СПОСОБ ВЫРАБОТКИ МЕХАНИЧЕСКОЙ (ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ) ЭНЕРГИИ ПРИ ПОМОЩИ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА, ИСПОЛЬЗУЮЩЕГО ДЛЯ СВОЕЙ РАБОТЫ ТЕПЛО ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ, ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ И СОЛНЕЧНУЮ ЭНЕРГИЮ
GENERATION METHOD OF MECHANICAL (ELECTRIC) POWER BY MEANS OF STIRLING ENGINE USING HEAT OF SECONDARY POWER RESOURCES, GEOTHERMAL SOURCES AND SOLAR POWER FOR ITS OPERATION

Сегодня Россия, несмотря на гигантские энергетические комплексы, крупнейшие запасы топлива, испытывает дефицит электрической энергии. В то же время на каждом предприятии прилагаются огромные усилия для борьбы с бесчисленными тепловыми вторичными энергетическими ресурсами (ВЭР).
На тепловых электростанциях (ТЭС) почти две трети тепла, полученного от сжигания топлива, уходит со сбросными нагретыми водами (1).
Промышленный тепло-технологический комплекс является одним из основных потребителей топливно-энергетических ресурсов страны. Только одни высокотемпературные тепло-технологические системы //нагрев массивных изделий, слитков; обжиг известняка; варка стекла; обжиг на цементный клинкер; плавка медного концентрата на штейн /2. с.12. рис.1, 2/; доменная и мартеновская плавка; шахтная никелевая плавка и свинцового агломерата; гидротермическая переработка фосфатов в циклонных печах и др./2. с.61, 62// по уровню прямого потребления топлива конкурируют с ТЭС страны. Эти системы тоже характеризуются низким КПД топливоиспользования (не превышает часто 15-35%) /2.с.21/, а значит, обладают исключительно богатыми нераскрытыми потенциальными возможностями использования тепловых ВЭР.
Не меньшими запасами тепловых ВЭР обладают и котельные, число которых в нашей стране в 1986 г. превышало 65000 (3).
К котельным можно добавить сотни тысяч мелких котлов на газе, жидком и твердом топливе для отопления небольших помещений, магазинов, киосков, офисов, в частном секторе, дач, пекарен, бань, саун, столовых.
Еще один немалый источник ВЭР - судовые энергетические и котельные установки Министерств морского, рыбопромыслового, воздушного флота, автомобильного и железнодорожного транспорта, установок по сжиганию попутного нефтяного газа, бытовых отходов.
Конечно, легко превратить механическую энергию в тепловую, но не так просто превратить теплоту в механическую энергию. Для этого требуется сложная по устройству инженерная установка.
Известны способы использования ВЭР, при которых обязательным является наличие котлов-утилизаторов /2.с.64-70, табл.1, 9/, конструкция которых определяется видом теплоносителя. При низкотемпературных отходах (800-900°С) - газотрубные и водотрубные конвективные установки, при высокотемпературных (выше 1100-1200°С) - радиационно-конвективные котлы-утилизаторы (2. с.74, 75).
Так при сухом тушении кокса, температура которого 1000-1100°С, через него продуваются инертные газы, которые нагреваясь до 750-800°С вырабатывают в котле пар. Пар используется для вращения турбины, она служит приводом для генератора, компрессора и др. механизмов (2).
Одна из последних заявок за № 2004136055 (4) по утилизации тепловой энергии, позволяющей преобразовать энергию отходящих газов промышленных установок в электрическую и энергию горячей воды с помощью пароперегревателя, экономайзера, турбины и генератора.
Недостатком этих установок является наличие котла-утилизатора, в котором часть энергии затрачивается на преобразование воды в пар, тепло ВЭР напрямую не используется для выработки механической энергии.
Наиболее близкий к предлагаемому способу получения механической (электрической) энергии применяется способ на геотермальной электростанции (ГеоТЭС). Ее достоинство - отсутствие котла-утилизатора, а недостаток - поступающая из буровой скважины пароводяная смесь предварительно должна быть разделена на пар и воду (5).
По мнению автора, самым оптимальным и эффективным способом выработки механической (электрической) энергии на ТЭС, теплоэлектроцентрали /ТЭЦ/, атомных электростанциях /АЭС/, дизельных электростанциях /ДЭС/, котельных, высокотемпературных теплотехнологических комплексах, судовых энергетических установках Министерств морского, рыбопромыслового, воздушного флота, автомобильного и железнодорожного транспорта, установках по сжиганию попутного нефтяного газа, бытовых отходов, на геотермальных источниках, используя солнечную энергию, будет при помощи двигателя Стирлинга /ДС/, который для своей работы использует не топливо, а тепловые ВЭР, тепло геотермальных источников, солнечную энергию напрямую без котла-утилизатора.
Сегодня существуют двигатели внешнего сгорания Стирлинга на дизельном топливе, применяются они в подводном судостроении - Швеция, Япония, Германия, Франция, США (7), автомобильном транспорте, за их бесшумность, высокий КПД и малую токсичность. Наибольшая их мощность 1250 кВт, эффективный КПД 30-40%.
Двигатель Стирлинга /ДС/ в этом случае будет отличаться тем, что работает, используя готовый теплоноситель от постороннего источника - тепло ВЭР, геотермальных источников, энергию Солнца /ДпС/.
