Процесс присоединения дополнительных масс воздуха в рассмотренном бестопливном способе преобразования энергии атмосферы также состоит из повторяющейся с заданной периодичностью пары последовательно связанных термодинамических циклов со своими источниками энергии и рабочими телами: из обратного цикла Карно (цикла воздушного теплового насоса – холодильной машины) и цикла - охлаждения атмосферного воздуха при его расширении и ускорении. Часть мощности, полученной в результате преобразований энергии атмосферы в предыдущих периодах, используется для сжатия атмосферного воздуха в обратном цикле Карно. За счёт работы расширения сжатого воздуха (высокопотенциального рабочего тела) создаются условия для начала второго цикла с использованием энергии низкопотенциального рабочего тела (также как в процессе с продуктами сгорания).
Таким образом, за счёт энергии атмосферы осуществляется привод воздушного теплового насоса, в результате работы которого создаются условия для преобразования в эжекторном насадке низкопотенциальной энергии атмосферного воздуха, находящегося вне насадка в равновесном состоянии, в доступную для использования кинетическую энергию воздушной струи, высокопотенциальную теплоту и «холод» расчётной температуры. Данный бестопливный способ преобразования энергии атмосферы отличается от способа её преобразования в традиционных ветродвигателях управляемостью процесса создания воздушной струи в эжекторном насадке и высокой плотностью энергии на единицу рабочей площади. Устройства для осуществления этого способа - атмосферные бестопливные струйные двигатели. Если перед лопастями действующего ветродвигателя установить соответствующий его диаметру эжекторный насадок, а часть мощности использовать для сжатия рабочего тела, образующего газовую массу импульсов активной струи, создающей условия для ускорения воздушных масс в насадке перед воздействием на лопасти, то получим один из вариантов таких струйных двигателей.
Их эффективность, по сравнению с известными ветровыми, солнечными и геотермальными преобразователями даровой и экологически чистой энергии, не зависит от географических, временных и погодных условий, а удельная мощность значительно выше и сопоставима с удельной мощностью ГТД традиционных схем. Отсутствие жаростойких материалов и систем, связанных с использованием топлива, упрощает конструкцию, технологию, снижает себестоимость, повышает надёжность, пожаро- взрывобезопасность и, наряду с возможностью одновременной выработки трёх видов энергии, расширяет сферу применения бестопливных двигателей. Зависит эффективность, в основном, от значений m и wtm,технологических потерь, а также видов используемой потребителями энергии и сферы применения (в энергетических стационарных и мобильных системах, для привода различных устройств и типов движителей с одновременным получением высокопотенциальной теплоты и/или «холода»). Её можно оценивать величиной удельной мощности или отношением Eus / Etm, числитель которого увеличивается на величину тепла и/или «холода» - «потерь», которые полезно используются одновременно с получаемой мощностью.
Экономический эффект от применения этих двигателей в энергетике, наряду с отсутствием затрат на топливо, повышается за счёт доступности атмосферы - источника энергии, при котором не нужна концентрация мощностей, необходимая при использовании традиционных энергоносителей и, соответственно, не нужны протяжённые коммуникации, необходимые для передачи централизованно выработанной энергии потребителям. Применение атмосферных бестопливных струйных двигателей для привода различных движителей делает транспортные системы одновременно и мобильными универсальными автономными источниками энергии для внешнего потребления, а выполнение их основных функций - сколь угодно длительным «без дозаправки». Например, при их использовании в авиации время полёта летательного аппарата в атмосфере ограничивается только износостойкостью конструкции такого двигателя и самого аппарата.
Сфера применения бестопливных струйных технологий не ограничивается энергетикой и транспортом. Однако, самый необходимый и большой социально-экономический эффект может быть получен при замене традиционных способов преобразования энергии именно в этих отраслях, и позволит резко сократить их негативное влияние на окружающую среду и биосферу.
С учётом результатов научных и экспериментальных исследований процесса последовательного присоединения эксперимент по получению мощности на валу атмосферного бестопливного струйного двигателя с открытым термодинамическим циклом можно провести без затрат на дополнительные научные исследования, разработку и производство оригинальной конструкции. Для создания стендового образца такого двигателя можно использовать уже готовые устройства, например, в качестве силового элемента - турбинный модуль маломощного турбовального ГТД, а для сжатия воздуха, образования активной струи - компрессор любого типа, ресивер с пневмоклапаном и реактивным соплом. Соотношения геометрических параметров эжекторного устройства и необходимые параметры процесса присоединения для получения расчётного количества и скорости объединенной воздушной массы, воздействующей на лопатки турбины, известны, а конструкция эжекторного насадка – единственного элемента, который необходимо изготовить, - предельно проста. Кроме того, возможность изменения параметров модульной конструкции позволяет использовать её для оптимизации параметров процесса последовательного присоединении с воздушной активной струёй и при разработке необходимых (в зависимости от сферы применения) оригинальных конструкций бестопливных струйных ГТД.
