Теплофизик, наш научный консультант. Кандидат физико-математичекских наук, доцент кафедры теплофизики Сибирского Федерального Университета
Разработка технологий и устройств преобразования тепловой энергии

Первая разработка компании EHFEngine (назовем ее «принцип фрагментации») заключается в организации работы преобразующего энергию устройства в режиме длинных циклов, в каждом из которых определенная операция проводится над сравнительно большой порцией рабочего вещества. Данный подход в корне отличается от традиционного принципа организации рабочего процесса, в котором состояние преобразующего устройства стационарно (при том, что состояние рабочего вещества непрерывно меняется). Так, в паросиловом цикле вещество проходит различные фазы процесса – испарение вещества, расширение, конденсация и повышение давления, но разные порции вещества проходят эти фазы одновременно. За счет этого параметры рабочего процесса – например, температура и давление испарения, температура и давление конденсации – остаются неизменными в времени. Частным следствием этого является то, что в состав установки должен входить насос для повышения давления вещества после его конденсации, что создает существенные трудности в реализации паросилового цикла на установках небольшого масштаба, с использованием органических рабочих веществ.

Переход к оперированию порциями рабочего вещества позволяет избавиться от жидкостного насоса в преобразующем устройстве. При нагреве порции рабочего вещества в замкнутом объеме рост температуры обязательно сопровождается ростом давления. Если в замкнутом объеме часть рабочего вещества находится в паровом состоянии, то в процессе нагрева в каждый момент времени давление будет равно давлению насыщенных паров при текущем значении температуры. Таким образом, возникает возможность повышения давления рабочего вещества исключительно за счет подвода тепла. Техническая реализация этого принципа предложена в патенте [?].

Вторая разработка компании EHFEngine (назовем ее «принцип изотермы») – метод обеспечения интенсивного теплообмена рабочего вещества со стенками расширительного устройства в ходе процесса расширения. Расширение рабочего вещества – именно тот процесс, в котором производится механическая работа (далее преобразуемая в электроэнергию). Расширение сопровождается падением давления и, с определенной точки зрения, все остальные процессы рабочего цикла устройства, преобразующего энергию, имеют своей целью восстановить то состояние, которое рабочее вещество имело до расширения. В паросиловом цикле расширение идет без подвода тепла и сопровождается падением температуры. При этом теплообмен со стенками и другими элементами расширительного устройства является вредным фактором. При ином построении рабочего цикла теплообмен в процессе расширения может, наоборот, стать полезным. Более того, при достаточной интенсивности теплообмена процесс расширения будет происходить при температуре, близкой к постоянной. При правильной организации рабочего процесса это может позволить достичь более высоких значений КПД преобразования, чем в паросиловом цикле. В двигателе Стирлинга обеспечение постоянства температуры газа в ходе его расширения и сжатия позволит повысить КПД до величин, близких к КПД цикла Карно. Для наглядности укажем, что для достижения КПД цикла Карно 40% достаточно нагревать рабочий газ до 230 °С, тогда как в паросиловом цикле для этого необходима температура выше 550 °С.

Интересной возможностью, которую дает реализация теплообмена рабочего вещества со стенками расширительного устройства, является организация открытого цикла на атмосферном воздухе. Один из возможных вариантов – четырехтактный цикл, состоящий из следующих процессов: заполнение цилиндра воздухом, его сжатие, расширение и выпуск в атмосферу. Теплообмен между воздухом и стенками цилиндра и поршня приводит к тому, что на этапе расширения температура воздуха в среднем выше, чем на этапе сжатия, и, следовательно, работа, производимая воздухом при расширении больше, чем работа, затрачиваемая на его сжатие. Тепло при этом должно подводиться от внешнего источника к стенкам цилиндра, а остаточное тепло, которое по Второму закону термодинамики должно отводиться от преобразующего устройства, само уходит вместе с выпускаемым воздухом. Таким образом, снимается необходимость в устройстве для охлаждения рабочего вещества, появляется возможность создать достаточно компактный преобразователь тепла как для целей автономного энергоснабжения, так и для утилизации сбросного тепла алюминиевого производства.

Методы преобразования тепловой энергии в механическую и электрическую энергию – одна из ключевых групп технологий человеческой цивилизации. Решение острейшей проблемы современности – доведения качества жизни населения Земли до приемлемого уровня, требует привлечения всех возможных источников возобновляемой энергии. Среди перспективных источников, широкое освоение которых является делом ближайшего будущего, можно выделить источники следующие:

- биотопливо;
- тепло солнечного излучения;
- геотермальное тепло;
- сбросное тепло предприятий.

