Существуют весьма простые технологические подходы, позволяющие извлекать достаточную мощность из окружающих природных процессов, и получать на базе этого электроэнергию — особо интересны они тем, что с технической точки зрения весьма просты, и позволяют, практически каждому, попытать свои силы, в реализации описанного!
Чтобы понять всё то, что будет далее и в полной мере оценить красоту и возможности решения, о котором пойдёт речь, для начала, нам просто придётся окунуться в историю! Итак…
Если мы проследим всю историю развития двигателей, от паровых — до двигателей внутреннего сгорания, то мы увидим любопытную тенденцию: постоянное стремление к повышению давления.
Особенно это становится явно, если начать отслеживание с паровых машин: в самом начале, когда технологии парообразования находились на примитивном уровне, паровая машина получала свою энергию за счёт давления паров воды, где сами пары получали кипячением воды в котле:
Эффективность этого заставляла желать лучшего, так как площадь поверхности, разогреваемой огнём, была относительно малой касательно количества воды — проще говоря, в единицу времени можно было передать воде относительно малое количество теплоты, что не позволяло быстро наращивать парообразование, да и такой источник пара отличался большой инерцией — ведь для нагрева относительно большого количества воды в котле до закипания, должно пройти достаточно много времени (учитывая высокую теплоёмкость воды).
Кроме того, такие котлы были опасны сами по себе — взрывы паровых машин не были редкостью, поэтому, с целью увеличить как эффективность самой машины, так её безопасность, инженеры стремились к уменьшению объёма котла, чтобы количество нагретой воды в каждый момент времени, было относительно небольшим.
Следующим шагом в развитии технологий парообразования стал переход к так называемому «жаротрубному» котлу: внутри котла предыдущего типа, залитого водой, пропустили насквозь трубы, относительно большого сечения (десятки сантиметров), внутри которых разводился огонь — то есть, грубо говоря, эти трубы и стали эдакой «пространственно-распределённой топкой» в которые подбрасывали топливо и прямо там горел огонь:
Понятно, что это тоже было не слишком удобно, так как необходимо было топить сразу несколько отдельных «микропечей» и инженерная мысль пошла дальше: а что, если, объединить все эти топки воедино, и, использовать их не собственно в виде топок, а в виде всего лишь дымовых труб, сквозь которые проходят продукты сгорания, перед тем как улететь в атмосферу?
Сказано-сделано: так увидел свет первый «дымогарный» котёл — то есть, топка, в которой горел огонь стала единой, но от неё стал отходить большой массив дымоходов, также, насквозь проходящих сквозь котёл с водой:
На первый взгляд, уже выглядит недурно, не так ли? Но это только на первый взгляд — всё равно, если начать считать, то, видно, что площадь нагретой поверхности относительно мала, по сравнению с массивом воды…
Но похоже, что с переходом от обычной нагреваемой ёмкости с водой — к этим разнообразным трубчатым технологиям, инженеры «поймали волну» и поняли в каком направлении нужно двигаться!
И, примерно в 1860-х годах случился следующий качественный прорыв — появился «водотрубный» котёл: суть этого котла заключается в том, что в нём, огонь горит в топке, сквозь которую проходит массив относительно тонких трубок, наполненных водой. Таким образом, удалось кардинально нарастить эффективность парообразования и уменьшить размеры паровых машин, где типичным примером подобной конструкции является водотрубный котёл разработки Бэбкока и Уилкокса (Babcock&Wilcox):
Принцип действия подобного типа котлов (не одинакового, но схожего) показан на схеме ниже:
Тем не менее, мы видим, что полностью избавиться от бака с водой всё ещё не удаётся — он присутствует в конструкции, но уже в качестве ёмкости для воды и хранилища для готового пара, что ограничивает возможности по минимизации конструкции в размерах; одновременно сохраняется и опасность из-за наличия больших ёмкостей под давлением.
Но настоящий прорыв в этой области случился только в 1920-х годах XX века, доведя идею парообразования до абсолюта: Марк Бенсон изобрёл свой знаменитый «сверхкритический» котёл, в котором плунжерный (то есть, грубо говоря поршневой, только с малого диаметра поршнями) насос, закачивает воду в одну или массив тонких трубок, под давлением более 224 атмосфер, где вокруг самих трубок горит огонь топки.
При таком давлении, вода уже не может кипеть в нормальном смысле, и, при нагреве до температуры кипения, при сохранении такого внешнего давления, вода плавно переходит в газообразное состояние, без собственно кипения и его внешних признаков — образования пузырьков и чёткого раздела между жидкой и газообразной фазами.
Таким образом, образуется ситуация, где, на воду сзади давит насос, а спереди — давление пара и, пар выходит из такой системы под таким же давлением более 200 атмосфер.
