Аммиачно паровой двигатель

[Касим]

В аммиачно паровом двигателе рабочим телом является аммиачный пар. Удельная теплота парообразования указанного рабочего тела в 539 раз меньше, чем у воды. Поэтому упрощается процесс утилизации тепла отработанного пара. А КПД аммиачно парового двигателя на 24 % выше, чем у традиционной паровой машины.

Аммиачно паровой процесс хорошо освоен в промышленности. Уже более 80 лет работают холодильники на аммиачных парах (бытовые холодильники выпускаются с 1928 г, именно этого типа, как наиболее простые). Но, как известно, в холодильниках процесс идет без преобразования тепловой энергии в механическую. В аммиачно паровом двигателе использован процесс, основанный на особенностях сжатия и расширения парообразного аммиака.

Аммиачно паровой двигатель имеет малый удельный вес, вместе с парообразователем не более 1,2 кг/л.с., т.е. такой же, как и у карбюраторных автомобильных моторов.

Удельный расход топлива у аммиачно парового двигателя ниже, чем у дизельного мотора и составляет всего 1,6 кг/л.с.

Аммиачно паровой двигатель может использоваться для транспортных средств, а так же как стационарный для привода электрогенераторов различной мощности.

«Снова пар?» — статью под таким названием «ТМ» опубликовала почти 30 лет назад. И вот, оказывается, тема эта не только не устарела, но даже приобрела еще большую актуальность.
— Как же, помню блистательную статью Германа Смирнова, — оживился мой собеседник. — Она и послужила затравкой, вызвавшей кристаллизацию собственной идеи...
И далее в разговоре с Юрием Васильевичем Макаровым, ныне кандидатом технических наук, старшим научным сотрудником МАИ и изобретателем с многолетним стажем, прояснилась вот какая история.
Почему, по вашему, паромобили, столь успешно конкурировавшие на заре века с электромобилями и автомобилями, бившие мировые рекорды скорости, затем были вынуждены сойди с арены? Правильно, они потребляли в 2-3 раза больше топлива, чем машины с двигателями внутреннего сгорания. Потому, кстати, и на железной дороге на смену паровозам пришли тепловозы и электровозы.
Эта известная со школьных лет истина ничуть не обескуражила изобретателя, решившего использовать паровую машину в... авиации! «Не забывайте, — напоминает Макаров, — самолет Можайского был оснащен именно ею.

Рис, 1. Аммиачно-паровой двигатель. Цифрами обозначены: 1 — корпус паро-генератора(нагревателя); 2 — насыщенный раствор аммиака; 3 — теплоизоляция парогенератора; 4 — тепловой экран; 5 — воздушный промежуток; 6 — зеркальный экран; 7 — термоизоляция; 8 — горелка; 9 — змеевик; 10 — входной патрубок; 11 -~ тракт воздухозаборника; 12 — воздухозаборник; 13 — лопасти вентилятора; 14 — радиатор; 15 — патрубок вентилятора; 16 — выхлопная труба; 17 — прямой канал выхлопной трубы; 18 — изогнутое колено выхлопной трубы; 19 — трубопровод перегретого аммиака; 20 — блок цилиндров; 21 — корпус двигателя; 22 — золотник; 23 — ось пропеллера; 24 — пропеллер;25 — выходной аммиакопровод; 26 — расширитель; 27 — корпус расширителя и абсорбера; 28 — термоизоляция; 29 — абсорбер; 30 — разделительная стенка между расширителем и абсорбером; 31 — патрубки расширителя; 32 — грубо -провод, подающий аммиачный раствор в радиатор; 33 — трубопровод; 34 — насосы; 35 — помпа подачи топлива; 36— шкив вентилятора; 37 — заслонка. 38,39 — тяги заслонки; 40 — двигатель управления заслонкой; 41 — электродвигатель помпы; 42 — электрогенератор; 43,44 — датчики системы регулирования; 45 — свеча зажигания; 46 -аккумулятор; 47 — клапан, через который добавляют аммиак в случае егс аварийной утечки; 48 — топливный бак.