2
1
1
2
В основе рабочего процесса двигателя Стирлинга лежит принцип сжатия определенного количества рабочего тела (воздух, гелий, водород, углекислый газ, аргон) при низкой температуре - t и расширение его при более высокой - t. Теплота в ДС подводится извне, в простейшем случае через стенку цилиндра. В процессе охлаждения рабочего тела от температуры t до t некоторое количество теплоты может быть регенерировано, т.е. сообщено рабочему телу в процессе его нагрева, что значительно увеличивает его КПД. Регенерация теплоты и является особенностью цикла Стирлинга (6, с.6-10).
ДС работает по замкнутому циклу, поэтому его термодинамический цикл более точно отражает сущность рабочего цикла двигателя, чем термодинамический цикл двигателя внутреннего сгорания /ДВС/.
К особенностям ДС внешнего сгорания относятся также: высокий КПД, возможность использования различных тепловых источников, малая токсичность, а при использовании ВЭР - отсутствие дополнительных вредных выбросов, низкий уровень шума и вибрации, незначительный расход смазочного масла, малые эксплуатационные затраты, высокий КПД при работе на неноминальных режимах, нечувствительность к пыли в окружающей среде, возможность работы со значительными кратковременными перегрузками, двигатель легко пускается при любой температуре наружного воздуха: плавное, безударное изменение силовых нагрузок и достаточно низкий уровень температур деталей благоприятствует его долговечности (6. с.124-132).
В настоящее время достигнутые эффективные КПД ДС находятся на уровне КПД дизелей такой же мощности, и возможно существенное повышение его. По величине среднего эффективного давления и литровой мощности ДС превосходят дизели (6. с.143).
В общем случае на показатели термодинамического цикла Стирлинга влияют температура горячего и холодного источников, КПД регенератора, степень сжатия рабочего тела, его физические свойства, наличие «вредного» пространства, включающего объемы соединительных каналов и газовых полостей нагревателя, регенератора, охладителя и буферной полости (6. с.12).
1
2
1
2
Режимы максимальной экономичности ДС t=700°С и t=20°С (6. с.28). При соотношении объемов газовых полостей регенератора, охладителя и нагревателя, типичном для ДС - t=427°С и t=60°С, среднеарифметические температуры: минимальные 147°С и максимальные 281°С (6. с.18).
Мощность машины растет с увеличением температур между горячим и холодным телами и прямо пропорционально давлению рабочего тела.
2
2
1
Что касается температуры холодильника - t, то она ограничена практически доступными источниками охлаждения (водой, атмосферным воздухом). Необходимо отметить, что для повышения КПД, уменьшение значения t более важно, чем температура - t (8. с.45).
С другой стороны, часть теплоты, преобразуемой в индикаторную работу двигателя, расходуется на привод вспомогательных механизмов. Эта затрата теплоты обычно больше, чем в ДВС, из-за подачи большого количества воздуха в камеру сгорания и большого расхода охлаждающей жидкости - для ДС.
Еще одна особенность ДС - большой отвод тепла в окружающее пространство; как любой тепловой двигатель, работающий по замкнутому циклу, он требует радиатор в 2,5 раза больший, чем у ДВС (6. с.22).
Вот почему для устранения указанных недостатков у ДС и интенсификации теплообменных процессов в холодильнике, нагревателе и регенераторе применяются вспомогательные агрегаты и системы:
а) вспомогательный ДС малой мощности, работающий в режиме холодильной машины - для охлаждения основного ДпС сжиженным воздухом с температурой до -200°С
б) витая форма трубок нагревателя, холодильника и регенератора ДС увеличивает в 10 раз теплообменные процессы и на 25-50% сокращает массу теплообменников;
в) для максимального приближения теплового КПД цикла Стирлинга к тепловому КПД цикла Карно, подвод теплоносителя производить и к регенератору;
г) применяя систему охлаждения сжиженным воздухом и витую форму трубок теплообменных аппаратов использовать ДС для выработки электроэнергии за счет солнечной радиации.
Использование сжиженного воздуха для охлаждения холодильника ДС позволит раздвинуть интервал температур используемых теплоносителей, будут пригодными даже низко-потенциальные тепловые ВЭР (2. с.76. табл.1.14), а нижнюю часть интервала перевести в область более низких температур, что важно для увеличения КПД. Воздух более доступный материал, чем вода.
Для теплового ДС имеет особое значение интенсификация теплообмена в нагревателе, холодильнике и регенераторе. Как известно, искусственная турбулизация потока жидкости позволяет повысить эффективность обмена тепла между средами.
В Московском авиационном институте зарегистрировано открытие в 1981 г. под №242, которое помогло сконструировать высокоэффективные теплообменные поверхности, которые должны иметь витую форму. Было установлено, что оптимальный шаг закрутки витой трубы должен быть в 6-12 раз больше ее диаметра (9).
При продольном обтекании витой трубы образуется вихрь, подобный смерчу, мощность которого растет с уменьшением шага закрутки трубы. Поперечное перемешивание потока и интенсивность теплообмена тем выше, чем сильнее взаимодействие вихрей, а оно максимально, если трубы соприкасаются. Плотная упаковка решает задачу по обеспечению вибропрочности аппарата. В аппарате новой конструкции перемешивание потока в межтрубном пространстве раз в 10 интенсивнее, чем в теплообменнике с круглыми трубами.
