Энергетика и промышленность России - избранные материалы.
ВЫПУСК 148.

Бестопливный двигатель: автомобиль и самолет могут работать... на воздухе

В прошлом номере газеты мы опубликовали анонс статьи Б. М. Кондрашова (см. выпуск 145 настоящей рассылки), посвященной давно открытому, но так и не нашедшему применения способу получения энергии воздушной среды. В отличие от традиционных ветродвигателей, устройства, основанные на струйных энергетических технологиях, значительно экономичнее и проще. Некоторые из этих устройств можно применять не только для генерации энергии на электростанциях, но и в различных транспортных средствах. Анонс вызвал недоумение у некоторых читателей. Мы получили отклики с просьбой объяснить, на каких принципах основан предложенный автором способ получения энергии. Мы выполняем просьбу, заранее извиняясь за, может быть, слишком сложную подачу текста. Увы, специфика материала такова, что передать его более простыми словами не представляется возможным. И тем не менее мы уверены, что он будет крайне интересен не только энергетикам, но и специалистам других отраслей: область применения струйных энергетических технологий необычайно широка.

Неравномерный нагрев газов, сжатых под действием гравитации, вызывает изменения давления в атмосфере, что нарушает ее равновесное состояние. При восстановлении его потенциальная и тепловая энергия воздуха преобразуются в кинетическую энергию воздушных потоков, доступную для использования. На этом принципе основано действие ветродвигателей, которые выполняют механическую работу без потребления кислорода и выработки продуктов сгорания. Однако у таких двигателей есть недостатки - низкая плотность энергии на единицу рабочей площади и неуправляемость процесса.

Но нарушать равновесное состояние атмосферы для преобразования потенциальной энергии воздушных масс в кинетическую можно и за счет управляемых воздействий. Например - в эжекторных устройствах. При воздействии пульсирующей активной струей в эжекторном насадке периодически создается разрежение, при котором за счет неуравновешенной силы атмосферного давления вслед за каждым импульсом активной струи ускоряется воздух.

О. И. Кудриным, одним из авторов открытия «Явление аномально высокого прироста тяги в газовом эжекционном процессе с пульсирующей активной струей», зарегистрированного в 1951 г., проведены экспериментальные исследования, показавшие эффективность этого процесса. К сожалению, открытие не получило широкого применения. Вероятно, - потому, что изначально исследования были направлены на получение реактивной тяги (дополнительной к тяге винтовых движителей поршневых авиационных двигателей).

Следует отметить, что если процесс присоединения дополнительных масс применяется для увеличения тяги реактивного движителя, то большая часть дополнительно полученной энергии не может быть использована для выполнения полезной работы - она неизбежно рассеивается в атмосфере.

Это стало препятствием для его внедрения в других отраслях, где кинетическую энергию воздушной массы, получаемую в результате управляемого преобразования энергии атмосферы, можно использовать более эффективно.



Рассмотрим четыре основных способа преобразования низкопотенциальной энергии внешней среды с использованием процесса последовательного присоединения.

Первый способ. Низкопотенциальная энергия атмосферы преобразуется в струйном двигателе с эжекторным сопловым аппаратом и рабочим телом, получаемым при сгорании топлива в камере периодического сгорания. В данном случае процесс присоединения состоит из повторяющихся с заданной периодичностью двух последовательных термодинамических циклов. В каждом цикле имеется свой источник энергии и рабочее тело. В первом цикле (при сгорании топлива в постоянном объеме камеры) энергия продуктов сгорания, истекающих из реактивного сопла, преобразуется в кинетическую энергию первой части реактивной массы, которая движется в эжекторном насадке как газовый поршень и создает вслед за собой разрежение, а при истечении воздействует на лопатки турбины, создавая момент на валу.

За счет полученного в насадке разрежения источником энергии во втором цикле становится потенциальная и тепловая энергия сжатого силой гравитации атмосферного воздуха. Он под действием разности давлений втекает в насадок, расширяясь, охлаждаясь и ускоряясь как и в природном атмосферном процессе, но - в заданном направлении. При истечении из эжекторного насадка он образует вторую часть реактивной массы с расчетными термодинамическими параметрами, также воздействующую на лопатки.

