Органическое топливо

В последние годы значительно возрос интерес к использованию нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ). Это экологически чистые способы получения энергии, не требующие затрат органического топлива, но вместе с тем жесткая территориальная привязка значительно ограничивает масштабы их применения.

Солнечная энергетика. В России сооружение солнечных электрических станций (СЭС) с термодинамическим циклом или с прямым преобразованием солнечной энергии в электрическую возможно на Северном Кавказе (Ставропольский и Краснодарский края. Ростовская область), на Нижнем Поволжье, в прикаспийских районах, в южных районах Сибири, на Дальнем Востоке. Эти области располагаются на широтах от 42 до 50°. Здесь максимальная интенсивность суммарного (прямого и рассеянного) солнечного излучения при ясном небе составляет 950 - 1000 Вт/м2. Однако продолжительность солнечного сияния не превышает 2000 - 2300 ч/год, и суммарная солнечная радиация на поверхность земли составляет 1100 - 1300 кВт ч/(м2 год), что в 1,5 - 2 раза меньше, чем в Италии, Испании, Японии, южных штатах США.

В связи с этим для создания рентабельных СЭС в России требуется тщательный сравнительный анализ возможных условий и технических решений, используемых при проектировании этих станций. Особенно это относится к модульным термодинамическим СЭС с использованием концентраторов солнечного излучения для обеспечения высоких температур теплоносителя и к башенным СЭС. Как показал опыт создания и эксплуатации башенных СЭС во многих странах, в том числе и в бывшем СССР (Крымская СЭС - 5 МВт), затраты на их сооружение не оправдываются. Солнечные электростанции прямого преобразования с использованием кремниевых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) солнечного излучения в электрическую энергию могут при определенных условиях обеспечить коммерческую эффективность в южных регионах России при сроках возврата инвестируемого капитала до 15 лет. Более эффективно сооружение СЭС в странах Закавказья и среднеазиатского региона.

В соответствии с предварительной оценкой, выполненной генеральными проектировщиками солнечных станций - Узбекским и Ростовским институтами "Теплоэлектропроект", в странах СНГ технически возможно и экономически целесообразно сооружение до 2010 г. около 100 солнечных электростанций общей установленной мощностью до 3000 МВт, в том числе, в России до 18 СЭС суммарной мощностью 550 МВт.

Ветроэнергетика. В России и странах СНГ с середины 80-х годов начали проводиться интенсивные разработки в области создания ветро-электроустановок и ветроэлектростанций различной мощности.

В США эксплуатируются более 30000 ВЭУ. Мощность одной только ВЭС "Altamont Pass" (штат Калифорния) составляет более 1000 МВт.

Германия успешно лидирует в Европе в использовании энергии ветра (около 2000 МВт), опережая Данию и Голландию. Годовые затраты на производство ВЭУ в Германии превышают 1 млрд марок (более 500 МВт). Ветроэнергетика обеспечивает в этой стране более 10 тыс. рабочих мест.

В Дании к 2010 г. планируется доведение мощности действующих ВЭУ до 1700 - 2500 МВт. Ежегодный ввод ВЭУ в эксплуатацию составляет 20 - 50 МВт. Помимо этого, Дания экспортирует до 3000 ВЭУ в год на общую мощность до 230 МВт. Ветроэнергетика в Дании обеспечивает 8500 рабочих мест и еще 4000 рабочих мест в кооперирующихся с ней странах.

В Польше планируется сооружение ВЭУ суммарной мощностью около 1000 МВт. Предполагается использовать, в основном, датские ветроагрегаты на 100, 750 и 1000 кВт. Большие программы развития ветроэнергетики реализуются в Индии и Китае.

Общая мощность действующих, сооружаемых и планируемых к вводу в России ВЭУ и ВЭС составляет 200 МВт. Отдельные ветроагрегаты, изготавливаемые российскими предприятиями, имеют мощность от 0,04 до 1000,00 кВт. В настоящее время действует около 1500 отдельных ветроагрегатов мощностью 0,1 - 16 кВт, один ветроагрегат на 1000 кВт в Калмыкии, Воркутинская ВЭС 1500 кВт и Ростовская ВЭС - 300 кВт, установка 600 кВт в Калининградской области и две по 270 кВт на Камчатке, что естественно не отвечает потребностям страны.