При замене круглых труб витыми трубами достигается интенсификация теплообмена и внутри труб и в межтрубном пространстве, что позволяет на 25-50% снизить массу и объем аппарата при тех же затратах энергии на прокачку теплоносителя. Гидравлическое сопротивление потоку при перекрестном расположении труб даже снижается, так как в таком аппарате уменьшается доля объема, занятого трубами, и соответственно увеличивается пространство, в котором движется теплоноситель.
Замена круглых труб витыми трубами не усложняет производство теплообменников, т.к. изготовление витых труб производится за одну операцию - протягиванием круглых труб через фильеру. Витая форма труб позволит сократить объем холодильника, регенератора и нагревателя.
Для увеличения КПД ДС необходимо стремиться к росту КПД регенератора, который действует, как тепловой аккумулятор (ТА), то принимая - то отдавая теплоту рабочему телу. Имея, как правило, избыток тепловых ВЭР предлагается теплоноситель подводить и к регенератору, при условии избытка теплоносителя. Температура регенератора не намного будет отличаться от температуры нагревателя - это будет облегчать и ускорять нагрев рабочего тела в нагревателе, а значит и способствовать увеличению термического КПД цикла Стирлинга, и даже позволит сократить массу насадки (- «галет», которые заполняют регенератор и которые принимают и хранят тепло). Материалом для галет служит «путанка» из дорогой металлической сетки - хромо-никелиевой, нержавеющей стали, никелиевой, вольфрамовой, молибденовой, металлокерамической.
1
2
Главная сложность в осуществлении предложенного способа выработки механической (электрической) энергии при помощи ДпС, используя ВЭР - это подвод к его нагревателю теплоносителя с параметрами, достаточными для его эффективной работы - t=700°С и t=20°С. Рассмотрим их.
При проектировании котельных установок температуру горячих газов, покидающих топку, выбирают в пределах 900-1200°С (8. с.262). В котельных установках, работающих на твердом топливе, есть и второй вид теплоносителя в виде раскаленного шлака, золы, которые тоже можно использовать для работы ДпС. Температура шлака, поступающего на дробление, не должна превышать 600°С (10). Шлак тоже пригоден.
Использование теплоты в газотурбинных установках (ГТУ) эффективно ввиду высокой температуры - 615°С и значительного количества газа на выходе из турбины. В ГТУ 50 800ХТЗ температура после турбины нижнего давления 457°С (8. с.360) и если температура охладителя будет не 20-60°С, как сегодня, а значительно ниже, работа ДпС будет эффективна.
У ДВС вследствие выделения большого количества теплоты к концу сгорания топлива температура в цилиндре равна 1400-1700°С, а в конце расширения 600-750°С (8. с.374, 390, табл.37,1). Вот почему представляется идеальной компоновка единого агрегата: двигатель внутреннего сгорания, а над ним ДнС (6. с.89.). Отбор тепловых ВЭР производится от каждого цилиндра напрямую без газопровода, если число рядного ДпС совпадает с числом цилиндров ДВС. ДпС может работать как на генератор, так и на воздушный винт, гребной вал, ходовое колесо или иной механизм, если первичный двигатель достаточно мощный (автомобиль БЕЛАЗ, 6000 кВт у тепловоза (5. с.219), плавбазы, мощные танкеры, ледоколы, сухогрузы ледового класса, самолеты ИЛ - 62, 96, АН - 22, 124) - это позволит экономить не только топливо, но и увеличить скорость, дальность полета, пробега, хода.
Отходящие газы высокотемпературных технологических установок тоже имеют достаточный потенциал (7. табл.1,8).
В районах с бурной вулканической деятельностью магма находится близко к поверхности с температурой от 600 до 1200°С (5). Запасы природного пара Камчатки эквивалентны 1500МВт электроэнергии, « что втрое превышает мощности электростанций системы «Камчатскэнерго» (11).
Подвод теплоносителя к нагревателю: наиболее выгоден вариант, когда часть ДпС -нагреватель, нагревательные трубки (6. с.87. с.107.) - находятся непосредственно в газоходе, паропроводе, водопроводе, бункере с коксом, шлаком, золой и напрямую воспринимают тепло.
Если это невозможно, теплоноситель подводится к нагревателю с помощью отвода с раскаленными газами, паром, воздухом, водой от основного газохода, паропровода, водопровода или с помощью высокотемпературной воздуходувки /16. с.136, рис.83/, высокотемпературного циркуляционного насоса /6. с.137, рис.84/ тепловых труб (ТТ) (12), а при цикличной работе источника тепла - с помощью теплового аккумулятора (ТА) (6. с.132-139).
Принцип работы ТТ: нагретое тело можно быстро охлаждать кипящей жидкостью, а получившийся пар механически транспортировать к холодному телу. Конденсируясь на нем, пар быстро отдает тепло и снова превращается в жидкость. Так как скорость движения пара гораздо выше, чем тепла, распространяющегося вдоль стержня, то количество передаваемой энергии может быть увеличено в сотни, а то и тысячи раз.