В результате преобразования энергии низкопотенциального источника в предыдущем периоде создаются условия для повышения эффективности преобразования энергии высокопотенциального источника в следующем периоде.

Таким образом, периодическое нарушение равновесного состояния атмосферы в эжекторном насадке воздействием пульсирующей активной струи создает в нем с заданной частотой разность потенциалов давлений, обеспечивающую, при восстановлении равновесного состояния, ускорение присоединяемых воздушных масс и увеличение скорости активной струи. А в результате объединенная масса воздействует на лопатки турбины с возросшей (по сравнению с кинетической энергией активной струи) кинетической энергией, увеличивая момент на ее валу без дополнительных затрат топлива.

Эксперименты показали, что кинетическая энергия объединенной реактивной массы значительно больше, чем кинетическая энергия активной струи. При эжектировании атмосферного воздуха пульсирующей струей продуктов сгорания О. И. Кудриным был получен прирост реактивной силы до 140%, т.е. тяга увеличилась в 2,4 раза. Кинетическая энергия объединенной реактивной массы при этом может быть увеличена более чем в 10 раз по сравнению с кинетической энергией активной струи, так как в зависимости от параметров процесса присоединения может увеличиваться не только реактивная масса, но и ее скорость. Причем полученная кинетическая энергия не рассеивается в атмосфере, как при создании реактивной тяги движителя, а практически полностью используется для воздействия на лопатки турбины. Следовательно, большая часть мощности получается за счет преобразования потенциальной энергии и низкопотенциальной теплоты сжатых под действием гравитации газов в кинетическую энергию воздушной массы, создающей момент на силовом валу.

Сегодня возможности повышения эффективности традиционных ГТД (со сгоранием топлива при постоянном давлении) практически исчерпаны. А комбинированные двигатели могут быть на порядок экономичнее традиционных (с соответствующим уменьшением выброса в атмосферу продуктов сгорания).

Второй способ. Проведенные эксперименты показали, что оптимальное значение скорости активной струи продуктов сгорания, необходимое для увеличения кинетической энергии объединенной массы в процессе присоединения, находится в диапазоне скоростей, которые можно получать, не используя для сжатого рабочего тела дополнительный подогрев (сжигание топлива) перед его расширеним в реактивном сопле.

Следовательно, продукты сгорания можно заменить сжатым воздухом, а камеру сгорания -пневмоаккумулятором. Кинетическая энергия объединенной массы и в этом случае будет больше кинетической энергии активной струи не менее чем 2,4 раза и, - соответственно закону сохранения энергии, - больше потенциальной энергии, необходимой для получения рабочего тела - сжатого воздуха, образующего эту пульсирующую активную струю при расширении.

Совершенно очевидно, что такой баланс энергии позволяет сжимать атмосферный воздух в компрессоре за счет мощности, полученной в результате процессов преобразований энергии атмосферы в предыдущих периодах, т. е. использовать обратный цикл Карно (цикл воздушного теплового насоса - холодильной машины), осуществляя привод компрессора за счет преобразованной энергии атмосферы.

При этом суммарные технологичекие энергозатраты и потери при процессе преобразований в турбине и сжатия воздуха в компрессоре, а также прочие потери энергии не превышают 25% от получаемой кинетической энергии объединенной реактивной массы. В основном величина этих потерь зависит от КПД турбины и может составлять 15-20%, а удельный вес потерь в компрессоре незначителен.

Для компенсации технологических энергозатрат и потерь достаточно увеличить кинетическую энергию в результате процесса присоединения дополнительных масс на 44%. Т.е. для самоподдержания этого процесса кинетическая энергия объединенной массы должна быть больше кинетической энергии активной струи лишь в 1,44 раза. Полученная сверх этого энергия может быть использована внешними потребителями.

