуктов сгорания у головки камеры или зона горения у поверхности топливного заряда выполняют функцию камер сгорания (предкамер), обеспечивающих эффективное сгорание топлива и максимальное выделение тепловой энергии. Остальная часть камеры, за зоной полного сгорания топлива (до сопла), в которую осуществляется подача воды и в которой образуется газопаровая смесь, выполняет функцию газопароганератора (ГПГ).

В газопаровых и паровом ядерном ракетных двигателях, предназначенных для перемещения объектов в атмосфере Земли, вода размещается в соответствующей емкости на борту. Подача осуществляется насосной или вытеснительной системами подачи.

В газопаровых ракетных двигателях и в паровом ядерном, предназначенных для водных и подводных транспортных средств, в качестве парообразующей жидкости используется забортная вода.

Подача воды в газопаровые ракетные двигатели осуществляется насосной системой или по каналу, сообщающему зону забортной воды в носовой части объекта с предсопловой зоной ГПГ после воспламенения топлива и выхода процесса горения на устойчивый режим.

После воспламенения топлива стартовая тяга осуществляется на продуктах сгорания. После набора объектом скорости осуществляется подача воды, и маршевая тяга создается газопаровой смесью. Вода поступает в полость ГПГ под динамическим напором и за счет эжекции, создаваемой высокоскоростным потоком газопаровой смеси в предсопловой зоне.

По аналогии с прямоточными воздушно-реактивными двигателями газопаровые и паровой ядерный ракетные двигатели, использующие забортную воду, являются прямоточными.

Для впрыска воды используются форсунки, аналогичные топливным. Впрыск воды осуществляется в продукты сгорания за зоной полного сгорания топлива.

Вода перед подачей в газопарогенератор может использоваться для охлаждения камеры сгорания и проходить по системе ее охлаждения, при этом охлаждения остальной части ГПГ и сопла из‑за низкой температуры газопаровой смеси не требуется.

В газопаровых твердотопливных РД, используемых в воздушных объектах одноразового использования (например, в ракетах), подача воды из бортовой емкости (ампулы) в полость ГПГ обеспечивается простейшими вытеснительными системами подачи с использованием реактивной силы работающего двигателя.

Топливный заряд (шашка) устанавливается в корпусе ГПГ с возможностью перемещения (скольжения) относительно его стенок в направлении движения объекта. В теле шашки выполняются не сквозные параллельные оси каналы, а ампула с водой размещается перед шашкой и выполняется из водостойкого, герметичного, эластичного и сгораемого материала, и также входит в водоподающие каналы шашки, повторяя и заполняя их внутренний контур.

Возможен вариант образования емкости для воды без использования специальной емкости на борту, для чего поверхности шашки, обращенные к воде (передний торец и каналы), покрываются водостойким, герметичным, сгораемым покрытием.

Возможен вариант подачи воды по каналам, выполненным и в теле шашки, и в цилиндрическом корпусе газопарогенератора, или по канавкам, выполненным на наружной цилиндрической поверхности и в теле шашки, что повысит скорость и эффективность парообразования.

Для предотвращения подачи воды в зону горения и исключения снижения теплопроизводительности топлива водоподающие канавки и каналы шашки могут бронироваться от емкости (полости) с водой до предсопловой зоны.

Ракетные двигатели, использующие в качестве дополнительного рабочего тела атмосферный воздух, являются прямоточными воздушно-ракетными двигателями (ПВРД).

Ядерные двигатели

В паровых ядерных ракетных двигателях (ПЯРД), используемых для мобильных, перемещающихся в атмосфере или в безвоздушном пространстве объектов или для стационарных – например, используемых для генерации теплоносителя, вода подается в атомный реактор насосом из соответствующей емкости (бака) под избыточным давлением, превышающим рабочее давление в ПГ.

При использовании для генерации пара забортной воды двигатель является прямоточным, а забортная вода – условным рабочим контуром.
По аналогии с известными газовыми ЯРД в ПЯРД источники ядерной тепловой энергии атомного реактора ТВЭЛы и управляющие реакцией стержни могут располагаться непосредственно в парогенераторе, при этом реализуется простая, эффективная и экономичная высокоэнергетическая одноконтурная схема.

Кроме того, ПЯРД может быть выполнен по двухконтурной схеме, аналогичной двухконтурной схеме АЭС. Теплоноситель первого контура водо-водяного реактора прокачивается по теплообменнику, расположенному в полости парогенератора, передавая теплоту теплоносителя первого контура рабочему телу второго условного контура – забортной воде.

Вода в зону ТВЭЛов реактора, находящуюся под высоким рабочим давлением образующегося сухого перегретого пара, подается насосом через систему охлаждения реактора или непосредственно в реактор. После разгона объекта забортная вода подается за счет динамического напора и за счет эжекции за реактор в предсопловую зону парогенератора, омывая и дополнительно охлаждая реактор, или непосредственно в предсопловую зону.

Вместе с тем, одноконтурный вариант ПЯРД с использованием высокотемпературного пара, генерируемого в реакторе, для создания тяги из‑за скоротечности цикла генерации и расширения пара не обеспечивает полного использования его тепловой энергии и, соответственно, максимального термического КПД. Кроме того, отработавший радиоактивный пар, поступая после выхлопа и конденсации в забортную воду, наносит вред окружающей среде.

Для достижения максимальных термического и эффективного КПД за счет максимального использования ядерной тепловой энергии и расширения диапазона срабатываемого двигателем теплоперепада генерация пара при одноконтурной и двухконтурной схемах может осуществлятся в два этапа.

Этапы генерации

Полость парогенератора содержит две зоны генерации.

В первой, в которой установлены ТВЭЛы реактора (одноконтурная схема) или теплообменник первого контура (двухконтурная) и в которую подается лишь часть поступающей в двигатель воды, генерируется сухой перегретый пар. Во второй зоне, в которую дополнительно подается вода, за счет теплоты сухого перегретого пара генерируется насыщенный пар, который и является окончательным рабочим телом, создающим тягу при расширении в сопле.

Для более полного использования кинетической энергии выходящего за пределы сопла высокотемпературного скоростного потока пара и ускорения его конденсации и гашения парового колокола, например, с целью маскировки, в поток пара за соплом через водозаборники может осуществляться подача дополнительной забортной воды для генерации дополнительного пара и создания пароводометной тяги.

В ПЯРД расход воды определяется заданной тягой, мощностью атомного реактора и с учетом схемы – одноконтурная или двухконтурная. Для водных и подводных судов с ПЯРД, для исключения радиационного загрязнения акватории порта стоянки и прибрежной зоны, выход за их пределы может первоначально осуществляться по двухконтурной схеме с последующим переходом на одноконтурную схему.

Давление продуктов сгорания без изменения расхода подаваемого топлива и, соответственно, их количества в газовой зоне, примыкающей к головке, увеличится до давления газопаровой смеси за счет подпора образующейся газопаровой смесью. Соответственно, объем газов уменьшится, при этом дополнительно возрастет за счет сжатия их температура в зоне горения, что будет способствовать более полному сгоранию топлива с максимальным выделением тепловой энергии.
Все варианты ракетных и ядерных двигателей защищены патентом РФ № 2380563.

Логин:
Пароль:
Запомнить меня
Регистрация
Забыли свой пароль?