ТТ представляет собой тонкостенный металлический цилиндр, воздух из которого откачан. Внутренние стенки выложены пропитанным жидкостью пористым материалом: металлической сеткой, стекловолокном, спеченной керамикой и тканью, из которой делают фитили. При умеренных температурах хорошие результаты дают трубы, заполненные дистиллированной водой, при сверхвысоких температурах - натрием, калием или литием.
Потоки жидкости и пара внутри трубы регулируются с помощью электрических и магнитных полей, звуковых, ультразвуковых колебаний.
ТТ лучом расходящиеся из общей точки могут работать как линзы, концентрируя или «разжижая» потоки тепла в зависимости от того, с какой стороны находится источник энергии. ТТ можно рассматривать, как преобразователь теплового потока. Большая поверхность ТТ позволяет использовать для ее нагрева тепловой поток малой плотностью. Теплота, полученная таким образом, может вновь передаваться тепловым потоком высокой плотности к другой поверхности теплообмена. В этом случае ТТ в отношении плотности теплового потока действует как трансформатор напряжения электрического тока (6. с.138).
Пример: литиевую трубу поместили одним концом в середину мощной электрической дуги, а другим в бак с холодной водой - стержень мгновенно раскалился докрасна, и вода в баке закипела. Для сравнения, чтобы передать тепловую мощность 15кВт по медному стержню сечением 1 см на расстояние 0,5 м его горячий конец нужно раскалить до 180000°С - в 30 раз горячее, чем поверхность Солнца. Литиевая труба таких размеров, нагретая до 1500°С, передает эту мощность при разности температур на концах в 5°С.
ТА запасает тепло на время прекращения поступления теплоносителя. Как по объемной, так и по массовой энергоемкости система ТА - ДпС в несколько раз превосходит другие системы, в том числе и наиболее перспективную - электрические серебряно-цинковые батареи - электродвигатель. Время увеличения емкости ТА на 1кВт ч в десятки раз меньше, чем у любых электрических аккумуляторных батарей с ограниченной плотностью зарядного тока (6. с.136-138).
Наиболее перспективными компоновками ДС «двойного действия» [название «двойного действия» основано на том, что в каждом цилиндре положительная работа производится в течение обоих ходов поршня вверх и вниз, т.е. в течение одного оборота коленчатого вала совершается два рабочих хода поршня (6. с.39)], являются V-образные с обычным кривошипно-шатунным механизмом крейцкопфного типа и двигатели с барабанным расположением цилиндров с косой шайбой, которые обеспечивают плотную компоновку двигателя и создают возможность для объединения смежных цилиндров, как через трубы нагревателя(общая для всех цилиндров камера сгорания-нагревания), так и через каналы охладителя (общий подвод охлаждающей жидкости ко всем охладителям и отвод ее), что облегчает подвод тепла и его отвод (6. с.89. 90).
При барабанном расположении цилиндров и приводе с косой шайбой ДС «двойного действия» конструктивно осуществимы с тремя-девятью цилиндрами.
При использовании тепловых ВЭР конструкция их намного упрощается, отсутствуют вспомогательные системы и агрегаты, необходимые для работы камеры сгорания: дутьевой вентилятор, воздухоподогреватель, система подачи топлива, смесеобразования, внешней рециркуляции, внешнего зажигания при пуске, топливный бак, фильтр.
Благодаря вышеуказанным вспомогательным агрегатам и системам, особое внимание должна привлечь конструкция универсального ДуС: собственно ДС - работает за счет теплоносителя, который получаем из камеры сгорания; ДпС - получает теплоноситель от постороннего источника, а ДуС имеет и камеру сгорания и в состоянии работать, получая теплоноситель от постороннего источника мощностью от 1 до 10 кВт с генератором 220, 380В или в качестве дрели, с насосом, компрессором,в качестве наждака и другого навесного оборудования для широкого использования на производстве и в быту: легкий, бесшумный, его можно использовать и как аварийный источник энергии, установив даже на балконе, вместо грохочущих корейских, японских, как на топливе, так и на низкотемпературных ВЭР. Установив его на плиту бытовой печи в сельской местности, можно будет пользоваться освещением, телевизором, пока чугунная плита раскалена, а при наличии ТА электропитанием можно пользоваться круглосуточно. Такой агрегат необходимо оснастить съемными ТТ, один конец которых можно поместить в костер, раскаленные угли, пламя газового баллончика, паяльной лампы, в горячий термальный источник, шлак, золу и другие горячие источники на даче, у гаража, в лесу.
Такой агрегат нужен геологам, лесозаготовителям и другим специалистам, чтобы не возить с собой большое количество топлива в места, где достаточно отходов леса и другое местное топливо.
Так как в бытовых и других указанных случаях трудно обеспечить равномерную подачу теплоносителя к нагревателю, полость нагревателя заполняется расплавом теплозапасающего вещества. Такой нагреватель превращается в мини-ТА. Форма нагревателя зависит от вида теплоносителя: прямоугольной формы плита - для установки на уголь, золу, шлак, геотермальный источник; хомут - для установки на трубопровод.