Согласно второму началу термодинамики, не вся энергия одного неисчерпаемого источника преобразуется в работу – часть превращается в теплоту. А при механическом сжатии рабочего тела - в высокопотенциальную теплоту, температуру которой можно регулировать в зависимости от степени сжатия и охлаждения рабочего тела перед расширением и использовать, например, в системах отопления. Температура высокопотенциального рабочего тела, а также низкопотенциального воздуха при расширении и выполнении работы понижается. Управляя количеством атмосферного и холодного отработавшего воздуха, возвращаемого в эжекторные насадки в качестве присоединяемых масс следующих периодов, можно получать отработавшую воздушную массу необходимой температуры - например, для использования в системах кондиционирования. Если отработавший в одном устройстве присоединения или эжекторном сопловом аппарате воздух направлять в качестве присоединяемых масс в другое устройство или следующий сопловой аппарат, то его можно охлаждать до сверхнизких температур, используемых в криогенной технике.

Данный бестопливный способ преобразования энергии атмосферы отличается от способа ее преобразования в традиционных ветродвигателях управляемостью процесса создания воздушной струи, воздействующей на лопасти (лопатки), и высокой плотностью энергии на единицу рабочей площади. Устройства для осуществления этого способа - атмосферные бестопливные струйные двигатели. Их эффективность по сравнению с известными ветровыми, солнечными и геотермальными преобразователями энергии не зависит от географических, временных и погодных условий, а удельная мощность значительно выше и сопоставима с удельной мощностью тепловых двигателей традиционных схем. Отсутствие жаростойких материалов и систем, связанных с использованием топлива, упрощает конструкцию и технологию производства, снижает себестоимость получения энергии.

Третий способ. Процесс последовательного присоединения можно использовать для получения мощности, высокопотенциальной теплоты и «холода» вне атмосферных условий, преобразуя низкопотенциальную тепловую энергию внешней среды в замкнутом термодинамическом цикле.

Представим, что атмосферный бестопливный струйный двигатель помещен в изолированный от внешней среды объем, заполненный газом - воздухом или гелием. При работе двигателя за счет охлаждения отработавшей массы в нем понизятся температура и давление. Параметры процесса присоединения изменятся настолько, что в какой-то момент кинетической энергии объединенной массы станет недостаточно для создания расчетной мощности компрессора, сжимающего рабочее тело для образования активной струи. В каждом цикле будет уменьшаться степень сжатия и, соответственно, скорость активной струи. Процесс присоединения постепенно «затухнет» и двигатель, «заморозившись», остановится.

Этого не произойдет, если изолированный объем используется в качестве низкотемпературного теплоприемника для истечения отработавшей газовой массы и соединен с теплообменным устройством, а выход этого устройства соединен с входами устройства присоединения и компрессора, образуя замкнутый контур. Под действием неуравновешенной силы давления газов, возникающей при создании разрежения за газовой массой импульсов активной струи, часть отработавшей газовой массы из этого объема направляется в теплообменное устройство. В нем, получая тепло и понижая температуру внешней среды, она нагревается до температуры, необходимой для выполнения функции присоединяемых масс следующих периодов. Другая часть газовой массы через теплообменное устройство (или минуя его) направляется в компрессор для сжатия и дальнейшего использования в качестве высокопотенциального рабочего тела.

В результате нагрева отработавшей газовой массы в теплообменном устройстве процесс последовательного присоединения в струйных двигателях с замкнутым циклом продолжается сколь угодно долго и независимо от давления внешней среды, которая при этом выполняет функции нагревателя - источника теплоты, преобразуемой в работу.

Отличие бестопливных двигателей с замкнутым от двигателей с разомкнутым циклом заключается в организации теплообмена с внешней средой и возможности варьировать давление и температуру в теплоприемнике. Причем эффективность этих двигателей в значительной степени зависит от разности температур между источником теплоты внешней среды и теплоприемником перед нагревом отработавшей газовой массы, используемой в следующих периодах. Варьируя параметры процесса присоединения, а также давление и температуру в теплоприемнике и перед повторным использованием отработавшей массы, можно управлять мощностью двигателя и расширять диапазон температуры используемых источников теплоты внешней среды до отрицательных температур.

На основе струйных двигателей с замкнутым циклом можно создавать воздухонезависимые бестопливные энергетические системы, способные работать за счет низкопотенциальной теплоты в различных экстремальных условиях.

Четвертый способ. В двух предыдущих бестопливных способах преобразования низкопотенциальной энергии внешней среды рабочее тело для получения активной струи сжимали в механическом компрессоре.

Рассмотрим варианты использования рабочего тела без механического сжатия - при его ускорении в результате нагрева за счет теплоты различных источников энергии. Например, низкопотенциальным теплом внешней среды в замкнутом объеме пневмоаккумулятора. В этом случае необходимое давление в пневмоаккумуляторе может быть получено за счет его заполнения отработавшей в предыдущих периодах низкотемпературной массой, а расчетная разность температур перед ее нагревом теплотой внешней среды достигается за счет многократного использования отработавшей массы в процессе присоединения (в двигателях с замкнутым циклом - без промежуточного подогрева в теплообменнике).

Нагревать отработавшую массу нужно по меньшей мере в двух пневмоаккумуляторах, которые должны поочередно соединяться со струйным устройством после нагрева и отсоединяться для удаления остатков нагретого рабочего тела очередного заполнения низкотемпературной отработавшей массой.

В двигателях с открытым циклом при расширении удаляемых остатков можно выполнять полезную работу.

Для данного варианта нагрева необходимы большой объем пневмоаккумуляторов и большая площадь рабочей поверхности теплообменного устройства. Поэтому он может применяться в энергетических установках, где объем и масса не играют существенной роли, и не может - в двигателях большинства транспортных средств.

В другом варианте - при использовании электрореактивного устройства для образования активной струи - низкотемпературную массу в пневмоаккумуляторе нужно нагревать лишь до минимального уровня давления или использовать иной способ, обеспечивающий поступление рабочего тела в это устройство с целью последующего ускорения за счет электроэнергии, генерируемой в предыдущих периодах. Для ускорения рабочего тела в импульсном электрореактивном устройстве можно применять различные методы (термоэлектрический, электромагнитный и т. д.). При использовании такого устройства в процессе последовательного присоединения увеличивается скорость активной струи и удельная мощность бестопливного бескомпрессорного струйного двигателя.

Если за счет мощности, полученной в результате преобразований низкопотенциальной энергии внешней среды, генерировать электроэнергию для ускорения активной струи и одновременно для внешнего использования, то получается универсальный источник электроэнергии с неограниченной сферой применения. Основное преимущество такого способа - простота конструкции, надежность и высокая удельная мощность двигателей для его реализации – качества, необходимые большинству двигателей транспортных средств, а особенно авиационным двигателям.



В заключение необходимо отметить, что не вся теплота внешних источников преобразуется в работу, часть ее (согласно второму началу термодинамики) в разной степени, но во всех перечисленных способах рассеивается во внешней среде при процессе преобразования энергии. Важно подчеркнуть: реактивная тяга и кинетическая энергия объединенной массы, получаемые в результате процесса последовательного присоединения, больше тяги и кинетической энергии активной струи. Это утверждение подтверждено и экспериментально, и методами численного моделирования. На нем основаны рассмотренные бестопливные способы преобразования низкопотенциальной энергии внешней среды. Принцип увеличения кинетической энергии одинаков во всех способах. Величина прироста кинетической энергии зависит от соотношений основных параметров процесса последовательного присоединения, а также соотношения конструктивных параметров и пропорций эжекторного устройства.

Таким образом, использование процесса последовательного присоединения дополнительных масс в энергетических системах позволяет без ущерба для экологии преобразовывать неисчерпаемую, даровую природную энергию в любом месте и независимо от условий внешней среды в необходимый вид энергии, доступный для потребления непосредственно в местах выработки.

Бестопливные струйные двигатели могут иметь широкий диапазон мощностей и сферы применения. В зависимости от используемых циклов и назначения они способны работать в любых условиях внешней среды: в атмосфере, космосе, под водой. Их производство проще аналогичных традиционных, кроме того, оно возможно на большинстве машиностроительных предприятий.

Б. М. КОНДРАШОВ

В 149 выпуске читайте: Как перейти к децентрализованному теплоснабжению?