Экологически чисто и выгодно вырабатывать электрическую и тепловую энергию из местного твердого топлива без сложных систем его газификации принципиально сможет паровая техника прошлого, спроектированная в духе современности.

Незаменимым источником механической и тепловой энергии для нужд сельского хозяйства и аграрной энергетики локомобиль оставался почти с середины XIX в. (на его родине – в Англии) и вплоть до начала 1960‑х гг. (в России).

Что это такое? Если обратиться к наиболее раннему и одному из крупнейших русских универсальных энциклопедических изданий, то оказывается, что словом «локомобиль» называли вообще передвижные рабочие двигатели (Л. Рамзин. Сельскохозяйственные и промышленные локомобили// Энциклопедический словарь русского библиографического института «Гранат». В 58 т. и одном дополнительном томе. Т. 38. – 7‑е изд., совершенно перераб. – М., 1917). По роду двигателей самым старым и распространенным классом являлись паровые локомобили.

Классика

Паровые локомобили предназначались, в частности, для удовлетворения энергетических потребностей сельского хозяйства, где требовались простые и надежные двигатели, которые можно было бы легко перемещать с одного места на другое. В России такие мобильные энергетические объекты генерации начали строить, согласно данным энциклопедического словаря «Гранат», приблизительно в 1875 г. на Людиновском заводе в Калужской губернии.

Были еще промышленные локомобили. Они представляли собой, в сущности, те же сельскохозяйственные локомобили, только снятые с колесного экипажа, и назывались полулокомобилями или стационарными локомобилями.

Легче и выше

Локомобиль как паросиловая установка имеет резервы для возможного уменьшения массы и габаритных размеров. В классических локомобилях наиболее громоздкой и тяжелой частью всей установки был паровик – так в старину называли паровой котел. Он служил одновременно рамой и фундаментом для расположенной на нем паровой машины. Паровой котел должен был экономично работать без тяжелой и механически непрочной обмуровки. Всем этим условиям тогда удовлетворяли только котлы с дымогарными трубами.

Современные локомобильные паросиловые установки должны стать более компактными, легкими и работать с более высокими энергетическими и эксплуатационными показателями эффективности: коэффициентом полезного действия (КПД) по выработке электрической энергии, коэффициентом полезного использования теплоты сгорания топлива, ресурсом до капитального ремонта. В чем здесь воплотится теория решения изобретательских задач (А. В. Ревенков, Е. В. Резчикова. Теория и практика решения технических задач: учебное пособие для студентов втузов. – М., 2008) с искусством конструирования?

Конструкции

Рассмотрим некоторые основные конструктивные моменты, касающиеся двух базовых компонентов стационарного локомобиля, которые уже были обозначены выше. Паровая машина, в отличие от двигателя внутреннего сгорания, работает экологически чисто – на водяном паре. А грязный процесс сгорания первичного топлива у паросиловой установки переносится из двигателя в топку либо горелку парового котла. Здесь сгорает даже твердое топливо, причем этот процесс может осуществляться при низких давлениях, близких к атмосферному, а не при давлениях, значительно превосходящих последнее. Как результат – значительно более экологически чистый выхлоп от сгорания топлива приходится именно на паросиловую установку, особенно если применять для сжигания твердого топлива в топке котла российскую технологию высокотемпературного циркулирующего кипящего слоя (свидетельство РФ на полезную модель RU 15772, Евразийский патент на изобретение EA 016482).
Паровой котел современного локомобиля может быть водотрубным, как типичные и хорошо зарекомендовавшие себя при эксплуатации котлы, предназначенные для котельных и мини-ТЭЦ. Не исключена возможность создания из современных материалов известных конструкций прямоточных малогабаритных паровых котлов, называемых еще змеевиковыми (П. И. Рябов. Передвижные паровые котлы. – 2‑е изд., перераб. – М. – Л., 1960; М. Михайлов. Белая ворона среди паровых котлов// Изобретатель и рационализатор. – 1966. – № 2. – С. 40‑41; авторское свидетельство СССР на изобретение SU 83126).

