Циклогидродвигатель внешнего сгорания — альтернатива...?

kroolov

Новичок на форуме
Откуда
тверь
При масовой выработки электроэнергии затраты на собственно топливо в ее себестоимости составляют около 30%. Остальное —это амортизация оборудования и кап. строений, затраты на ремонт, обслуживание и т. д.
Как получить одновременно и электроэнергию и тепло для обогрева, не используя паровую турбину —этот  продукт высочайшей технологии и изощренного ума? Не попытаться ли использовать гораздо более простые устройства, возможно, имеющие более низкий тепловой КПД, но зато более компактные и надежные и неизмеримо менее затратные во всем остальном? Тогда в целом себестоимость электрической и тепловой энергии окажется намного ниже, особенно, если их использовать локально для электроснабжения и отопления многоквартирных домов, не питая их от подземных тепловых и электрических сетей, что также повысит жизнеспособность городской инфраструктуры в целом.
На рисунках 1 и 2 показаны возможные схемы альтернативных теплоэнергетических установок. Это замкнутые циклические (колебательные) системы.
На рис. 1 https://yadi.sk/i/btTgGxvowdwoHA изображена предельно простая система, где на одном валу находятся два соединенных гидроканалом гидравлических колеса 1 в корпусе 2, по периферии которого, закрытого кожухом 3, размещены испарительные элементы 6 (в простейшем случае и в них нет необходимости, достаточно иметь развитую поверхность для обеспечения теплового потока к поверхности жидкости). Теплоноситель подается попеременно на каждое из гидроколес от переключателя 4 (или непосредственно к испарительным элементам), а отвод тепла осуществляется постоянно в теплообменнике 5, включенным между гидроколесами (он может быть вынесен отдельно). В другом очевидном варианте теплоноситель и охладитель могут подаваться на гидроколеса попеременно или комбинированно. Работа системы очевидна. При подаче тепла жидкое рабочее тело, заполняющее испарительные элементы объемом W, испаряется, и пар вытесняет основной объем жидкости из заполненного ею свободного пространства колеса в незаполненное колесо, где жидкость отбрасывается к периферии, а пар от предыдущего цикла конденсируется.
То есть фактически имеется обратимая гидромашина, где гидравлические колеса  попеременно выполняют функции радиально-осевой турбины и центробежного насоса. Если колеса имеют радиальные плоские лопатки, то действует только сила Кориолиса, суммарно не дающая полезного крутящего момента; тогда полезную работу можно получить за счет разности этих сил, устроив сужение в гидроканале. В этом случае разность давлений сжатого пара и центробежных сил в колесе-турбине в итоге трансформируется в повышение полного давления на входе в колесо, играющее роль центробежного насоса. 
Понятно, что в данном устройстве должны выполняться некоторые условия, а именно: степень расширения пара ограничена (иначе объем колеса окажется непомерно большим); температура конденсации в конце цикла достаточно высока для обеспечения необходимой разности температур между паром и хладагентом и интенсивной конденсации; в силу инерционности процессов период колебаний этого «маятника» достаточно велик, как и его размеры для обеспечения необходимой теплообменной поверхности.
Для конкретизации зададимся параметрами для воды: время цикла - 10 секунд, интенсивность генерации пара - 1 кг /сек (10 кг /10 сек), что по интенсивности теплового потока при переводе в механические единицы соответствует примерно 2000 кВт. Пусть свободный объем гидроколеса и, соответственно, воды в нем - 500 литров. Из общего баланса энергии следует, что работа пара на вытеснение воды из колеса-турбины должна соответствовать кинетической энергии вращения этой массы воды. При усредненной окружной скорости около 100 м/с кинетическая энергия 500 литров воды, приведенная к 10 секундам, соответствует мощности в 500 кВт и должна быть равна таковой объемного вытеснения. Сечение S в гидроканале определяется разностью давлений пара и центробежных сил, необходимой для прохождения 500 литров воды за 10 секунд. Усредненная величина этой разности в случае воды, как легко вывести из указанного равенства, равна 100 ати.