Витая форма трубок увеличивает теплообменные процессы в 10 раз и позволяет сократить на 25-50% их массу - все это может быть использовано во всевозможных нагревательных приборах: экономайзерах, воздухонагревателях, бойлерах, приборах отопления, что может положительно отразиться на работе ТЭС; а совместно с ДС, работающих в режиме холодильной машины и в системах охлаждения всевозможных агрегатов, это позволит сократить массу теплообменных аппаратов (а ведь масса некоторых из них достигает 200 тонн в производстве сжиженного природного газа (17)) и экономить цветные металлы.
Еще пример. Центральной проблемой при создании сверхмощных генераторов стоит борьба с теплом, так как увеличивается ток в обмотках машины в два раза, в четыре раза увеличиваются тепловые потери, ток растет в три раза, выделение тепла - в девять и так далее раз. Сегодня работает схема охлаждения: водой - статорную обмотку, водородом - роторную и активное железо. От решения этой центральной проблемы сегодня в основном зависит прогресс турбогенераторостроения. Вот почему, заменив эту схему на охлаждение сжиженным воздухом при помощи ДС, работающего в режиме холодмашины, можно будет существенно увеличить мощность генератора. После того, как американский исследователь П.Чу смог поднять планку критической температуры сверхпроводимости до -175°С, используя окислы металла, металлокерамику, указанная схема охлаждения обмоток генератора должна облегчить и ускорить решение проблемы сверхпроводимости. А если это будет решено, новый генератор будет в 4-5 раз меньше по массе, а мощность его может достигнуть 10 млн кВт. Еще пример. Лишь одно обстоятельство ограничивает место сооружения ТЭС, АЭС - необходимость иметь поблизости достаточное количество воды. Насосы станции должны прокачивать через свои холодильники целые реки. На каждый млн кВт мощности нужна одна четверть миллиона кубометров воды. Замена воды сжиженным воздухом решает очень много проблем особенно в безводных районах. Воздух имеется повсюду в неограниченном количестве, его не нужно транспортировать к месту потребления. Использование сжиженного воздуха в качестве холодильного агента, а ДС в качестве холодильной машины, которая является на сегодня самой высокоэкономичной холодильной машиной /18. с.18/, если ее приводит в действие электродвигатель, тоже сулит большие экономические выгоды и сделает безопасным работу холодильных установок.
Сверхнизкая температура для охлаждения холодильника ДпС и витая форма трубок теплообменных аппаратов решает еще одну важную проблему использования энергетического потенциала Солнца.
1
2
Для нормальной работы ДС требуется разность температур t-t=134°С (6. с.28). Используя ТТ, как линзы, концентрирующие потоки солнечного тепла - большая поверхность ТТ позволяет использовать для ее нагрева тепловой поток малой плотностью. Теплота, полученная таким образом, может вновь передаваться тепловым потоком высокой плотности к другой поверхности теплообмена. Если напомнить, что ДС имеет высокий КПД на неноминальных режимах, в жарких районах температура в большинстве своем 40, 50, 60°С, а нагреватель ДпС поместить в «отсек», где создаются условия парникового эффекта, даже в средних широтах внутри теплицы температура на 20° выше, чем на солнечной стороне - ДпС будет уверено работать.
В одном из проектов для получения электроэнергии предлагалось использовать стеклянные трубы, покрытые изнутри полупрозрачной полупроводниковой пленкой. Такая труба сквозь стенку пропускает тепловые лучи и 80% из них удерживает внутри. Солнечные лучи с помощью цилиндрической линзы собираются в узкий пучок. В конечном итоге можно получить температуру 530°С (5. с.91, 92). Если такую установку обеспечить ТА с расплавом металлического натрия, температура плавления которого 92°С, она будет обеспечивать электроэнергией и в ночные часы.
Если наша страна, опередив другие страны, захватит инициативу и наладит производство разной мощности и различных по назначению «Русских» ДС, они найдут самое широкое распространение не только в нашей стране, но и по всему миру. На проектирование и производство перспективного и конкурентно-способного энергетического оборудования нетрудно будет найти инвестиции. Всю выгоду от применения ДпС сегодня просто трудно оценить. Для максимального использования неисчерпаемых тепловых ВЭР необходимо в наикратчайшие сроки спроектировать и наладить серийное производство малых, средних, мощных и сверхмощных ДС, с тем чтобы основное направление в развитии электроэнергетики получило не строительство новых ТЭС, ТЭЦ, АЭС, ДЭС и гидроэлектростанций /ГЭС/, а освоение тепловых ВЭР на уже построенных, на промышленных технологических комплексах металлургии, химии, нефтепереработке, нефтехимии и других смежных производств, на транспорте, термальных источниках и используя солнечную энергию. Если приложить минимальные усилия, чтобы применить ДС только на ТЭС и высокотемпературных теплотехнологических системах, без котельных, судовых энергетических установок и прочих тепловых источниках, без сомнения, можно увеличить выработку электроэнергии в стране, как минимум, в два раза, и это не увеличивая потребление топлива, не строя новые электростанции, не увеличивая выбросы парниковых газов, только с дешевой электроэнергией будет возможен переход от чрезвычайно затратной системы централизованного теплоснабжения к электроотоплению.
Чтобы освоить такие колоссальные ресурсы понадобится не один десяток лет. Это и будет план «ГОЭРЛО - 2».