Паровая машина локомобиля XXI в. должна быть весьма компактной. К примеру, данному требованию хорошо удовлетворяет двигатель с радиальным (звездообразным) расположением цилиндров, как у поршневых авиационных моторов. С целью уменьшения габаритных размеров паровой машины можно использовать и бесшатунный механизм преобразования поступательного движения поршня во вращательное движение выходного вала. Схем таких механизмов предложено великое множество как отечественными, так и зарубежными изобретателями. Например, хорошо известны такие механизмы, построенные по схемам Сергея Степановича Баландина – советского изобретателя и конструктора бесшатунных авиационных моторов (С. С. Баландин. Бесшатунные поршневые двигатели внутреннего сгорания. – М., 1968).

Корпус и основные детали паровой машины сегодня вполне реально изготовить из легких сплавов с антикоррозионными легирующими добавками либо специальными покрытиями. Можно использовать и современные композиционные материалы. Например, в зарубежном паровом двигательном агрегате «Циклон» с регенерацией теплоты (патент РФ на изобретение RU 2357091) поршни выполнены из алюминия, а головки и уплотнения, не дающие поршням соприкасаться со стенками цилиндров, сделаны из жаростойкого углеродного волокна.

Механизм парораспределения может быть клапанным, как устроен газораспределительный механизм любого современного бензинового или дизельного двигателя. Заслуживают внимания конструкторов и самодействующие клапаны. Сама идея самодействующего парораспределения в паровых машинах была высказана еще в 1890‑х гг. германским инженером Вильгельмом Шмидтом «высокого давления». При таком парораспределении клапаны работают за счет воздействия на них самого рабочего тела (пара) без внешнего привода (О. Г. Гартманн. Пар высокого давления / Пер. с нем. Б. А. Люблинского; ред. Н. А. Доллежаль. – М., 1927). Конструкцию самодействующих клапанов В. Шмидт разработал и испытал для быстроходных паровых машин и паромоторов высокого давления (2 МПа и более). Такие клапаны отличались компактностью, надежностью и работали практически бесшумно. Гидравлические потери при впуске пара (потери на его дросселирование) были не больше, чем у принудительно действующих клапанов: расход пара на регулирование составлял всего не более двух процентов от его общего расхода в двигателе.

Смазка трущихся поверхностей при работе паровой машины принципиально может осуществляться водой без смазочного масла. Это уже реализовано на упомянутой выше локомобильной паросиловой установке «Циклон».

Расход пара в поршневых расширительных машинах меньше, чем в паровых турбинах. Это свойство особенно проявляется при небольших мощностях и порождает более высокий эффективный КПД паровых машин, если их сравнивать с паровыми турбинами. При этом, стоит заметить, конструкция паровой машины проще турбины и обслуживать ее легче.

Экспериментальную отработку конструкций локомобильных паровых машин можно проводить сначала на сжатом воздухе. Это практически безопасно, но позволяет выявить ряд конструктивных изъянов (например, утечки рабочего тела). А сократить объем натурных испытаний позволят CAD / CAE-системы для виртуального компьютерного проектирования изделий с последующим численным моделированием работы их конструкций.

Не только микроТЭЦ

Таким образом, подводя итоги приведенным выше рассуждениям, следует отметить, что современное конструкторско-технологическое искусство, приложенное к технике паровых локомобилей, вполне может обеспечить возрождение последних в виде сельских микроТЭЦ – когенерационных установок электрической мощностью до 100 кВт. Именно в этом мощностном классе работали классические локомобили. Однако в диапазоне электрических мощностей от 100 кВт до 10 МВт, характеризующем мини-ТЭЦ, современные локомобили тоже смогут показать себя, например на промышленных мини-ТЭЦ, в крупных и мелких паровых котельных.

Локомобильные микроТЭЦ и мини-ТЭЦ смогут предоставить потребителю следующие возможности при выгодных для него издержках:

комбинированную выработку тепловой и электрической энергии;

работу практически на любом топливе, включая биомассу (древесину в виде отходов дерево­обработки, торф, микроводоросли), с высокими показателями надежности и степенью автоматизации;

производство холодильной энергии из тепловой с использованием абсорбционной холодильной машины, действующей на водяном паре низкого давления, отработавшем в паровой машине.