К сожалению, открытие не получило широкого применения. Вероятно потому, что изначально исследования проводились в авиационной отрасли и были направлены только на получение дополнительной реактивной тяги винтовых движителей. Это обстоятельство, наряду с закрытостью информации об экспериментальных исследованиях в авиационной отрасли, стало препятствием для его внедрения в других отраслях, где энергию воздушной массы, получаемую в результате управляемого преобразования энергии атмосферы, можно использовать не только для получения реактивной тяги, а более эффективно и в других вариантах преобразования энергии атмосферы. А последняя до сих пор не стала объектом тщательного научного исследования с целью разработки управляемого преобразования энергии атмосферы для её использования в энергетических системах.
В качестве научного исследования атмосферы на начальном этапе предлагается энергию окружающей среды использовать в эжекторно-паровой энергетической установке (ЭПЭУ) для получения тепла, электроэнергии и горячей воды из паровоздушной смеси с внедрением струйной технологии, в которой потенциальная энергия сжатого силой гравитации атмосферного воздуха является дополнительным источником энергии.
Предлагаемый вариант энергетической установки, работающей на паре, смешиваемым с воздухом с помощью струйного аппарата (эжектора), может быть использован для работы экономичного парового конвейерного двигателя.
В ЭПЭУ потенциальная энергия окружающей среды и тепловая энергия смеси пара с воздухом в результате смешения путём непосредственного контакта преобразуются в диффузоре эжектора в кинетическую энергию общего потока смеси, которая используется для работы конвейерного двигателя.
В итоге на получение общего потока рабочей паровоздушной смеси в ЭПЭУ с эжектором затрачивается меньше энергии, что ведёт к повышению общего КПД и уменьшению удельного расхода топлива в ЭПЭУ. В этом состоит основное отличие ЭПЭУ от других энергетических установок, позволяющее формировать рабочее тело для парового конвейерного двигателя путём перемешивания пара с воздухом и последующего повышения кинетической энергии этой смеси в диффузоре эжектора, чтобы направить её на лопатки конвейерного двигателя.
С целью научного обоснования разработки новой ЭПЭУ, как альтернативы авиационным вспомогательным силовым установкам (ВСУ), необходимо исследовать принципы работы существующих тепловых двигателей.
Для сгорания топлива в цилиндре двигателя внутреннего сгорания (ДВС), работающего по циклу Отто, предварительно с помощью карбюратора-эжектора смешивают топливо с воздухом в пропорции около 1:13, затем полученную топливовоздушную смесь (ТВС) сжимают до начала горения порциями при такте «сжатие», поочерёдно в каждом цилиндре. Когда поршень доходит до верхней мёртвой точки, ТВС с помощью искры поджигают, происходит быстрое сгорание смеси, расширение продуктов сгорания и получение механической работы на валу двигателя.
При работе ДВС расходуется около 70 % энергии от сгорания топлива при рабочем ходе на всасывание топлива и воздуха и сжатие ТВС. В газотурбинном двигателе продукты сгорания получаются непрерывно в процессе горения топливовоздушной смеси в камере сгорания, а на сжатие воздуха компрессором расходуется более 70 % энергии ГТД. В вышеуказанных двигателях (ДВС и ГТД) рабочим телом являются продукты сгорания ТВС, получаемые при определённом соотношении топлива и окислителя в соответствии с молекулярной теорией горения.
В современных автомобилях для улучшения процесса смесеобразования и повышения эффективности сгорания топлива в двигателях с искровым зажиганием и двигателях с воспламенением от сжатия карбюраторы и форсунки стали заменять инжекторами с электронным управлением.
При работе поршневой паровой машины (ППМ) затрачивается около 80 % энергии от сгорания топлива в топке парового котла на нагревание воды до 100 °C и на получение водяного пара, то есть на парообразование, а также расходуется вода при незамкнутом цикле.
Существуют турбины, в которых используется генераторные блоки, работающие по паровому циклу Ренкина, которые способны работать от различных источников тепла при замкнутом рабочем цикле, и требуется лишь внешнее нагревание рабочего тела. Согласно этому циклу простая горелка на газе или жидком топливе непрерывно нагревает низкокипящую органическую рабочую жидкость в парогенераторе, жидкость испаряется, и пар приводит во вращение турбину и соединённый с ней ротор генератора. Пар затем поступает в конденсатор, где он охлаждается и конденсируется, а полученная рабочая жидкость возвращается насосом в парогенератор.
Примером реализации такого пароконденсатного цикла работы является преобразователь энергии Ormat Technologies Inc. (США), известный также как «паротурбогенератор с замкнутым циклом». Одним из направлений деятельности компании являются автономные источники питания, но при очень низком КПД обеспечивающие питание катодной защиты газопроводов, систем телеметрии и т.п.
Сотни интегрированных энергосистем Ormat успешно работают в системе радиосвязи Байкало-Амурской железнодорожной магистрали (БАМ), на трубопроводах «Газпрома» и радиорелейных линиях компании «Югорскнефтегаз» в России.