В результате внедрения энергосберегающей технологии, не напрягая топливные ресурсы, можно получить громадную экономию топлива, капвложений, не перегораживая реки, не строя АЭС и получить миллиарды киловатт дешевой электроэнергии, пока наши ученые не решат проблему термоядерного синтеза, хотя термоядерные электростанции тоже будут нагревать планету до катастрофических пределов.
Такие металлургические центры, как Кузбасс, Магнитка, Северсталь, Норильский никель, Новолипецкий металлургический комбинат, алюминиевые гиганты, заводы по производству меди, цинка, олова и других металлов, крупные котельные могут стать еще и крупными поставщиками электроэнергии для своих регионов, а это повлечет за собой удешевление их основной продукции.
Единица энергии в форме электричества обходится потребителю примерно вчетверо дороже, чем в форме тепла, получаемого при сжигании мазута, утверждает академик
М.Стырикович (14). Виновником столь дорогой электроэнергии является несовершенная технология ее выработки, которая не меняется более ста лет.
Преобразование энергии топлива в электрическую энергию осуществляется на современных паротурбинных электростанциях на основе сложных тепловых циклов. В состав простейшей конденсационной электростанции (КЭС) входят турбогенераторная и котельная [самая дорогая и громоздкая часть, более 30 м высота, удельные металловложения 12-15 кг/ кВт (15. с.239)] установки, насосы и трубопроводы пара и воды, связывающие эти агрегаты.
Это оборудование вносит дополнительные потери в работу КЭС. Основной энергетической потерей КЭС являются потери тепла в конденсаторе, которые достигают 60-70% расхода тепла на турбогенераторную установку (15. с.16).
Цель изобретения найти способ выработки дешевой электроэнергии на ТЭС, ТЭЦ и котельных, отказавшись от:
а) котельных агрегатов, преобразующих тепло сгоревшего топлива в кинетическую энергию пара с параметрами 550-600°С (в перспективе 700°С) и давлением 24 МПа (в перспективе 35 МПа) (11. с.4);
б) громоздких систем химводоподготовки, подпитки, для компенсации потерь воды, сепарации пара, систем охлаждения, вспомогательного оборудования для работы этих систем;
в) турбины;
г) громадных помещений и огромных территорий, в том числе водных бассейнов.
Сегодня наиболее близким способом к предлагаемому изобретению является получение механической (электрической) энергии с помощью ГТУ и на ГеоТЭС (геотермальная электростанция).
Недостатки имеет не только котельная установка, но и турбина. Для газовой турбины необходимо создавать давление с помощью турбокомпрессоров. При работе с недогрузкой экономичность установки значительно уменьшается. Наиболее резко снижается КПД ГТУ на частичных нагрузках при работе газовой турбины с постоянной частотой вращения. При уменьшении нагрузки ГТУ подача топлива в камеру сгорания сокращается при постоянном поступлении воздуха из компрессора, что приводит к резкому понижению температуры газа перед турбиной. На работу ГТУ большое влияние оказывает даже температура и давление окружающего воздуха. Повышение температуры и снижение атмосферного давления приводят к снижению мощности ГТУ (15. с.236, 237).
Для ГТУ требуются промежуточное охлаждение воздуха при сжатии с помощью воды и масляная система, охлаждение лопаток. Наибольшие затруднения при повышении единичной мощности конденсационной турбины вытекают из ограниченных возможностей пропуска через последние ступени турбины больших объемов пара, обусловленных большим его массовым расходом, с одной стороны и большим удельным объемом пара в последних ступенях - с другой. (15. с.339). Для паровой турбины требуется конденсатор. Удельный расход пара на турбину резко повышается при снижении нагрузки, а также повышается при увеличении нагрузки сверх расчетной. Наименьший расход соответствует только расчетной мощности, т.е. той мощности, для которой турбина рассчитана и соответственно выполнена. Эта мощность носит название экономической мощности.
Потребление электроэнергии в течение суток очень неравномерно, а изменить режим работы паровой турбины нелегко, так как пар аккумулирует большое количества тепла и для его охлаждения нужно много времени.
Турбина после остановки может провисать, пока не остыла, поэтому требует проворачивания. Сама турбина дорогостоящее и сложное оборудование.
Даже парогазовый цикл предполагает повышение КПД всего на 6-8% и снижение капвложений на 25% по сравнению с паротурбинными установками (15. с.234).
В настоящее время, несмотря на высокий уровень техники, возможности повышения тепловой экономичности установок еще далеко не исчерпаны и особенно в таком цикле, как преобразование энергии в котлоагрегате, где происходит самый сложный теплообмен при получении электроэнергии. Каким образом упростить и сократить число ступеней преобразования энергии из теплоты.
При использовании тепловых ВЭР, как указывалось выше, конструкция ДпС намного упрощается.
Вот почему автор предлагает следующие способы использования двигателя Стирлинга.