Принципиальная схема подобного сверхкритического котла показана ниже:
На картинке мы видим несколько компонентов устройства, помеченные цифрами:
Насос высокого давления (1) (закачивает воду в трубку);
Экономайзер (2) — то есть, участок трубки, где продукты сгорания, удаляющиеся из котла, позволяют предварительно подогревать воду, и, таким образом, из дымов забирается последнее тепло, обеспечивая большую экономичность процесса;
Испарительные трубки (3) — именно эта часть конструкции находится под непосредственным воздействием пламени, и переводит воду в газообразное состояние;
Пароперегреватель (6) — увеличивает температуру пара, существенно повышая её выше температуры кипения (несколько более 500°С); основная цель этого, — чтобы когда пар будет попадать на лопатки турбины, он отдавал им часть своей теплоты, но, при этом, его температура не падала критично, и не вызывала конденсацию до жидкости на лопатках, иначе быстро вращающиеся лопатки будут повреждаться каплями воды.
Выход пара на турбину (7).
Таким образом, это изобретение является самым «топовым» (но не последним — о нём ещё будет далее ;-)) за всю историю парообразования, так как позволяет получать пар под высоким давлением, непрерывно, поточным методом.
Кроме всего прочего, в отличие от классических котловых систем, подобная поточная система относительно безопасна (несмотря на высокое давление), так как не содержит в себе больших объёмов нагретой жидкости или пара, в отличие от котлов, а относительно малое сечение трубок позволяет успешно противостоять большому давлению, без разрушения.
В современных условиях, в качестве такого насоса высокого давления для закачки воды в трубки может быть использован топливный насос высокого давления (ТНВД) для дизельных двигателей или, даже, ручная мойка водой под давлением для автомобилей (у неё внутри стоит как раз подобный плунжерный микронасос для жидкостей) — но этот второй вариант хуже, так как мойка высокого давления не предназначена для продолжительной непрерывной работы.
Изобретение оказалось настолько удачным, что пережило множество лет, было внедрено во множестве сфер; например, нечто подобное используется и для парообразования с помощью атомных реакторов:
Теперь, если мы обратим свой взгляд на двигатели внутреннего сгорания, то мы увидим там такую же чёткую тенденцию: с момента появления первых двигателей внутреннего сгорания, например, двигателя Ленуара, который работал при атмосферном давлении, двигатели внутреннего сгорания постепенно эволюционировали до предварительного сжатия смеси, как с зажиганием от самого сжатия (дизельные двигатели, большая мощь с низких оборотов) так и до предварительного сжатия и зажигания от искры (бензиновые двигатели, большая мощь с больших оборотов).
Со временем, инженеры нашли способ как повысить давление в бензиновых двигателях ещё больше — появился турбонаддув, закачивающий воздух под давлением в цилиндры, в результате чего, во время возгорания, повысилось и рабочее давление вспышки в цилиндре.
При этом, одним из самых впечатляющих и наглядных примеров, на мой взгляд, является пример разнообразных двухтактных микродвигателей, использующихся в настоящее время, например, те же самые двигатели от бензокос для стрижки газонов — шутка ли, что при диаметре поршня примерно в 43 мм, во время вспышки в цилиндре, возникает давление в районе 40 атмосфер, где давление на сам поршень составляет около 500 кг!
Вдумайтесь: полтонны в такой малютке! Вот отсюда и «растут ноги», почему такая маленькая штука может применяться во множестве задач, например, даже для бурения земли…
Примерно тем же путём эволюционировали и двигатели Стирлинга — начав от простых атмосферных вариантов, и, через череду метаморфоз придя к высокоэффективным вариантам, в которых используются рабочее тело под большим давлением (200 бар и более, водород или гелий).
Мы специально не будем детально рассматривать эволюцию двигателей, отличных от паровых, так как к сути нашего вопроса они имеют весьма посредственное отношение, и мы их упомянули только лишь для того, чтобы обзорно увидеть общий взгляд на ситуацию в разных сферах.
Итак, подытоживая эту часть рассказа, мы видим: давление, давление, давление — и что это постоянно повторяется, потому что представляет собой основной метод построения высокоэффективных машин.
А теперь, вернёмся обратно к паровым машинам и зададимся вопросом: а почему, собственно говоря, вода?! — и именно этот вопрос я всегда задаю себе, когда смотрю на очередные попытки построить паровую машину, где люди сталкиваются с проблемами высокой температуры жидкости, её опасностью, необходимостью обеспечения мощного нагрева, чтобы обеспечить парообразование…
Ведь, по сути, в паровых машинах вода нагревается лишь для образования пара, для чего её приходится греть аж до 100°C (как минимум, а реально ещё больше, если учесть, что используются пароперегреватели), так как с момента появления первых паровых машин, химия проделала большой путь и в данный момент появилось множество жидкостей, кипящих при гораздо более низких температурах, чем 100°С! ;-)
Взять, хотя бы, тот же самый банальный ацетон — его температура кипения составляет всего лишь 56,1°C! Так что даже в случае прорыва трубопроводов, — это никоим образом не кипяток, нагретый под 100°С!
Причём, если применить «убийственный лайфхак» — если взять, например, в качестве основы конструкции поточный парообразователь Бенсона, который мы рассматривали выше и откачать из трубок воздух, не до полного вакуума, но до разрежения, например, в 1 кПа (весьма скромное значение, так как даже бытовые насосы создают в десятки раз большее), то можно уронить температуру кипения ацетона где-то до -30°С, а воды — где-то до +5°C!
То есть, ещё раз: можно создать такое разрежение в трубках, что парообразующая жидкость будет кипеть в очень широких пределах, практически в любом удобном диапазоне температур и её даже не нужно будет греть — достаточно будет теплоты окружающей среды! О_о
Хотя я, всё-таки, немножко грел бы, например, даже свечкой :-)
И ещё раз: касательно давления, о котором мы так много говорили: ПОДБОРОМ легкокипящего вещества (и опционально, вакуума) под конкретную температуру (например, теплоту комнаты) можно добиться максимизации давления, что позволит построить активно вращающуюся турбину, почти при любой температуре! О_о
Грубые предварительные расчёты показывают, что у того же ацетона, при даже слабом подогреве, возможно достижение давлений порядка 5 бар, а для воды порядка 2 бар!
Что такое 5 бар, и для чего они могут сгодиться?
Буквально недавно, мы рассматривали турбину Тесла, где мы увидели, что маленькая самодельная турбина, порядка 20-30 мм диаметром, работающая от давления примерно в 4 бара (или 60 psi, в видео ниже) позволяет легко получать порядка 10 Вт электроэнергии на подключенном генераторе:
Та же самая турбина, но при диаметре порядка 40-60 мм и при том же давлении (4 бара) выдаёт уже порядка 60-200 Вт:
Таким образом, остаётся только задуматься о соответствующем парообразователе, который сможет, с соответствующий пропускной способностью, обеспечивать паром подобную микротурбину (как вариант)!
То есть, возможно построение систем, которые эффективно (за счёт высокого развиваемого давления внутри) преобразуют теплоту окружающего мира — в электроэнергию или иную работу, где при этом, существенный нагрев рабочей жидкости до температур аналогичных температуре кипения воды при атмосферном давлении — вовсе не обязателен! О_о
Похоже, что подобная мысль пришла не только мне, так как, на самом деле, всё что сказано чуть выше, — это никакая не фантастика, и представляет собой следующий эволюционный (и даже, наверное, можно сказать, революционный) этап развития паровых систем, берущий своё начало с конца 1950-х годов, и носящий название «органического цикла Ренкина» (Organic Rankine Cycle (ORC)), где слово «органический» подразумевает использование в таких системах органических жидкостей с высокой молекулярной массой вместо воды (ацетон, фреон и т.д.), а сама технология является частным случаем цикла Ренкина и общая схема подобной системы выглядит следующим образом (подогрев в виде огня показан условно, и его следует воспринимать не только как огонь, но и скорее как «некое тепло» — от окружающей среды, от тления органических отходов, тепла природных водоёмов и т. д. и т.п.):
Мы видим, что система замкнутая, в которой легкокипящее рабочее вещество проходит замкнутый цикл парообразования и обратного сжижения.
В варианте на базе турбины Тесла, схематически эта система будет выглядеть примерно таким образом:
Причём, как подсказывает нам интернет, на период августа 2016 года — в мире было развернуто более 698 электростанций на базе органического цикла Ренкина, с суммарной выработкой в 2,7 ГВт (на данный момент, наверняка намного больше)!
Причём интересно, что выше мы рассматривали довольно экстремальный вариант — вакуумирование рабочего трубопровода, с целью уронить температуру кипения. Однако, мы это делали «по бедности», взяв за основу только наиболее доступные и простые рабочие вещества (ацетон, вода).
Тем не менее, можно легко избавиться от этапа вакуумирования, если взять для работы совсем другие вещества, так как на данный момент существует большое количество легкокипящих жидкостей, активно кипящих даже при комнатной температуре, без какого-либо вакуума и даже вообще без нагрева (по крайней мере, пока в комнате тепло)!
Таким образом, остаётся только обеспечить «более-менее» герметичность системы, чтобы не было существенных утечек и даже без вакуума это будет работать и работать хорошо! ;-)
Ну и в завершение можно сказать, что вроде бы совсем недавно мы рассматривали имитаторы «вечных двигателей» и, похоже, что мини электростанция на основе органического цикла Ренкина, комнатного формата, вполне может выглядеть в работе как ещё один образец «вечного двигателя» — уж слишком удивительно это будет выглядеть: турбина воет на бешеных оборотах, что то кипит, а огня нет... :-D
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