Геотермальная энергетика. В настоящее время в мире общая мощность геотермальных электростанций превышает 6000 МВт, в том числе по странам: США - 2700 МВт, Филиппины - 900 МВт, Мексика - 600 МВт, Македония - 220 МВт, Германия - 20 МВт, Россия - 20 МВт.

В Исландии создана двухконтурная система геотермального теплоснабжения г. Рейкьявика производительностью 10 тыс. м3/ч со сбросом отработанных вод из первичного контура в море (рисунок 6а).

а)                                                     б)                         в)

Рисунок 6 - Принципиальные тепловые схемы использования термальных вод: а - для мягких и щелочных вод; б - для вод, содержащих умеренное количество газов, слабонасыщенных и среднеминерализованных; в - для вод средненасыщенных газом и высокоминерализованных. 1 - скважина; 2, 9 - насосы; 3 - бак-аккумулятор; 4 - деаэратор; 5 - вакуум-насос; 6а - потребитель; 7, 8 - теплообменники; 10 - химводоочистка; 11 - подпиточный насос.

Разворачиваются работы по использованию геотермальной энергии в Турции. Потенциал геотермальных ресурсов в этой стране определен в размере 31500 МВт. Из европейских стран наибольшую активность в использовании геотермальной энергии проявляет Германия.

Успехи в этой области есть и в России. Еще в 1967 г. на Камчатке была построена Паужетская ГеоТЭС мощностью 11,5 МВт. В 1967 г. была введена в действие Паратунская ГеоТЭС - первая в мире с бинарным циклом Ренкина. В настоящее время строятся Мутновская и Верхне-Мутновская ГеоТЭС с отечественным оборудованием, изготовленным Калужским турбинным заводом, который приступил также к серийному выпуску модульных блоков для геотермального электро- и теплоснабжения на Камчатке и Сахалине.

Геотермальные источники с достаточно большим энергетическим потенциалом имеются на Северном Кавказе. Разработку проекта экспериментальной Ставропольской ГеоТЭС мощностью 2 МВт для этого района выполнил "Ростовтеплоэлектропроект".

Вместе с тем следует отметить, что удельные капитальные вложения в создание ГеоТЭС еще достаточно велики. По оценке Европейской Экономической комиссии ООН они в настоящее время составляют 1440 - 1720 долл. /кВт и, очевидно, сохранятся на этом уровне до 2010 г.

Определенные успехи имеются в России, и во всем мире в использовании энергии течений и волн, приливов и отливов, биомассы, источников низкопотенциального тепла, разности температур слоев морской и океанской воды и т.п.

Уже много лет на Кольском полуострове действует приливная электростанция на 450 кВт. Целый ряд биогазовых установок работает на сельскохозяйственных фермах. Серийно выпускаются тепловые насосы мощностью от 10 до 2000 кВт с коэффициентом преобразования электрической энергии в тепловую не менее 3. Начал действовать комплекс по использованию низкопотенциального тепла на Курской АЭС. Разработаны конструкции газогенераторов для газификации отходов древесины.

Но целый ряд проблем сдерживает дальнейшее развитие НВИЭ в России. Это и относительно высокая стоимость специального оборудования, и отсутствие поддержки как на государственном, так и на региональном уровнях в виде дотаций или беспроцентных кредитов внедряющим организациям, как это делается в странах Запада, и отсутствие законодательных актов и норм на льготы при использовании экологически чистых возобновляемых источников энергии и т.д.

Ориентировочный анализ производства энергооборудования для энергосберегающих и нетрадиционных технологий, которое может быть изготовлено и введено в эксплуатацию в энергетике в рамках энергосберегающего направления при наличии финансовой поддержки со стороны государства и крупных инвесторов, показал, что в течение 2001-2005 гг. может быть введено 3000-3500 МВт. Это позволит обеспечить экономию органического топлива в размере 4,5-5 млн. т у. т. в год.

Но до сих пор в мире, а в России особенно, продолжают внедряться малоэффективные технологии производства электроэнергии и тепла, связанные с большим расходом топлива. Неуклонно продолжает расти и население нашей планеты. Его потребности в тепле и электрической энергии становятся все выше и выше а органического топлива на удовлетворение этих потребностей - все меньше и меньше. И уже совсем не далек рубеж, когда не потребность человечества в электричестве и тепле будет определять количество их выработки. И если человечество хочет жить и развиваться дальше, ему необходим принципиально новый, альтернативный источник энергии. И вот в этой ситуации появляется устройство, которое может согревать воду в батареях водяного отопления без сжигания топлива - теплогенератор фирмы "Юсмар" изобретателя Юрия Семеновича Потапова (патент 2045715).