Способ выработки механической (электрической) энергии на тепловых электростанциях (ТЭС), теплоэлектроцентралях (ТЭЦ), атомных станциях (АЭС), дизельных электростанциях (ДЭС), котельных, высокотемпературных теплотехнологических комплексах (доменная, мартеновская плавка, плавка цветных металлов, варка стекла, обжиг известняка и др.), на энергетических установках транспорта, установках для сжигания попутного нефтяного газа, бытовых отходов, при этом двигатель Стирлинга для своей работы использует или тепловые вторичные энергетические ресурсы, или тепло геотермальных источников, или солнечную энергию, или тепло пламени горящего топлива, при этом тепло подводится к нагревателю, цилиндрам с рабочим телом напрямую, с помощью отводов или от газохода, или от паропровода, или от водопровода, с помощью тепловых труб (ТТ), тепловых аккумуляторов (ТА), применяется витая форма трубок нагревателя, регенератора и холодильника двигателя Стирлинга, а холодильная машина используется для охлаждения двигателя Стирлинга сжиженным воздухом.
А на ТЭС, теплоэлектроцентралях ТЭЦ, атомных электростанциях (АЭС) и котельных используются агрегаты в составе: двигатель Стирлинга и генератор, которые для своей работы напрямую воспринимают тепло пламени горящего топлива из общей камеры сгорания.
На автомобильном, железнодорожном, авиационном, водном транспорте двигатель Стирлинга используется в качестве основного.
Учитывая все вышесказанное и все достоинства способа выработки электрической энергии, указанного в п.1, предлагается мощные и сверхмощные агрегаты ДпС - генератор (ДпС - Г) 1(см. чертеж) использовать, как основной на ТЭС, ТЭЦ, АЭС и котельных, вместо агрегата турбина - генератор (Т-Г), исключив цикл получения пара с температурой 550-600°С и давлением 24МПа для раскрутки турбины.
На чертеже указана энергетическая установка для выработки электроэнергии: 1 - агрегаты двигатель Стирлинга - генератор; 2 - камера сгорания; 3 - экономайзер; 4 - воздухоподогреватель.
Согласно новой технологии получения механической (электрической) энергии предлагается вместо котельной установки использовать прямоугольной формы общую камеру сгорания 2 (см. чертеж), по бокам которой устанавливаются агрегаты ДпС-Г, нагревателями внутрь камеры сгорания. Нагреватель или трубки нагревателя напрямую воспринимают инфракрасное и световое излучение раскаленных газов. Конструкция этих ДпС должна быть V-образной или барабанного типа с косой шайбой «двойного действия».
Отверстия в камере сгорания герметически закрываются (задвижками изнутри, привод снаружи) на время ремонта или осмотра ДпС-Г, которые устанавливаются на рельсах, по которым подкатываются к камере сгорания.
И здесь достоинством способа является многократный отбор теплоносителя по мере его остывания. Чтобы сохранить эффективность работы ДпС-Г по мере остывания теплоносителя, необходимо уменьшать температуру сжиженного воздуха для охлаждения его холодильника. Там, где температура теплоносителя значительно падает, устанавливаются агрегаты меньшей мощности для привода вспомогательных механизмов: дымососов, вентиляторов, насосов, компрессоров. И только низкопотенциальные тепловые ВЭР используются для нагрева с помощью экономайзера 3 (см. чертеж) и воздухоподогревателя 4 (см. чертеж) топлива, воздушной смеси для камеры сгорания и для нужд теплоснабжения. Но главное - это максимально использовать полученное от сжигания топлива тепло для выработки электрической энергии.
Но самой перспективной, прогрессивной и идеальной с точки зрения экологии обещает быть технология выработки электроэнергии с помощью агрегатов ДпС - Г и камеры сгорания, в которой пар образуется и перегревается путем прямого сжигания водорода в кислородной среде (11. с.7) или воздухе, обогащенном кислородом. Для такой камеры не нужна мощная дымовая труба. Ее не нужно очищать от продуктов сгорания.
Водородному топливу с его огромными запасами обещают большое будущее.
С новой малооперационной технологией выработки электроэнергии уйдет проблема заполнения «провала» нагрузки, в эти часы нагрузка сокращается: снижением давления рабочего тела в рабочих полостях двигателя, снижением температуры в камере сгорания, уменьшением теплообмена в холодильнике ДпС. По новой технологии исключается целый цикл - приготовления высокотемпературной паровой смеси для паровой турбины, что позволит экономить топливо, значительное количество технологического оборудования, водные ресурсы, значительно увеличить количество дешевой электроэнергии, поднять КПД станций, уменьшить их габариты, а котельные превратить в мини-ТЭЦ, где главным продуктом будет электроэнергия.
Новая технология выработки электроэнергии может служить даже аргументом в пользу альтернативы развития атомной энергетики в таких странах, как Иран и КНДР. Особенно выгодным представляется использование мощных и сверхмощных агрегатов ДпС-Г на АЭС, атомных ледоколах, так как отпадает надобность в парогенераторе, дэаэраторах, конденсаторе, влагоотделителе, турбозубчатом агрегате, насосах и трубопроводах (8. с.466).
Без теплообменника-парогенератора тепло из реактора подводится к нагревателю ДпС с помощью ТТ, наполненных жидким гелием, рабочим телом в цилиндрах ДпС является тоже газообразный гелий - чистый гелий является единственным рабочим телом, который проходя через активную зону атомного реактора не становится радиоактивным (6. с.33).
