На главную страницу Rambler's Top100

О журнале

Архив

Разделы

Полезные ссылки

Rambler's Top100

Yandex.CN Сделано для России , тематический каталог отборных русских сайтов.

 

Потапов Ю.С.

доктор технических наук,
профессор 61 НИИ МО РФ

 

Калачев И.Г.

инженер 61 НИИ МО РФ
  • Энергобезопасность в документах и фактах №1, 2006

    Мини-теплоэлектростанции


    1. Экологически чистые энергоресурсы

    Почти половина человечества использует дрова для обогрева и приготовления пищи до настоящего времени. С точки зрения экологии, использование дров наносит окружающей среде значительный ущерб. Выгодно одно: дрова являются возобновляемым источником тепловой энергии. Хотя для выращивания древесины необходимо длительное время, но ее запасы всегда превышали сжигаемый объем дров. Сейчас, к сожалению, процесс уничтожения лесов идет намного быстрее, чем их рост.

    Несколько позже человек научился использовать в качестве энергетического источника течение воды в реках, солнце и ветер. Они тоже оказались возобновляемыми мощными источниками энергии.

    Однако развитие гидравлических установок привело человечество к созданию гигантских плотин с мощными турбинами и электрогенераторами. Накопление воды в больших объемах стало влиять на окружающую среду и создавать постоянную опасность для населения, живущего в близи плотин. Вместе с этим, эффективность работы гидравлических электростанций не очень высокая. К тому же они строятся на большом удалении от тех районов, где потребляется электрическая энергия, что требует строительства линий электропередач. Линии ведут к потерям электрической энергии в большом количестве.

    Несмотря на это, человечество стало понимать, что вода самой природой наделена мощной возобновляемой энергией, получение которой новыми способами не влияет на окружающую среду. Запасы воды на Земле довольно значительны и постоянно пополняются, в том числе и из космоса.

    Некоторые ученые считают, что жизнь на Земле зародилась также в воде при ее вращении. В тридцатые годы многие ученые проводили изучение зарождения жизни при вращении воды и были поражены тем, что вращающаяся вода выделяла огромное количество энергии. Объяснить эти процессы выделения энергии в то время не смогли. Постепенно об этом забыли, а с появлением атомной бомбы, атомных подводных лодок и атомных электростанций забыли совсем. Но вода использовалась в атомных реакторах, а лодки плавали в воде, и ее продолжали изучать. Чем больше ее изучали, тем больше выявлялось загадочных явлений, происходивших в воде или связанных с водой. Нам будут интересны результаты исследований поведения воды при тепловых процессах, так как по нашей программе на первом этапе необходимо было создать такой источник тепловой энергии, который выделял бы ее больше, чем потреблял электрической энергии. Шел 1987 год. Работы по программе нового энергообеспечения только начинались. Появилась идея использовать вихревые процессы. Но не было теоретических обоснований. К тому же использование вихревых трубок Ранке-Хильше при работе на чистой воде не давало нужного эффекта. Лишь в конце 1987 года у нас были созданы первые установки, которые показали удовлетворительные результаты и имели коэффициент преобразования электрической энергии в тепловую не ниже, чем у электрического тэна (0,95–0,98). Учитывая, что после прохождения воды через теплогенератор у нее еще оставалась энергия движения, появилась первая надежда на переход рубежа эффективности в 100%. Что и подтвердилось в 1988 году.

    В США мистером Григгсом параллельно создается гидросонная помпа, которая в 1994 году показывает эффективность преобразования электрической энергии в тепловую, достигающую 117%. Если же учитывать все теплопотери, то ее КПД достигает 168%. Какие-либо химические, ядерные или фазовые преобразования в воде при этих испытаниях не зафиксированы. Все участники испытаний признают, что это какая-то загадка для человечества. Но оказалось, что никакой загадки нет. В установке Григгса вращается с большой скоростью диск с отверстиями, через который проходит поток воды. В соответствии с теорией движения любое приводимое во вращение тело выделяет энергию. Что и происходит в этой установке. Энергия вращения диска и внутренняя энергия воды, высвобождаемая при вращении и кавитации, суммируются. Это наблюдателю не видно, ибо приборы показывают только результатирующую тепловую энергию. Надо отметить, что гидросонная помпа и теплогенератор "ЮСМАР" показали не самый лучший результат (168%). Теория движения показывает, что в таких установках коэффициент преобразования электрической энергии в тепловую мог бы достигать 300%. Но если использовать специальные жидкости, то можно, разогнав установку, выключить электродвигатель, и она будет выделять тепловую энергию уже без потребления электрической. Таким образом, наши расчеты могут показать эффективность, близкую к бесконечности, или, как говорят ученые, можно получать даровую энергию. Остановимся на описании конструкции такой квантовой теплоэлектростанции, которая в качестве топлива использует воду и энергию вращения.