 

[Касим]

И сказав первое слово в авиации, паровая машина еще не сказала последнего».
Такой ход мысли, согласитесь, граничит если нес абсурдом, то, по крайней мере, с парадоксом. Впрочем, Макаров все разъяснил достаточно логично.Не удивительно, что бывший мор ской офицер Можайский ислользова в своей конструкции паровую машину -других в то время, по существу, еще и было. И тот факт, что она дольше всег продержалась на флоте, вполне закс номерен. Ведь наилучшим образо) она проявляет свои достоинства пр повышении выходной мощности, а судоходстве нередко требуются мош ности в десятки, а то и сотни тысяч лс шадиных сил и киловатт. По той ж причине весьма неплохо чувствуют се бя паровые турбины и на тепловы электростанциях, на АЭС... Кроме то го, такая силовая установка «всеядна> может использовать практически лю бое топливо — от дров до термо яда.А ее тяговые характеристики во обще уникальны. На паромобилях, примеру, не было коробки передач -такого «обкорнания» не выдержит т один двигатель внутреннего сгорания а паровому все нипочем...
Конечно, сказанное вовсе не значт что претензий ни к судовым, ни к ста ционарным паровым установкам ни ' кого нет. Их еще предостаточно. И одн; из основных — значительное количе ство тепла по-прежнему «вылетает I трубу».
Повысить КПД можно двумя путями Во-первых, все больше увеличива5 температуру и давление пара, прибе гают к разного рода утилизаторам тепла. Но тут, похоже, уже подошли к технологическому пределу: применение закритического давления пара (240 — 250 атм.) с температурами свыше 500°С требует, помимо прочего, использования специальных сталей и сплавов, включая титановые. Что заметно удорожает саму установку. Оттого-то в последние десятилетия делается заметный акцент на второй путь — замену воды в паровых котлах на более подходящие жидкости.
А список их, таких жидкостей, достаточно обширен. Здесь и этиловый эфир, и хлороформ, и сернистый углерод, и аммиак... Иногда используют даже низкотемпературные расплавы на основе лития.
Макаров остановил свой выбор на аммиаке. «У него есть одна интересная особенность, — пояснил изобретатель. — Он легко растворяется в воде — о нашатырном спирте, видимо, все знают». И набросал график, из которого следовало, что, скажем, при нуле градусов в одном объеме воды растворяется аж 1176 объемов аммиака. С ростом температуры, правда, такая способность падает. Но это, как вы вскоре убедитесь, даже к лучшему.
Итак, каким же образом работает аммиачно-паровой двигатель? Взгляните на рис. 1. С помощью свечи зажигания воспламеняется горелка, топливо в которую поступает из бака. Причем, если используется жидкое горючее, скажем, мазут, его предварительно подкачивают ручным насосом (на схеме не показан). При использовании же сжижженного или сжатого природного газа, такая подкачка не требуется — он будет подаваться из бака избыточным давлением. Ну а в принципе