Другим примером использования внешнего тепла для работы тепломеханического генератора механической энергии является двигатель Стирлинга, в котором подвод тепла к рабочему телу идёт через стенку, то есть неэффективно, а отвод тепла в окружающую среду идёт через ребра радиатора — также неэффективно. При работе двигателя Стирлинга почти вся энергия от сгорания топлива затрачивается на нагревание и расширение рабочего тела над поршнем и движение поршня при последующем естественном охлаждении рабочего тела под поршнем. Хотя двигатель Стирлинга появился раньше ДВС, но он так и не достиг того признания, какое имеют ДВС в настоящее время из-за более сложной конструкции и невысокой эффективности.
В динамическом преобразователе энергии пара конвейерного типа около 30 % энергии от сгорания топлива в парогенераторе затрачивается на всасывание воздуха в камеру смешения эжектора из атмосферы, смешивание пара и атмосферного воздуха для обеспечения работы конвейерного преобразователя от потока паровоздушной смеси (ПВС).
Преобразование тепловой энергии в механическую энергию является примером использования для этой цели паровоздушного эжектора как смесителя пара с воздухом для работы динамического преобразователя энергии пара конвейерного типа как силового агрегата, использующего в качестве рабочего тела смесь пара с воздухом.
В этом заключается новизна предлагаемой технологии, когда в силовой машине совершает работу смесь пара с воздухом, а не продукты сгорания топливно-воздушной смеси, как это происходит в ДВС, работающих по циклу Отто и Дизеля и газотурбинных двигателях, работающих по циклу Брайтона.
Новая технология получения механической энергии от сгораемого топлива имеет существенное отличие от получения механической энергии в ДВС и ГТД. Здесь горение топлива проходит за пределами силового агрегата, в топке парового котла при атмосферном давлении воздуха.
Цикл работы динамического преобразователя энергии пара является незамкнутым модифицированным термодинамическим паровым циклом Ренкина с непрерывным внешним подводом тепла к рабочему телу. Смешение пара с воздухом и получение горячей рабочей смеси происходит в паровоздушном эжекторе, после которого поток ПВС поступает на прямолинейные лопатки конвейерного преобразователя энергии потока (патент РФ №38850). То есть теперь появилась возможность использовать струйный аппарат для эффективного подвода энергии к силовому агрегату от внешнего источника тепла путём перемешивания пара с воздухом и использования ПВС в качестве рабочего тела в конвейерном преобразователе энергии.
Таким образом, в предлагаемой ЭПЭУ рабочая смесь для работы конвейерного преобразователя энергии потока образуется непрерывно в смесительной камере паровоздушного эжектора, в котором эжектирующим (рабочим) газом является пар от парогенератора, а эжектируемым газом является атмосферный воздух. А потенциальная энергия атмосферного воздуха от сил гравитации является дополнительным источником энергии для ЭПЭУ.
В этом состоит отличие эжекторно-паровой энергетической установки от других энергетических установок (ДВС, ГТД), в которых сгорание топлива производится в предварительно сжатом воздухе при переменном или постоянном давлении с целью подвода энергии к рабочему телу и получения полезной работы при расширении рабочего тела в цилиндре ДВС или на лопатках турбины.
Благодаря малому количеству в продуктах сгорания вредных веществ, предпочтение в исследовании отдано газовому топливу — магистральному или привозному сжиженному природному газу (СПГ). Хотя в качестве топлива в ЭПЭУ могут использоваться также: дизельное топливо, биотопливо, угольные или торфяные брикеты, дрова и пеллеты.
ЭПЭУ — это силовой агрегат с внешним сгоранием топлива и подводом энергии к рабочему телу в эжекторной камере смешения путём перемешивания пара с воздухом при разрежении (отрицательном давлении). ЭПЭУ можно считать пятым типом тепломеханического двигателя, использующего для работы внешнее сгорание разнообразного топлива.
Сегодня возможности повышения эффективности традиционных ГТД (со сгоранием топлива при постоянном давлении) практически исчерпаны, а ЭПЭУ с внешним сгоранием топлива могут быть экономичнее традиционных двигателей: бензиновых и дизельных ДВС, ГТД и двигателя Стирлинга (с соответствующим уменьшением выброса тепла в атмосферу). Чтобы не сожалеть о «невнедрении» технологии использования давления атмосферы в технических устройствах на основе открытия №314 советских учёных, которое является основой внедрения эжекционных процессов в энергетике, целесообразно изготовить действующую модель ЭПЭУ с использованием существующих составных элементов и разработать для неё паровоздушный эжектор.
Примером использования струйного аппарата служит серийный трансзвуковой струйный насос-подогреватель «Фисоник», в котором за счёт пара производится нагревание воды при смешивании пара с водой и нагнетание горячей воды в тепловую сеть. «Фисоник» — это теплообменник, в котором не создаётся механическая работа, а только давление воды, и рабочим телом служит водяной пар.