2. Анализ физических основ процесса

Рисунок 7 - Вихревая труба Ранке: 1 - цилиндрическая труба; 2 - улитка; 3 - диафрагма; 4 - регулировочный конус.

Теплогенератор Потапова очень похож на вихревую трубу Ж. Ранке, изобретенную этим французским инженером еще в конце 20-х годов XX века (патент США №1952281).

В вихревой трубе Ранке, схема которой приведена на рисунке 7, цилиндрическая труба 1 присоединена одним концом к улитке 2, которая заканчивается сопловым вводом прямоугольного сечения, обеспечивающим подачу сжатого рабочего газа в трубу по касательной к окружности её внутренней поверхности. С другого торца улитка закрыта диафрагмой 3 с отверстием в центре, диаметр которого существенно меньше внутреннего диметра трубы 1. Через это отверстие из трубы 1 выходит холодный поток газа, разделяющегося при его вихревом движении в трубе 1 на холодную (центральную) и горячую (периферийную) части. Горячая часть потока, прилегающая к внутренней поверхности трубы 1, вращаясь, движется к дальнему концу трубы 1 и выходит из неё через кольцевой зазор между её краем и регулировочным конусом 4.

Законченной и непротиворечивой теории вихревой трубы до сих пор не существует, несмотря на простоту этого устройства. "На пальцах" же объясняют, что при раскручивании газа в вихревой трубе он под действием центробежных сил сжимается у стенок трубы, в результате чего нагревается тут, как нагревается при сжатии в компрессоре. А в осевой зоне трубы, наоборот, газ испытывает разрежение, и тут он охлаждается, расширяясь. Выводя газ из пристеночной зоны через одно отверстие, а из осевой - через другое, и достигают разделения исходного потока газа на горячий и холодный потоки.

Жидкости, в отличие от газов, практически не сжимаемы, но Юрий Семенович Потапов попробовал запустить в трубу воду. "К его удивлению, вода в вихревой трубе разделилась "на два потока, имеющих разные температуры. Но не на горячий и холодный, а на горячий и тёплый. Ибо температура "холодного" потока оказалась чуть выше, чем температура исходной воды, подаваемой насосом в вихревую трубу. Тщательная же калориметрия показала, что тепловой энергии такое устройство вырабатывает больше, чем потребляет электрической двигатель насоса, подающего воду в вихревую трубу.

Так родился теплогенератор Потапова" [5].

Во многих встреченных мною на эту тему газетных и журнальных публикациях говорится не просто о высокой эффективности теплогенератора Потапова, а о КПД больше 100% (160, 300% и др.). С этим, конечно, трудно согласится. Скорее всего, речь надо вести о коэффициенте трансформации - характеристике теплового насоса.

Тепловой насос - установка, в которой производится отвод энергии от объектов с низкой температурой Тн (примерно равной температуре окружающей среды), к объектом с более высокой температурой Тв (больше температуры окружающей среды). Эффективность теплового насоса определяется количеством теплоты, подведенной к объекту с температурой Тв:

q0 = Tн · ∆s,

где ∆s - разность энтропий в процессах подвода или отвода теплоты.

Теоретическая основа трансформаторов теплоты связана с использованием обратного термодинамического цикла. На рисунке 8 показан такой цикл для теплонасосной установки.

Рисунок 8 - Идеальный обратный обратимый цикл теплонасосной установки.

При этом принято, что все процессы, составляющие цикл - идеальные, то есть в данном случае рассматривается идеальный обратный обратимый цикл Карно.

Принцип работы трансформатора теплоты обобщенно может быть представлен следующей последовательностью процессов. В процессе 1-2 осуществляется адиабатное повышение давления рабочего тела с помощью подвода работы извне. Далее необходим отвод теплоты на температурном уровне Тв (процесс 2-3-охлаждение или конденсация рабочего тела). В процессе 3-4 происходит адиабатное расширение в определенном диапазоне давлений, и, наконец, цикл замыкается процессом 4-1, в котором к рабочему телу подводится теплота на нижнем температурном уровне Тн.

В качестве показателя эффективности теплового насоса используют соотношение:

называемое коэффициентом трансформации.

Этот коэффициент не может быть назван КПД установки, так как не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к этому критерию (в частности, он может иметь численное значение больше единицы, что противоречит второму закону термодинамики). В формуле сопоставляются качественно различные виды энергии - теплота и работа. Известно, что качество вида энергии определяется его способностью превращаться в другой вид энергии. Если работа в идеальном процессе может быть полностью превращена в другой вид энергии, то теплота даже в идеальном процессе лишь частично превращается, например, в работу.

Вот об этом коэффициенте трансформации скорее всего и следует вести речь, говоря о теплогенераторе Потапова. Именно он равен 160%.

Леонид Павлович Фоминский, украинский ученый и изобретатель, сотрудничающий с Потаповым, пытаясь объяснить в [5] работу теплогенератора "Юсмар", подтверждает эту версию: "Правильнее говорить об эффективности теплогенератора - отношении величины вырабатываемой им тепловой энергии к величине потреблённой им для этого извне электрической или механической энергии" - пишет он.

И именно тепловой насос назван в [6] Потаповым в качестве прототипа своего изобретения, однако данное устройство не является тепловым насосом в чистом виде, так как тут отсутствует “передача" теплоты от менее нагретого к более нагретому телу через фазовый переход промежуточного теплоносителя.

Теплогенератор Потапова, схема которого приведена на рисунке 9 присоединяют инжекционным патрубком 1 к фланцу центробежного насоса (на рисунке 3.3 не показан), подающего воду под давлением 4-6 атм. Попадая в улитку 2, поток воды сам закручивается в вихревом движении и поступает в вихревую трубу 3, длина которой раз в 10 больше ее диаметра. Закрученный вихревой поток в трубе 3 перемещается по винтовой спирали у стенок трубы к ее противоположному (горячему) концу, заканчивающемуся донышком 4 с отверстием в его центре для выхода горячего потока. Перед донышком 4 закреплено тормозное устройство 5 - спрямитель потока, выполненный в виде нескольких плоских пластин, радиально приваренных к центральной втулке, соосной с трубой 3. В виде сверху он напоминает оперение авиабомбы или мины.

Когда вихревой поток в трубе 3 движется к этому спрямителю 5, в осевой зоне трубы 3 рождается противоток. В нём вода, тоже вращаясь, движется к штуцеру 6, врезанному в плоскую стенку улитки 2 соосно с трубой 3 и предназначенному для выпуска "холодного" потока.

Рисунок 9 - Схема вихревого теплогенератора: 1 - патрубок; 2 - улитка; 3 - вихревая труба; 4 - донышко; 5,7 - тормозное устройство; 6 - штуцер; 8 - байпас; 9 - патрубок.

В штуцере 6 установлен ещё один спрямитель потока 7, аналогичный тормозному устройству 5. Он служит для частичного превращения энергии вращения "холодного" потока в тепло. А выходящая из него тёплая вода направляется по байпасу 8 в патрубок 9 горячего выхода, где она смешивается с горячим потоком, выходящим из вихревой трубы через спрямитель 5. Из патрубка 9 нагретая вода поступает либо непосредственно к потребителю, либо в теплообменник, передающий тепло в контур потребителя. В последнем случае отработанная вода первичного контура (уже с меньшей температурой) возвращается в насос, который вновь подаёт её в вихревую трубу.

Хотя теплогенератор был изобретен и поставлен на производство уже почти десять лет назад, это загадочное устройство до сих пор осталось не объясненным теоретиками официальной академической науки.

По мере работы над данным дипломом у меня появлялись различные версии происходящих в теплогенераторе "Юсмар" процессов.

На начальном этапе знакомства с установкой Потапова (он происходил благодаря всевозможным газетным, журнальным публикациям и патенту на изобретение теплогенератора №2045715), часто возникали мысли о том, что это все просто шарлатанство. Постоянные упоминания о КПД равном 160% и никаких конкретных научных обоснований этого - вот что было во встреченных материалах. Не было там (ни в патенте ни в статьях) даже габаритных размеров установки.

При посещении чудовского завода "Энергомаш", имеющего лицензию на выпуск теплогенераторов "Юсмар", мне сообщили, что экспериментальная установка, которую завод купил у Потапова, в данный момент не работает, а когда работала ее КПД был ниже 100% (96 - 98%). Представители "Энергомаша" сообщали о данном результате Потапову и приглашали его приехать, но Юрий Семенович отказался, а на низкий КПД ответил что неправильно собрали установку.