нагреватель(парогенератор) может работать на любом топливе (угле, торфе, дровах или ядерном горючем) — для этого потребуется лишь соответствующая его доработка.
Перед запуском двигателя специальной заслонкой перекрывается прямой канал выхлопной трубы: горячие газы от горелки идут по колену трубопровода, который погружен в насыщенный водный раствор аммиака; он с помощью насоса подается из абсорбера в корпус парогенератора. Температура жидкости, понятное дело, начинает повышаться.При этом аммиак, содержащийся в ней, выделяется и через трубку заборника поступает в змеевик нагревателя, обогреваемый той же горелкой. Если в растворе, при подогреве его, аммиак имел температуру 45 — 50° С, то в змеевике — 650° С.
Этот перегретый пар устремляется через золотник в цилиндры, и двигатель начинает работать на холостых оборотах, приводя в действие вентилятор, который нагнетает воздух в нагреватель.
Температура воды в парогенераторе постепенно повышается до 90 — 95°С, что обеспечивает давление паров аммиака порядка 40 атм. Двигатель выходит на рабочий режим и далее автоматически поддерживает его. Этому в немалой степени способствует тепловой экран сферической формы и дополнительный зеркальный экран, отставленный от него на некоторый воздушный промежуток. Кроме того, установленные датчики температуры воды и пара выдают периодические сигналы в систему автоматического управления, регулирующую тепловой режим. При перегреве сокращается подача топлива в горелку и приоткрывается створка прямого канала выхлопной трубы, сбрасывающей излишек тепла в атмосферу; при недостатке же тепла, наоборот, увеличивается подача топлива, а заслонка закрывается.
В общем, согласно расчетам Макарова, уже через 1,5 — 3 мин двигатель должен быть готов к работе при максимальной нагрузке.
Прошедший через его цилиндры пар, совершив полезную работу, охлаждается до 20 — 30° С и давление его снижается до 5 атм. Затем он попадает в расширитель, где давление его уменьшается до 1,8 атм., а температура, согласно законам физики, соответственно падает до -18° С.
Переохлажденный аммиак отбирает тепло у стенок расширителя и накапливается в абсорбере. Происходит типичный процесс, как, скажем, у абсорбционного холодильника типа «Север-6», «Иней», «Морозко» и т.д. И в абсорбере устанавливается порядка -6° С.
Естественно, при понижении температуры растворимость аммиака в воде резко возрастает. Поэтому поступающий из двигателя газ тут же поглощается жидкостью. По мере того, как беднеет аммиаком смесь в парогенераторе, часть его откачивается насосом из абсорбера в парогенератор. Цикл таким образом замыкается.
Проведенные Ю.В.Макаровым расчеты показывают, что такой двигатель обладает рядом преимуществ, по сравнению и с традиционной паровой машиной, и с двигателем внутреннего сгорания. При той же мощности, он компактнее на 40 — 60%, имеет более высокий КПД ( порядка 43,5% экономический и около 85% механический), расходует меньше соляра, чем, скажем, дизель... Даже на моторном масле, которого новый двигатель требует значительно меньше обычного, можно получить многомиллионную экономию. И это в ценах еще 1978 г., когда Макаров «пробивал» свое изобретение. Ныне же, наверное, надо говорить о триллионах рублей, расходуемых понапрасну.
Итак, получено авторское свидетельство № 1455114. Ну а что было дальше? Тут наша история приобретает настолько тривиальный характер, что даже рассказывать не хочется — тома переписки со всевозможными государственными, полугосударственными и частными оранизациями, фондами, институтами и предприятиями, в попытках если уж не внедрить, то хотя бы довести изобретение до испытаний. Но воз, как говорится, и ныне там...
В общем, ситуация вполне типичная для нашей страны. И о том, возможно, не стоило бы писать отдельно, если бы не один нюанс, зависящий, как говорится, от человеческого фактора. Вот типичный пример. Как донесли зарубежные средства массовой информации, в мире бизнеса недавно произошел из ряда вон выходящий случай. Всемогущая Сепега! Е1ест.пс — фирма, организованная 105 лет назад самим Эдисоном и с той поры считавшая, что нигде нет ничего такого, чего не могли бы изобрести ее сотрудники, — сделала первое исключение из собственных правил. Она купила лицензию на чужое изобретение, отвалив за нее... 250 млн долларов!
Новоявленного мультимиллионера зовут Александр Калина, он бывший наш соотечественник, выпускник Института холодильной промышленности в Одессе. А предложенный им «цикл Калины» позволяет сразу на 25% повысить КПД любой тепловой электростанции. Причем это изобретение было сделано давно, еще в СССР, где, кроме того, он получил около 90 авторских свидетельств.
Для реализации одного из его изобретений — капсульного трубопровода — инстанции решили создать даже целый НИИ. Подыскали помещение, назначили директора, заместителей и т.п., а про самого автора как-то «забыли», И вспомнили лишь тогда, когда он заскандалил, обнаружив, что в ходе переписки с патентным ведомством количество соавторов изобретения, неожиданно для него, пополнилось пятью фамилиями.Разумеется, руководителей того самого НИИ.
Изобретатель обиделся и эмигрировал. А институт пришлось вскоре прикрыть, ввиду полной бесполезности его сотрудников.
За границей Калина начал все сначала. Там, впрочем, ему было отнюдь не легче, чем тут. Но у него уже был опыт. И за 15 лет, объездив полмира, он все-таки сумел найти людей, поверивших в перспективность его давнишней идеи, одолживших деньги на ее реализацию. В декабре 1992 г. Калина закончил неподалеку от Лос-Анджелеса строительство опытной станции. По проводам от нее пошло самое дешевое в мире электричество, а изобретатель, как уже говорилось, стал богачом.Убытки же России составили при этом сотни миллиардов. И не рублей, а долларов...
Не произойдет ли нечто подобное и с «циклом Макарова»? И пока такого не случилось, быть может, стоит повторить опыт Калины на отечественной почве? Создать акционерное общество, дать изобретателю возможность доказать перспективность его разработки на практике, а потом торговать лицензиями по всему миру, не особенно стесняясь в цене.
Рис. 2. Газотурбинный двигатель с аммиачно-паровым циклом. Цифрами обозначены: 1 — парогенератор; 2 — насыщенный раствор аммиака; 3 — корпус парогенератора; 4 — газовая камера турбины; 5 — форсунка; 6 — воздухозаборник; 7 — сопло; 8 — змеевик; 9 — свеча зажигания; 10 — аккумулятор; 11— заборный патрубок; 12 — ам-миакопровод; 13 — радиатор; 14 — ось пропеллера; 15 — пропеллер; 16 — золотник; 17 — трубопровод; 18 — расширитель;19 — корпус расширителя и абсорбера; 20 — термоизоляция; 21 — абсорбер; 22 — перегородка между расширителем и абсорбером; 23 — патрубки расширителя; 24,25 — трубопроводы; 26 — радиатор; 27 — насосы; 28 —помпа;29 — топливный бак; 30 — топливопровод; 31 — система автоматического регулирования; 32,33 — датчики системы автоматического регулирования; 34 — клапан для восполнения аммиака при аварийной утечке.