При всем многообразии источников тепловой энергии, используемые на практике методы преобразования тепловой энергии в механическую и электрическую крайне немногочисленны. Оставим за рамками обсуждения способы, использующие внутреннее сгорание топлива, которые требуют специально изготавливаемого, дорогостоящего горючего и должны применяться только на транспорте или для решения экстренных задач энергоснабжения. Ситуация, когда энергоснабжение стационарного потребителя обеспечивается на постоянной основе дизель-генераторами, ненормальна. Универсальными методами преобразования тепловой энергии являются те, в которых получение тепловой энергии и ее преобразование производятся в двух различных совместно функционирующих модулях. Среди таких методов на практике используется всего два: паросиловые установки и двигатели Стирлинга.

Паросиловые установки – наиболее распространенный тип устройства, преобразующего тепло в механическую энергию. Устройства этого типа используются на тепловых электростанциях (ТЭЦ, ГРЭС), на атомных и геотермальных электростанциях, на солнечных электростанциях, использующих принцип концентрации солнечного излучения и преобразования его в тепло. Подавляющая доля энергии производится паросиловыми установками, работающими на водяном паре. Встречаются также установки, работающие на парах органических веществ (фреонов или углеводородов). Их область применения – автономное энергоснабжение при небольшой потребности в мощности (100 кВт и ниже), преобразование низкотемпературного тепла (50-150°С).

Опыт использования паросилового цикла говорит о том, что этот метод преобразования тепловой энергии очень эффективен в «большой» энергетике, где ему практически нет альтернативы, однако достаточно неудобен в установках малой и средней мощности (100 кВт и ниже). Одна из существенных проблем – каким образом повышать давление рабочего вещества перед его подачей в испаритель. Для этих целей требуется насос, способный работать с органическими жидкостями, создающий большой перепад давления (порядка 10 атмосфер), но с низким расходом жидкости, при этом потребляющий сравнительно мало энергии. Выбор таких устройств весьма ограничен, их цена (в отношении к мощности установки) достаточно велика, в отличие от водяных питательных насосов крупных паросиловых установок.

Двигатели Стирлинга – сравнительно небольшие по габаритам и мощности (20-50 кВт) устройства, которые позволяют с высокой эффективностью преобразовывать тепло высокотемпературных источников (300°С и выше). Привлекательной стороной двигателя Стирлинга является длительный срок службы, надежность, простота использования. По сути, двигатель Стирлинга является своего рода "черным ящиком", к которому подводится высокотемпературное тепло и отводится работа и низкотемпературное тепло. Часто встречающееся утверждение, что двигатель Стирлинга отличается от других методов преобразования энергии более высоким КПД, справедливым. Двигатель Стирлинга действительно превосходит по КПД большинство двигателей внутреннего сгорания, но его логично сопоставлять не с ними, а с другими устройствами преобразования тепла, подводимого извне. В сопоставлении же с паросиловым циклом двигатель Стирлинга проигрывает в КПД при идентичном значении максимальной температуры рабочего вещества. И все же утверждение о высокой эффективности двигателя Стирлинга не совсем лишено основания. Дело в том, что двигатель Стирлинга потенциально способен реализовать цикл, достаточно близкий к одному из вариантов обобщенного цикла Карно, обладающего максимально возможным КПД. Для этого требуется, чтобы газ в процессе расширения имел температуру, максимально близкую к температуре источника тепла, а в процессе сжатия – максимально близкую к температуре окружающей среды. Предполагается, что это может быть достигнуто за счет интенсивного теплообмена со стенками горячего цилиндра, в котором происходит расширение и холодного, в котором происходит сжатие. В действительности требование сохранения температуры газа во время сжатия и расширения вступает в противоречие с требованием производить эти процессы достаточно быстро, чтобы получить приемлемые значения мощности двигателя. Поэтому реальный цикл двигателя Стирлинга в варианте серийно выпускаемой модели достаточно далек от идеализированного варианта, являющегося приближением к циклу Карно.

Двигатели Стирлинга являются весьма высокотехнологичными в производстве и дорогими. Распространение получили, главным образом, устройства в виде связки из двигателя Стирлинга и параболического концентратора солнечного излучения, создающего в своем фокусе температуру на тепловоспринимающей поверхности до 1000°С. Тенденции последних лет таковы, что такие установки проигрывают в конкурентной борьбе различным вариантам преобразователей солнечного тепла, основанным на паросиловом цикле. В то же время существует значительный технологический задел по двигателям Стирлинга, и, если будут найдены новые подходы к существенному улучшению характеристик двигателя (такие, как использование регенеративного теплообменника, предложенное в 1930-х годах), эти устройства могут снова стать конкурентоспособными в широкой области приложения.