Начальный крутящий момент и дополнительную мощность можно получить, используя кинетическую энергию вытекающей из испарительных элементов струи паров; в этом случае лопатки гидроколес должны иметь активные оконечности. Это наиболее эффективно, если в системе применить два вещества, например, ртуть, заполняющую испарительные элементы, и высококипящую жидкость (глицерин, олеиновая кислота). В этом случае величина кинетической энергии будет существенной (около 200 кВт), так как масса ртутных паров примерно в 9 раз больше массы водяных паров при той же интенсивности теплопередачи. Разумеется, компоненты не смешиваются, и ртуть при вращении всегда отбрасывается к периферии.
На рис. 2 https://yadi.sk/i/VNkFZNY6_J8rGg изображена установка, где испаритель-расширитель 1, отделен от гидротурбины 4, соответственно разделены и их рабочие среды. Принцип работы очевиден. В данном случае необходимы клапана 2 и вентили 3 (или клапаны, настроенные на соответствующее давление), последние открываются по мере падения давления при расширении пара, и секции турбины последовательно включаются в работу в определенном интервале давления. Первая секция, работающая при наибольшем давлении, близком к постоянному (изобарическое расширение при испарении рабочего тела и его нагрев), очевидно, должна быть активной, на лопатки которой жидкость (не обязательно вода) поступает через сопла, прочие — радиально-осевыми.
В данном случае получаемую работу ориентировочно можно представить как сумму изобарической работы расширения при генерации пара и его нагреве и адиабатической работы при его расширении, которая реализуется  в полезную механическую работу с каким-то КПД. Например, при генерации пара 1 кг/сек и его расширении до объема 50 литров при параметрах адиабаты: от (200 ати, 500 град С) до (43 ати, 260 град С) максимальная получаемая мощность могла бы составить около 700 кВт и выше при увеличении верхних параметров адиабаты, которые ограничены здесь лишь стойкостью материалов испарителя.
Понятно, что тепло на выходе из системы должно быть использовано на цели рекуперации, обогрева или теплофикации. Очевидно, что этот вариант особенно предпочтителен для бинарного ртутно-парового цикла; так как масса ртути ограничена объемом испарителя W, то проблемы использования ртути (уплотнения и т. д.) здесь минимальны.
Такие двигатели могут быть использованы не только в стационарном варианте, но и как безопасные, легко регулируемые и малошумные двигатели для судов (для справки  -  судовая турбина УТЗ для ледокола состоит из 5 тыс деталей и весит около 70 т), особенно для атомных подводных лодок. Угловая скорость вращения вала у таких установок намного ниже, чем у паровых турбин, поэтому редуктор, снижающий к тому же и КПД, может быть исключен. 
По той же причине и в силу других преимуществ такой двигатель может быть использован как замена ТРД вертолетов и турбовинтового двигателя самолетов (если удастся укоротить цикл для уменьшения веса жидкости). Кроме того он не требует для себя несущих конструкций, напротив, сам может являться их частью, когда к цилиндру (толстостенной трубе) крепятся другие элементы каркаса, рис. 3 https://yadi.sk/i/_sO5TWyFTKpRGQ .
Большим преимуществом является возможность использования более дешевого топлива, причем теплота, выносимая с горючими газами в цикле нагрева и с нагретым воздухом в цикле охлаждения может быть использована для получения дополнительной реактивной тяги (10-15%). Для этого, например для варианта 2, цилиндры помещаются в соответственно профилированную камеру, расположенную перед винтом, рис. 3, где 1- испаритель-расширитель, 2 - камера, 3 - гидродвигатель, 4 - элементы несущего каркаса, 5 - фюзеляж. 6 - крыло. Камера сгорания может быть общей или их может быть две, размещенных по отдельности непосредственно в объеме испарителей. 

Принципиальная работоспособность этих установок не вызывает сомнений, хотя работа их в нестационарных режимах требует изучения. Возможно, кто-либо из читателей заинтересуется таким направлением технической мысли.
 
Вверх