Гелий обладает большой теплоемкостью и лучшей теплопроводностью по сравнению с воздухом. При одинаковых давлениях и температурах плотность гелия примерно в 7 раз меньше плотности воздуха, поэтому можно увеличить скорость потока гелия в каналах теплообменников в 2-3 раза без существенного снижения давления. Увеличение коэффициента теплопередачи при использовании гелия вместо воздуха позволяет сократить габаритные размеры теплообменных аппаратов. Ведь сколько проблем возникает только из-за радиоактивной воды, в случае аварии на АЭС?
Сегодня, когда происходит старение теплоэнергетики, электроэнергетики, физический развал генераторов, выход из строя старых котлов, и стоит проблема о продлении ресурсов агрегатов, уже ни у кого не вызывает сомнений и напрашивается законный вопрос - чем завтра будем заменять отслужившее оборудование: согласно старой технологии, дорогой и малоэффективной или новой - энергосберегающей и конкурентно-способной? Мы - пока лидеры в плане колоссальной энергоемкости валового внутреннего продукта /ВВП/. Для достижения роста ВВП на 1% мы сжигаем в разы больше топлива, чем развитые страны мира. Даже при переводе станций с паросиловых установок на более прогрессивные парогазовые и приросте КПД=30% - инвестор не получает значительной отдачи на вложенный капитал. Что ты сжигаешь 1000 кубов, что 700, расходы на закупку газа падают несущественно, а сроки окупаемости 7-8 лет (19).
Если перейти на новую технологию выработки электроэнергии на ТЭС, ТЭЦ, АЭС, котельных с помощью агрегатов ДпС-Г, а также используя тепловые ВЭР, тепло геотермальных источников и солнечную энергию, можно уверенно увеличить выработку электроэнергии в два, а то и три раза, не увеличивая количество построенных электростанций.
Возможно такое энергосберегающее оборудование послужит материальной базой для созидательных идей международного сотрудничества, в противовес разрушающим. К этому подталкивает растущая напряженность мирового топливно-энергетического, материально-сырьевого и водного балансов.
Внешние характеристики двигателя внешнего сгорания Стирлинга (ДС) соответствуют внешним характеристикам современных двигателей внутреннего сгорания, ДС имеет благоприятное протекание характеристик крутящего момента, т.е. с уменьшением частоты вращения вала двигателя крутящий момент возрастает. В некоторых случаях приспособляемость ДС примерно на 50% выше, чем у карбюраторного (6. с.123).
Сегодня использованию ДС на транспорте мешает система охлаждения - невозможно подвести и отвести воду.
Использование на основном ДС вспомогательного ДС, работающего в режиме холодильной машины для охлаждения холодильника основного двигателя сжиженным воздухом с температурой до - (200°С), а также витых труб теплообменников позволит решить проблему охлаждения, а значит использование ДС на транспорте - воздух не обладает коррозионной активностью, не оставляет отложений на стенках сосудов, чем достигается высокая эффективность теплообменных аппаратов.
Приводом вспомогательного ДС может служить электродвигатель, основной ДС, другой вспомогательный ДС, использующий для своей работы тепловые ВЭР основного ДС. За счет тепловых ВЭР, если позволяет мощность основного ДС, может работать мощный ДпС, в качестве привода генератора, насоса, вентилятора, компрессора, а при наличии соединительной муфты - на гребной вал, на воздушный винт, на ходовое колесо, что позволит не только экономить топливо, но и увеличить дальность хода, полета, пробега и скорость.
Так как ДС внешнего сгорания легко запускается при любой температуре, выгодно будет их использовать на Севере, где в зимний период в дороге по зимникам водители вынуждены сутками не отключать двигатели, опасаясь, что утром они не запустятся.
Использование ДС в авиации позволит решить проблему бесшумного двигателя.
Источники информации
1. Наука и жизнь. №11. 1988. с.41.
2. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника. Справочник. М.: «Энергоатомиздат». 1983. С.21.
3. А.А.Калмаков, Ю.Я.Кувшинов, С.С.Романова, С.А.Щелкунов. Автоматика и автоматизация систем теплогазоснабжения и вентиляции. М.: «Стройиздат». 1980. с.5.
4. Изобретатель. Рационализатор. №11. 2005. с.10.
5. Энциклопедический словарь юного техника. М.: «Педагогика» 1980. с.93, 94.
6. Двигатели Стирлинга. «Машиностроение». М., 1977.
7. Анаэробные энергетические установки с двигателями Стирлинга. Русская цивилизация. WWW. Rus. Strana. Ru. (19.07.2006).
8. Теплотехника. М.: «Высшая школа». 1981. с.45.
9. Наука и жизнь. №6. 1984. с.31, 32.
10. Е.Ф.Бузников, К.Ф.Родатис, Э.Я.Берзиньш. Производственные и отопительные котельные. «Энергоатомиздат». М.: 1984. с.183.
11. Газотурбинные технологии. Сентябрь - октябрь. 1999. с.4, 45.
12. Юный техник. №7. 1976. с.27, 28.
13. Красная звезда. 02.2008. с.6-12.
14. Наука и жизнь. №3. 1984. с.83.
15. Д.П.Елизаров. Теплоэнергетические установки электростанций. «Энергиря». М., 1967. с.16.
16. За рубежом. №24. 1987. с.20.
17. Наука и жизнь. №7. 1988. с.81.
18. Юный техник. №5. 1966. с.18, 19. Советская Россия. 07.06.2007. с.18.