Из сказанного следует, что в настоящее время очень востребованы новые методы и устройства преобразования тепловой энергии, а также варианты усовершенствования существующих, традиционных методов. Особое внимание следует обратить на обеспечение потребностей населенных пунктов и предприятий, расположенных на удалении от магистральных сетей и нуждающихся в небольших автономных источниках с электрической мощностью от 1–100 кВт, тепловой – от нескольких кВт до 1 МВт: малых городов, поселков, предприятий сельского хозяйства, лесной промышленности и т.д. Как правило, они располагают первичным источником энергии в форме биотоплива (отходы сельскохозяйственного и деревообрабатывающего производства, торф), геотермального тепла. В условиях России потребность в автономном источнике электроэнергии сочетается с потребностью в тепловой энергии, причем отношение требуемых тепловой и электрической мощностей обычно находится в диапазоне 10:1 – 20:1. Таким образом, актуальной является задача разработки энергоустановок, достаточно дешевых и способных преобразовывать в электроэнергию 5-10% исходного тепла, отдавая остальное в систему отопления.

Малоосвоенным ресурсом является сбросное тепло предприятий. Как правило, тепло, выделяющееся в различных технологических процессах, сбрасывается через систему оборотного водоснабжения. Температура оборотной воды достаточно низка (30–40°С и ниже), что не позволяет использовать это тепло для выработки электроэнергии. Однако, встречаются и другие ситуации, в частности, в производстве алюминия, где тепло от электролизеров и систем газоудаления может отводиться при температуре выше 100 °С (теоретически, до 800-900 °С). Существующие методы непригодны для преобразования тепла, выделяемого при электролизе алюминия, по ряду причин, в частности, из-за необходимости размещения преобразующих устройств в ближайшей окрестности охлаждаемого объекта, невозможности использования воды (и, по-видимому, любых иных жидких теплоносителей), габаритных ограничений. Для решения этой задачи необходимы принципиально новые подходы. При этом ее успешное решение может дать существенный источник энергии. Так, преобразование в электроэнергию всего 10% тепла, выделяемого Красноярским алюминиевым заводом, даст 750 млн. квт-ч в год, чего достаточно для электроснабжения половины жилого фонда Красноярска.

Предпосылками для включения компании в деятельность по разработке новых методов и устройств преобразования тепла являются две ключевых идеи, выдвинутых и запатентованных ее сотрудниками, в перспективе способных лечь в основание технологического прорыва в этой области. Обсудим эти идеи, примеры их применения и полезный эффект.

Рассмотрим некоторые варианты устройств преобразования тепла, использующие принципы фрагментации и изотермы совместно или порознь.

1. Устройство преобразования включающее отдельные камеры для нагрева порций рабочего вещества и поршневой расширитель с подводом тепла к расширяемому рабочему веществу. После прохождения поршневого расширителя, в процессе которого производится работа, вещество в парообразном состоянии сохраняет высокую температуру; охлаждение вещества до точки конденсации производится за счет его теплообмена с нагреваемыми порциями вещества в камерах. Приведем пример характеристик рабочего процесса установки:

Как уже отмечалось, в маломасштабной паросиловой установке существенную сложность представляет техническая реализация повышения давления рабочего вещества перед подачей в испаритель. В рассматриваемом устройстве повышение давления происходит совместно с нагревом порций вещества в камерах.

Устройства данного типа пригодны для высокоэффективного преобразования тепла высокотемпературных источников. Их потенциальными преимуществами перед паросиловыми установками являются отсутствие дорогостоящих комплектующих (все узлы могут быть изготовлены на стандартном оборудовании), более высокий КПД.

2. Устройство, отличающееся от рассмотренного выше тем, что тепло к преобразователю не подводится, после преобразователя вещество конденсируется без предварительного охлаждения, а нагрев порций вещества в камерах осуществляется от внешнего источника тепла. Приведем пример характеристик рабочего процесса установки:

Устройства данного типа оптимальны для преобразования тепла сравнительно низкотемпературных источников (в частности, геотермального тепла) и обладают теми же преимуществами перед паросиловыми установками, что и устройства по п. 1.

3. Устройство на основе одного или нескольких цилиндров и системы подвода тепла к ним, которое осуществляет четырехтактный цикл, состоящий из следующих процессов: заполнение цилиндра атмосферным воздухом, его сжатие, расширение и выпуск в атмосферу, причем все процессы сопровождаются интенсивным теплообменом воздуха со стенками цилиндров. В настоящее время рассмотрен один из вариантов внутренней геометрии внутрицилиндрового пространства, для которого определены следующие характеристики рабочего процесса

Устройства данного типа оптимальны для преобразования тепла в тех условиях, когда организация отвода тепла от преобразующего устройства затруднена. Их потенциальными преимуществами является: простота конструкции, которая в общих чертах напоминает конструкцию двигателей внутреннего сгорания за вычетом систем топливоподачи, охлаждения и зажигания, с добавлением системы подвода тепла к стенкам цилиндров, отсутствие необходимости отвода тепла.

<<<на главную страницу

Made on
Tilda