Из приведенного выше описания бестопливного способа преобразования энергии и двигателей для его реализации видно, что, наряду с простотой конструкции, они достаточно эффективны, однако можно дополнительно повысить их эффективность и расширить сферы применения, незначительно усложнив конструкцию (см. рисунок).
Принципиальная схема возможных вариантов преобразования
низкопотенциальной энергии в бестопливных струйных двигателях
В рассматриваемых вариантах эжекторный сопловой аппарат может состоять из сужающегося реактивного сопла 1 (или струйного устройства любого другого принципа действия, обеспечивающего расчётные параметры импульсов активной струи) и эжекторного насадка - устройстваприсоединения 2. Для уменьшения продольных размеров струйного двигателя проточная часть устройства присоединения и турбин 3 и 4, закреплённых на концах силового вала 5, находится внутри этого полого вала, а снаружи вала расположены роторы компрессоров 6,7. Выход ступеней компрессора 30, не закреплённого на валу 5, связан через обратный клапан 20 с пневмоаккумулятором 18 рабочего тела. Сжатый воздух в него подаётся через клапаны 19 или 20. Клапан 21 обеспечивает расчетную периодичность и длительность истечения сжатого воздуха из реактивного сопла 1. Вслед за воздушной массой импульса в устройстве 2 образуется разрежение. Под действием атмосферного давления присоединяемый воздух через клапаны 26,27, лопатки 22 турбины 29, лопатки 23 турбины 3, направляющий аппарат 24 ускоряется вслед за воздушной массой импульса. От геометрических параметров сопла 1, устройства 2, их соотношения и термодинамических параметров реактивной массы импульсов зависит степень получаемого в устройстве 2 разрежения и период времени, в течение которого оно сохраняется. А от этого зависит количество присоединяемого воздуха, его скорость и суммарный напор, создающий момент на валу 5 за счёт воздействия втекающей воздушной массы на лопатки 23 турбины 3 и объединённой реактивной массы на лопатки 25 турбины 4, закреплённой на другом конце этого вала. Часть полученной суммарной мощности используется для привода компрессоров 6, 7, а часть внешними потребителями.
В одном из вариантов (А) отработавшая объединённая масса направляется в центробежный диффузор 8, в котором её оставшаяся кинетическая энергия преобразуется в потенциальную перед выбросом во внешнюю среду по каналу а через клапан 9 для повышения эффективности процесса присоединения, и/или повторного использования через канал в в качестве присоединяемых масс.
Сжимая отработавшую массу в компрессоре 7 за счёт части Eus, можно повысить эффективность процесса присоединения и стравливать её во внешнюю среду с повышенным давлением через клапан 9 и/или повторно использовать, подавая через клапан 10 по каналам в и с. При этом, за счёт разрежения, получаемого перед входом в компрессор 7,увеличивается разность потенциалов давлений при образовании импульсов, а в результате повышаются скорость активной струи и кинетическая энергия объединённой реактивной массы с понижением температуры и увеличением момента на валу 5.
Получать разрежение для увеличения разности потенциалов давлений можно без дополнительных затрат энергии. Для этого струи, истекающие из лопаток 25 турбины 4 после создания момента, через направляющий аппарат 11 закручиваются по спирали (Б). В вихревой камере 12, в которую происходит истечение, за счёт оставшейся кинетической энергии создается вихревой эффект, образующий в центральной части разрежение, увеличивающее разность потенциалов давлений при расширении рабочего тела. Одновременно в периферийной части созданного вихря повышается давление объединённой массы, которая через направляющий аппарат 13 воздействует на лопатки 14 турбины 4, а затем (сразу или после сжатия в компрессоре 6) через клапан 16 выбрасывается и/или через клапан 17 направляется для повторного использования. В этом случае можно дополнительно увеличивать разность потенциалов давлений за счёт использования части Eus, соединив вихревую камеру 12 через направляющий аппарат 15 со входом компрессора 6.