Аппарат «Фисоник» может служить одновременно не только в качестве нагревателя и нагнетателя горячей воды, но и как источник потенциальной энергии для получения механической работы в героторном гидравлическом двигателе для силовых механизмов с большим крутящим моментом на валу.
Иначе говоря, речь идёт об экономической целесообразности использования эжекторно-паровой энергетической установки для децентрализации части нынешних генерирующих мощностей, требующих обновления, путём создания экономичных модулей малых электростанций соответствующей суммарной мощности, работающих на СПГ и местном биотопливе в автономном режиме, располагая их непосредственно в местах потребления электрической энергии.
С учётом поручения Президента Российской Федерации В. В. Путина о перспективном направлении использования сжиженного природного газа в удалённых районах России для малой генерации электроэнергии применение автономных маломощных модулей электростанций для группового и индивидуального обслуживания потребителей должно в первую очередь вестись в местах, где уже наблюдается дефицит генерирующих мощностей или он в ближайшие годы возникнет. А тянуть туда дополнительные линии электропередачи от ближайших крупных источников энергии нецелесообразно либо невозможно. Такова особенность нашей станы с огромными пространствами и маленькой плотностью населения на Крайнем Севере, Дальнем Востоке и Восточной Сибири.
Восполнить отсутствие централизованного энергоснабжения, в том числе в отдалённых, труднодоступных, но экономически выгодных районах призваны автономные экономичные эжекторно-паровые энергетические установки малой мощности, работающие на местном биотопливе (рис. 1).
Получаемый в результате нагревания воды от сжигания топлива в парогенераторе пар подаётся под давлением в сопло струйного эжектора и создаёт согласно закону Бернулли разрежение в камере смешения. В паровом сопле происходит ускорение текущего под высоким давлением пара. Подвод эжектируемого газа (воздуха) осуществляется через соответствующее сопло благодаря перепаду давления между рабочим и эжектируемым газом. Следствием этого является интенсивный импульсный обмен и турбулентное смешение рабочего и эжектируемого газов в камере смешения. Масса паровоздушной смеси в эжекторе за счёт поступления атмосферного воздуха увеличивается, давление уменьшается, а скорость потока смеси на выходе из диффузора эжектора возрастает.
В эжекторе потенциальная и тепловая энергия атмосферного воздуха преобразуется в кинетическую энергию общего потока смеси.
Скоростной поток паровоздушной смеси после эжектора подаётся на лопатки преобразователя потока, в котором кинетическая энергия потока паровоздушной смеси преобразуется в механическое движение лопаток по конвейеру и вращение выходного вала преобразователя, соединённого с генератором и насосом. При небольшой затрате энергии на подачу воздуха для смешивания с паром можно получить повышенный коэффициент полезного действия преобразования энергии топлива. Регулирование мощности производится изменением подачи пара в сопло эжектора.
Отходящая от преобразователя паровоздушная смесь охлаждается в циклонном сепараторе, конденсируется с получением и накоплением воды в водосборнике для её повторного использования в парогенераторе и потребителями в количестве, превышающем массу пара, поступающего в сопло эжектора от парогенератора. В итоге происходит увеличение объёма воды в водосборнике за счёт добавления сконденсированного пара из атмосферного воздуха, участвовавшего в рабочем цикле ЭПЭУ.
С целью повышения эффективности преобразователя необходимо сохранять неизменным количество пара в цикле, а температуру конденсата поддерживать около 100 °C.
В конструкции типичного струйного насоса (эжектора, пример которого приведен на рис. 2) нет механического привода. За счёт этого он обладает хорошими производственными характеристиками. Простота схем включения струйных аппаратов в различные установки с исключительной простотой их конструкции, а также несложностью их изготовления уже обеспечили широкую область использования этих аппаратов в технике. Эжекторы в качестве струйных аппаратов с большим успехом используются во многих промышленных отраслях, таких как химическая, нефтегазовая, аэрокосмическая, а также в технологии электростанций (рис. 3).
Простая конструкция и высокая надёжность струйных эжекторов позволяет им соответствовать разнообразным требованиям. Стоимость их производства и приобретения весьма незначительна, малые размеры допускают их размещение в трубах в любом положении; не имея вращающихся деталей, они почти не подлежат износу. Эжекторы работают без утечек, помех, не нуждаются в техосмотре и обладают в связи с этим высокой производственной безопасностью.
При наличии необходимого давления рабочей среды стоимость эксплуатации практически равна нулю.
В ЭПЭУ в результате преобразования энергии низко потенциального источника создаются условия для повышения эффективности преобразования энергии высокопотенциального источника. При данном способе энергия получается за счёт теплоты продуктов сгорания топлива и одновременного преобразования потенциальной энергии пара и низкопотенциальной теплоты сжатого под действием гравитации атмосферного воздуха в кинетическую энергию общего потока смеси, создающего момент на силовом валу турбины.