    Быстрое развитие новой техники и технологий позволяет использовать выгоды, которые дают двойные технологии в области энергетики. Появляются новые теплоэлектростанции, работающие сразу на двух видах топлива, например мазуте и природном газе. Съём вырабатываемого тепла и электрической энергии происходит одновременно в нескольких блоках, что существенно повышает КПД таких станций и снижает общий расход топлива.

    Создаются теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), которые вырабатывают не только электроэнергию, но и горячую воду для теплоснабжения городов.

    Появились принципиальные возможности утилизации тепла двигателя внутреннего сгорания. В Германии идет серийное производство дизельных теплоэлектростанций, в которых КПД повышается за счет тепла, вырабатываемого двигателем и электрогенератором. В таких станциях производится до 35% электрической энергии плюс 55% тепловой энергии. Съем тепла происходит от нагретых выхлопных газов, нагретого масла, охлаждающей жидкости и от всех нагретых металлических деталей и поверхностей. Конструкция дизельной теплоэлектростанции потребовала большого количества дорогостоящих теплообменников, а также размещения двигателя и электрогенератора в специальном изолированном контейнере. Только в этом случае удалось повысить общий КПД дизельной теплоэлектростанции. Естественно, что до потребителей доходит несколько меньше энергии из-за ее потерь при транспортировке. Потребители получают примерно 87% энергии от таких теплоэлектростанций.

    Если сравнить дизельную электростанцию нового типа с традиционной теплоэлектростанцией, то у нее эффективность будет выше на 8-12%. По мнению изготовителей дизельных теплоэлектростанций, каждые 10% повышения их эффективности дают до 30% экономии топлива. Естественно, что такая экономия сжигаемого топлива положительно влияет на уменьшение количества вредных выхлопных газов, а следовательно, улучшает экологическую обстановку в районе, где работают теплоэлектростанции нового типа.

    Стали более совершенными и более эффективными парогазовые турбины. Их коэффициент полезного действия поднялся до 58% за счет многократного съема тепла. Все эти достижения в области энергетики требуют огромных затрат и дорогостоящих материалов. Можно сказать, что классические методы повышения КПД уже не дают его резкого прироста. Очевидно, мы подошли к пределу возможности тепловых машин по КПД, которое не может быть более 100%.

    В то же время новые, нетрадиционные способы производства тепловой и электрической энергии ещё не вышли на энергетический рынок в массовом количестве. Но они уже заявили о себе как высокоэффективные, эффективность их использования может быть значительно выше 100%.

    С появлением высокоэффективного вихревого теплогенератора "ЮСМАР" процесс получения с его помощью тепловой и электрической энергии существенно упрощается.

    2. Устройство квантовой теплоэлектростанции

    Процессы превращения внутренней энергии вещества (или его массы) в энергию излучений при ускорении вращения тел, а затем в электроэнергию, носят исключительно квантовый характер. Энергия новых связей, возникающих в веществе при его вращении, выделяется порциями - квантами. Величина этих квантов минимальна (<1 эВ) при возникновении водородных связей и максимальна (до десятков МэВ) при связывании отдельных нуклонов в ядра атомов. Но во всех случаях это квантовые процессы. Поэтому мы и назвали энергетические установки, использующие такие процессы, квантовыми.

    В вихревом теплогенераторе вода, приводимая во вращение, имеет большую кинетическую энергию, которая ещё возрастает на выходе из вихревой трубы в результате теплового расширения воды при ее нагреве. Утилизовать эту кинетическую энергию лишь путем торможения потока и получения тепла за счет трения при торможении нам представлялось не очень целесообразным. Было решено направить поток в турбину и с ее помощью приводить во вращение электрогенератор, который будет вырабатывать дополнительную электроэнергию. Так родилась идея новой квантовой теплоэлектростанции.

    По схеме квантовой теплоэлектростанции, работающей на воде в роли топлива, мы видим четырнадцать процессов (рис. 1). Процесс сжатия необходим для увеличения скорости движения воды, подающейся на реактивную турбину. Вращение реактивной турбины передается электрогенератору, который вырабатывает электрическую энергию. Затем, в верхней емкости, аккумулируется вода, которая через сопло ускоряется и попадает на лопатки следующей турбины. Вращаясь, турбина приводит в действие второй электрогенератор, который дополнительно вырабатывает электрическую энергию. После этого вода накапливается в нижнем баке, где опять происходит ее аккумулирование. Затем электронасос подает воду в теплогенератор "ЮСМАР", и цикл повторяется по замкнутому энергетическому кольцу.

    Эффективность квантовых теплоэлектрических станций такого типа может достигать значительных величин. При этом производится до 30% дополнительной электрической энергии без сжигания традиционного топлива. Дополнительная электрическая энергия может быть использована как по прямому назначению потребителями, так и для дополнительного нагрева воды (жидкости), используемой для отопления и горячего водоснабжения с помощью теплогенераторов "ЮСМАР".

    Установка, содержащая теплогенератор с корпусом, ускорителем движения жидкости в виде циклона, тормозным устройством, донной частью с выходным отверстием, сообщающимся с выходным патрубком, а также электронасосом, оснащена двумя закрытыми емкостями, разнесенными по высоте. В каждой емкости установлена гидротурбина. В верхнюю емкость введен выходной патрубок теплогенератора так, что его сопло расположено по касательной к окружности турбины. В нижней емкости гидротурбина смонтирована на выходе патрубка, соединяющего обе емкости. Выходное отверстие соединительного патрубка имеет площадь поперечного сечения, по крайней мере, в два раза меньшую, чем площадь поперечного сечения самого патрубка. Каждая из гидротурбин кинематически связана с электрическим генератором, закрепленным на наружной стенке каждой емкости. Обе емкости дополнительно соединены дренажным трубопроводом, внутренний диаметр которого больше или равен внутреннему диаметру корпуса теплогенератора.

    На рис. 2 показана принципиальная схема такой установки КТЭС в двух проекциях, на рис. 3 – схема одноступенчатой КТЭС.

    Установка, изображенная на рис. 3, содержит вихревой теплогенератор 1, включающий в себя корпус 2, ускоритель движения жидкости – циклон 3, соединенный посредством инжекционного патрубка 4, трубопровода, с насосом 6, приводимым в действие электромотором 7. В верхней части теплогенератора установлено тормозное устройство 8 и дно с выходным отверстием (на чертеже не приведены), соединенное с выходным патрубком – сопло 9. Выходной патрубок теплогенератора 1, установлен в емкости, 10, так, что его конец – сопло 9 направлено по касательной к гидротурбине 11. Гидротурбина 11 кинематически соединена с генератором тока 12, закрепленным на наружной стенке емкости 10. Насос 6 и электромотор 7 установлены в другой емкости 13. Емкости 10 и 13, должны быть разнесены по высоте. В нижней емкости 13 установлена вторая гидротурбина 14, связанная с электрогенератором 15, а также насос 6, электромотор 7. Верхняя и нижняя емкость связаны между собой соединительным патрубком 16 и дренажным трубопроводом 17. Площадь выходного отверстия соединительного патрубка, по крайней мере, в 2 раза меньше площади поперечного сечения самого патрубка. В емкости 13 смонтирована перегородка, 18, теплообменник для горячей воды 19 и подающая и обратная тепломагистрали 20. Установка может работать в автоматическом режиме, для чего оснащается датчиком температуры с блоком обратной связи, управляющими работой электрогенераторов и насоса, а также пультом управления.

    3. Работа квантовой теплоэлектростанции

    Электростанция работает следующим образом. При включении электромотора 7 насосом 6 рабочая жидкость подается через трубопровод в инжекционный патрубок, 4, затем циклон 3 и в корпус теплогенератора 2, где расположено в верхней части тормозное устройство 8. При изменении физических параметров среды в корпусе теплогенератора возрастает давление и температура, и под давлением из сопла жидкость направляется на лопатки верхней гидротурбины 11, которая начинает вращать генератор 12, вырабатывающий электроэнергию. Горячая жидкость накапливается в верхней емкости 10 до определенного уровня, который поддерживается дренажным трубопроводом 17. Одновременно жидкость через соединительный патрубок 16 поступает из верхней емкости 10 под напором и со скоростью свободного падения на лопатки нижней гидротурбины 14, которая, в свою очередь, начинает вращать генератор тока 15. В это время через пульт управления 21 к нагрузке подключены оба электрогенератора 12 и 15. Горячая вода через подающую и обратную тепломагистрали 20 поступает в радиаторы отопления, а холодная вода поступает в теплообменник 19, находящийся за перегородкой 18, нагревается и передается потребителям для бытовых нужд. Для эффективной работы установки соединительный патрубок 16 должен иметь выходное отверстие с площадью в 2–3раза меньшей, чем площадь сечения самого трубопровода, а диаметр дренажного трубопровода должен быть больше или равен диаметру корпуса теплогенератора.

    На выходе из сопла вихревого теплогенератора температура рабочей среды составляет порядка 70–100 °С и давление 8–10 атм. Благодаря воздействию выходящего из теплогенератора потока воды приводится в действие гидротурбина в верхней емкости. Гидротурбина в нижней емкости приводится в действие жидкостью, перемещающейся под действием собственного веса из верхней емкости. Таким образом, одновременно с производством тепловой энергии, получение которой обеспечивает теплогенератор, в установке вырабатывается электрическая энергия. Получение этой электроэнергии не требует никаких затрат топлива, ее производство является экологически чистым, и она может быть использована для снижения потребления электроэнергии приводного электронасоса или в других целях, в частности:

    - для дополнительного нагрева жидкости;

    - для электроснабжения в бытовых целях;

    - для обеспечения электроприводов различного оборудования трехфазным или постоянным током.

    В соответствии с описанной конструкцией КТЭС был изготовлен опытный образец (см. рис. 2) установки с теплогенератором, корпус которого имел диаметр 57 мм, и электронасосом мощностью 2,8 кВт. В установке находилось 100 литров воды. Мощность верхнего генератора составила 1 кВт, нижнего - 0,7 кВт. Начальная температура жидкости порядка 15 °С, а рабочая температура в установке поддерживается около 80-90 °С. Расход электрической энергии составил 3 кВт/ч, для привода насоса, а ее возврат в сеть составил 1,7 кВт/ч. Таким образом, на нагрев 100 л воды до 90 °С из сети было использовано 1,3 кВт/ч. КПД > 100%.

    Основным преимуществом установки является снижение расхода традиционных видов топлива, уменьшение транспортных расходов на доставку топлива потребителям и улучшение экологической обстановки в жилых районах. Особенно ценным представляется использование установки, позволяющей создать автономную систему обеспечения горячей водой, отоплением и электроэнергией отдельно стоящих цехов, коттеджей, фермерских хозяйств, где нет возможности проложить газопровод или теплоцентраль.

    Еще одним преимуществом квантовых теплоэлектростанций оказалась их компактность по сравнению с традиционными ТЭЦ, вырабатывающими такое же количество тепла для обогрева помещений. Оказалось, что с повышением мощности квантовой теплоэлектростанции ее габариты растут лишь, как корень кубический от мощности.

    Приложение 1. Рис. 1. Схема действия квантовой теплоэлектростанции, работающей на воде в роли топлива (Патент Республики Молдовы № 649)

    Приложение 2. Рис. 2 Схема двухступенчатой квантовой теплоэлектростанции (КТЭС)

    Приложение 3. Рис. 3. Схема одноступенчатой квантовой теплоэлектростанции.

  • © «Московский институт энергобезопасности и энергосбережения»
    Полное или частичное использование материалов возможно только с разрешения редакции.
    Политика в отношении персональных данных
    Зарегистрирован в Федеральной службе по надзору в сфере массовых коммуникаций, связи и охраны культурного наследия. Свидетельство ПИ № ФС77-28742

    webmaster: webmaster@endf.ru