При сжатии низкотемпературной отработавшей массы уменьшаются затраты энергии на работу сжатия, по сравнению со сжатием воздуха с атмосферной температурой, поэтому двигатели с открытым циклом, наряду с получением мощности, можно использовать в качестве эффективных генераторов высокопотенциального рабочего тела для более мощных бестопливных систем, создания низкотемпературных реактивных струй (в соплах 28)и тяги. Эффективность сжатия можно повысить, используя биротативные компрессоры 7 и 30 с вращающимися в противоположные стороны рабочими колёсами без неподвижных направляющих аппаратов.
Третий способ. Процесс последовательного присоединения можно использовать для получения мощности, высокопотенциальной теплоты и «холода» также и вне атмосферных условий, преобразуя тепловую энергию внешней среды в замкнутом термодинамическом цикле [5].
Представим, что атмосферный бестопливный струйный двигатель помещён в изолированный от внешней среды объём, заполненный газом - воздухом или гелием. При работе двигателя, за счёт охлаждения отработавшей массы,в нём понизятся температура и давление. Параметры процесса присоединения изменятся настолько, что в какой-то момент Etm станет недостаточно для создания расчётной мощности компрессора, сжимающего рабочее тело для образования активной струи. В каждом цикле будет уменьшаться степень сжатия и Caj. Процесс присоединения постепенно «затухает» и двигатель, «заморозившись», остановится. Это не произойдёт, если изолированный объём используется в качестве низкотемпературного теплоприёмника для истечения отработавшей газовой массы и соединён с теплообменным устройством, а выход этого устройства соединён 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 объёма направляется в теплообменное устройство. В нём, получая тепло и понижая температуру внешней среды, масса 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 струйных двигателей с замкнутым от двигателей с разомкнутым циклом заключается в организации теплообмена с источником теплоты и возможности варьировать давление и температуру в теплоприёмнике. По способу подвода теплоты их можно сравнить с двигателями Стирлинга. При этом для эффективной работы двигателей Стирлинга необходим подвод извне только высокопотенциального тепла, а эффективность струйных двигателей зависит от разности температур между источником теплоты внешней среды и теплоприёмником перед нагревом отработавшей газовой массы, используемой в следующих периодах. Поэтому, варьируя параметры процесса присоединения, изменяющие давление и температуру в теплоприёмнике (за счёт частоты, длительности и скорости газовой массы импульсов активной струи, а также повторного использования отработавшей массы без промежуточного подогрева в теплообменном устройстве), можно как управлять мощностью двигателя, так и расширять диапазон температуры используемых источников теплоты внешней среды до отрицательных температур. Например, использовать (также, как и в двигателях с открытым циклом) в качестве внешнего источника энергии теплоту атмосферного низкотемпературного воздуха зимой или на высоте полёта самолётов с крейсерской скоростью. На основе струйных двигателей с замкнутым циклом можно создавать воздухонезависимые бестопливные энергетические системы (с более широкой сферой применения, чем у аналогичных атмосферных систем), способные работать за счёт низкопотенциальной теплоты в различных экстремальных условиях внешней среды, например под водой, одновременно используя её как источник тепла, преобразуемого в необходимый вид энергии, и/или в открытом космосе, преобразуя лучистую энергию солнца.
Четвёртый способ. В двух предыдущих бестопливных способах преобразования низкопотенциальной энергии внешней среды рабочее тело для образования активной струи сжимали в механическом компрессоре. Рассмотрим варианты его подготовки без предварительного механического сжатия – при ускорении в результате нагрева перед расширением за счёт теплоты различных источников энергии. Например, низкопотенциальным теплом внешней среды в пневмоаккумуляторе. Необходимое давление в замкнутом объёме может быть получено только при расчётной разности температур (перед нагревом) между источником теплоты и нагреваемым рабочим телом. При нагреве низкопотенциальным теплом такую разность можно получать, понижая температуру рабочего тела. Для этого пневмоаккумулятор перед нагревом нужно заполнять отработавшей в предыдущих периодах газовой массой, температура которой зависит от многократности её использования в процессе присоединения и может быть на сотни градусов ниже температуры внешнего источника теплоты. Нагревать низкотемпературную 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 (при снижении давления ниже расчётного уровня) и очередного заполнения отработавшей массой. Причём в двигателях с открытым циклом при расширении удаляемых остатков можно выполнять полезную работу, например, привод устройств, ускоряющих нагнетание низкотемпературной массы в другой пневмоаккумулятор, а в двигателях с замкнутым циклом – выполнять работу и использовать в следующих периодах процесса присоединения в качестве присоединяемых масс. Для данного варианта нагрева необходимы большой объём пневмоаккумуляторов, а также площадь их рабочей поверхности для теплообмена. Поэтому он может применяться в тех энергетических установках, в которых объём и масса не играют существенной роли, например, в мощных энергетических системах, и не может - в двигателях большинства транспортных средств.