 

[В.Л.446]

А почему фреон для этой цели не годится, уж больно страшен крепкий аммиак.

 

[kvadratov]

Всё  это  очень  прикольно.  Однако  от  идеи  соседства  с  высокотоксичными  реагентами  на  борту  самолёта  -  мне  както  скверно  делается  в  животе....  Вы  никогда  не  присутствовали  при  разливе  заметных  количеств  аммиака ?  Ну  хотябы  -  пару  литров  -  по  полу  разлить  не  пробовали  ?  Тогда  Вам  повезло.  Это  конечно  не  фосген....  Но  на  самолёте  -  деваться  от  аммиака  -  особо  некуда  будет. А  он  воняет -  мама  не  горюй.... Сдаётся  мне  -  что  если  тепловые  двигатели  на  низкокипящих  жидкостях  и  перспективны  -  но  тогда  нужно  всётаки  решать  -  какое  безопасное  вещество  использовать.

 

[Orca]

Аммиак действительно хрошо растворим в воде , а у человека есть места на теле которые всегда влажные (слизиста глаз , носоглотка , гениталии ) и если человек находится в облаке паров аммиак он начинает чувствовать нестерпимое жжение во всех этих местах и ему уже непозавидуешь . Пишу это как разработчик оборудования для химических заводов (пороха , вв, минудобрения) сам нераз оказывался внутри различных газовых выбросов .

 

[georgka]

Все в технике развивается ... кругами с претензиями на спираль. Есть хорошая объемная книга 1939 года издания по этой тематике: П. Дузь "Паровой двигатель в авиации". С ней явно был знаком А. Люлька, который и начинал с паровых...
Конечно, выбор водно-аммиачного раствора в качестве рабочего тела несколько экзотичен, но осуществим. Правда малейшие аварии самолетов с такой установкой превратятся в катастрофы по своим последствиям для человеческих жизней.