Все это наталкивало на мысли о жульничестве, но высокие научные звания изобретателя - доктор технических наук, профессор и академик РАЕН, не позволяли окончательно остановится на этой версии.

А "Энергомаш", действительно, впоследствии стал выпускать модернизированную установку теплогенератора (с КПД около 100%), которая внешне (по габаритам) сильно отличается от исходной. Скорее всего, их новое устройство представляет собой ни что иное как сложное "гидравлическое сопротивление". Оно создает препятствие движению потока в виде совокупности местных гидравлических сопротивлений, обеспечивающих повышенное гидравлическое трение. При прохождении потока через спиральный канал малого сечения его скорость значительно возрастает. При этом гидромеханическая энергия давления (потенциальная) превращается в кинетическую, сопровождаясь тепловыми потерями. В вихре цилиндрической части, ввиду больших скоростей, сопротивление трения еще больше возрастает, что и приводит к превращению кинетической энергии в тепловую, то есть к приросту температуры.

Аналогичный процесс разогрева жидкости наблюдается в любой гидросистеме работающей под давлением (гидропривод), но там это явление негативное (иное назначение системы) и его всячески стараются уменьшить. Здесь же наоборот - акцент ставится именно на разогрев жидкости, поэтому в конструкции теплогенератора и имеются различные тормозные устройства.

Таким образом можно сделать вывод, что вся энергия, поданная на вал насоса благодаря повышенному гидравлическому трению конструкции превращается в тепло. Вода, постоянно циркулируя, проходя малый контур (теплогенератор - насос - теплогенератор) или непосредственно возвращаясь в теплогенератор по перепускному патрубку, многократно преодолевая гидравлические сопротивления нагревается до необходимой температуры и только после этого подается потребителю.

Но таким способом высокой эффективности (коэффициент трансформации φ = 1,6) теплогенератора не получить. Необходимо искать другие версии происходящих в установке "Юсмар" процессов.

В разговоре чудовцы не раз упоминали о сильном шуме, издаваемом теплогенератором Потапова при работе. А что, если причиной этого шума является кавитация? Тогда многое может изменится и высокая эффективность установки "Юсмар" становится вполне реальной.

Кавитацией называется явление парообразования и выделения воздуха, обусловленное понижением давления в жидкости. Появлению кавитации способствует растворенный в воде воздух, который выделяется при уменьшении давления.

Теоретически жидкость начинает кипеть, когда давление в некоторых участках потока снижается до давления ее насыщенных паров. В действительности давление, при котором начинается кавитация, существенно зависит от физического состояния жидкости. Если жидкость содержит большое количество растворенного воздуха, то уменьшение давления приводит к выделению воздуха из жидкости и образованию газовых полостей (каверн), в которых давление выше, чем давление насыщенных паров жидкости. При наличии в жидкости микроскопических, не видимых глазом пузырьков кавитация может возникать при давлениях, превышающих давление насыщенного пара. Каждый навигационный пузырек, формируясь из ядра, растет до конечных размеров, после чего охлопывается. Весь процесс происходит в течение нескольких миллисекунд. Пузырьки могут появляться друг за другом настолько быстро, что кажутся одной каверной.

Наличие в жидкости ядер в виде микроскопических пузырьков трудно объяснить теоретически. С одной стороны, силы поверхностного натяжения должны привести к схлопыванию мелких газовых пузырьков. С другой стороны, более крупные видимые глазом пузырьки должны всплывать и удаляться из жидкости через ее свободную поверхность. Для объяснения присутствия в жидкости газовых пузырьков предлагались различные гипотезы. В частности, предполагалось, что мелкие пузырьки могут образовываться; в мельчайших трещинах на поверхностях, ограничивающих жидкость. Это до некоторой степени подтверждается тем фактом, что кавитация обычно начинается вблизи (или на) таких границах. Однако кавитация может возникать и вдали от ограничивающей стенки, например в центре вихря или в ультразвуковом поле. Если твердые частицы взвешены в жидкости, то гипотеза "поверхностных трещин" по-прежнему подтверждается: только теперь уже роль стенок, где образуются ядра кавитации, выполняют примесные частицы.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6