Уменьшить массу бестопливных бескомпрессорных двигателей можно, используя электронагрев рабочего тела в пневмоаккумуляторе высокопотенциальной теплотой - без теплообменного устройства. Электроэнергия для нагрева генерируется за счёт части мощности, получаемой в предыдущих периодах. При этом сокращается время нагрева, масса и габариты электрогенератора меньше, конструкция проще и технологичней, по сравнению с компрессором, а его производство и эксплуатация менее затратны. Потери энергии при получении расчётного уровня давления меньше, чем при механическом сжатии рабочего тела. Такой вариант эффективнее варианта нагрева за счёт низкопотенциальной теплоты и позволяет получить удельную мощность большую, чем при механическом сжатии газов.
В 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, для последующего ускорения за счёт электроэнергии, генерируемой в предыдущих периодах. Для ускорения рабочего тела в импульсном электрореактивном устройстве можно применять различные методы (термоэлектрический, электромагнитный и т. д.). При его использовании в процессе последовательного присоединения увеличивается скорость активной струи, повышается коэффициент m и удельная мощность бестопливного струйного двигателя.
Если за счёт 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. Электрореактивному устройству для образования активной струи в процессе последовательного присоединения необходима лишь одна часть электроэнергии, генерируемой за счёт мощности, полученной в предыдущих периодах этого процесса, а оставшуюся – большую часть можно использовать не только для внешнего потребления в различных целях, но и для дальнейших её преобразований в бестопливных струйных двигателях, обеспечивающих дополнительные свойства, качественные характеристики и сферы их применения. Например, можно использовать в электрореактивном движителе для создания реактивной тяги, в т. ч. с гиперзвуковой скоростью истечения реактивной массы. Если организовать импульсное истечение из электрореактивного движителя, то в атмосфере её можно использовать в эжекторном устройстве этого движителя в качестве активной струи, увеличивая тягу без увеличения массы генератора и т. д. Основное преимущество двигателей, реализующих этот способ, – простота конструкции, надёжность и высокая удельная мощность – качества, необходимые двигателям большинства транспортных средств. Однако, наряду с отсутствием массы топлива и топливных систем (как и во всех типах бестопливных струйных двигателей), эти качества дополнительно увеличивают полезную грузоподъёмность, что делает бестопливные электрореактивные струйные двигатели особенно эффективными в авиации и системах вывода космических аппаратов на орбиту.
В заключение, необходимо отметить, что не вся теплота внешних источников преобразуется в работу, часть её (согласно второму началу термодинамики) в разной степени, но во всех способах рассеивается во внешней среде в процессах преобразования энергии. Кроме того, важно ещё раз подчеркнуть - реактивная тяга и кинетическая энергия объединённой массы, получаемые в результате процесса последовательного присоединения, могут быть значительно больше тяги и кинетической энергии активной струи. Такие результаты были получены экспериментально и подтверждены современными методами численного моделирования. Рассмотренные управляемые и бестопливные способы преобразования низкопотенциальной энергии внешней среды отличаются лишь организацией теплообмена с этой средой, различными вариантами подготовки рабочего тела для образования активной струи и её ускорения, а также сферами применения. Они принципиально отличны от традиционных способов, но для их реализации не требуются какие-либо новые, ранее не освоенные производственные технологии. Принцип увеличения кинетической энергии одинаков во всех способах: прирост происходит при восстановлении газовыми массами низкопотенциального рабочего тела равновесного состояния, нарушаемого газовой массой импульсов активной струи в эжекторном насадке. 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. Используя в качестве источника тепловой энергии воду, лёд, атмосферу, можно изменять их термодинамические параметры и управлять агрегатным состоянием, а при масштабном применении струйных бестопливных технологий - влиять на климатические условия и не допустить глобального потепления климата.
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, эффективнее аналогичных традиционных и возможно на большинстве машиностроительных предприятий.
Б. М. Кондрашов
Литература: