Возможности струйных технологий в энергетике

15 марта 2018Автор 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».

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 0оС.

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.

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».

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.

 

 

Контакты