Содержание
Сотрудники Псковского политехнического института уверены, что готовят технологическую революцию, ведь их двигатель куда эффективнее, безопаснее и дешевле.
Сегодняшний день сотрудники двигательной лаборатории Псковского политехнического института провели как обычно продолжали работать над «двигателем будущего». Именно так в местной прессе окрестили разработку, которую сами авторы предпочитают называть «двигателем с внешним подводом тепла» или «двигателем внешнего сгорания».
Сейчас автомобильные моторы работают по принципу внутреннего сгорания и это кажется само собой разумеющимся. Но ученые из Пскова уверены: они готовят технологическую революцию, ведь их двигатель куда эффективнее, безопаснее и дешевле.
Корреспондент НТВ Сергей Малозёмов поехал познакомиться и проверить.
Юрий Лукьянов, главный конструктор научной группы, сотрудник Псковского политехнического института: «В новом двигателе не будет коробки передач, распредвала и, главное, выхлопной трубы».
Инженер Юрий Лукьянов уже лет 30 мечтает изменить все, что сейчас у машины под капотом. Еще в юности он увлекся идеями шотландца Роберта Стирлинга, в начале XIX века придумавшего то самое внешнее сгорание.
Юрий Лукьянов, главный конструктор научной группы, сотрудник Псковского политехнического института: «В двигателе внутреннего сгорания смесь подается внутрь цилиндра и происходит сгорание внутри цилиндра. А в двигателях с внешним подводом теплоты подается тепло через стенку цилиндра газу, который заключен внутри двигателя».
Этот двигатель Стирлинга очень мощный и экологичный, но громоздкий широко применялся в эпоху паровых машин, и сейчас его используют, например, на некоторых моделях подводных лодок. Главный недостаток размер Лукьянов как раз и устранил. Он заменил поршни лопастями и это уменьшило конструкцию в разы.
Чтобы понять, как работает новый двигатель, достаточно обычного воздушного шарика. Если надуть его теплым воздухом и оставить на морозе, то через 10 минут видно, что шарик остыл и ощутимо уменьшился в размерах. А если его нагреть снова, то он опять надувается.
Это была бы всего лишь игра, если бы однажды инженеры не придумали, как из точно таких же колебаний объема не извлечь полезную работу. Так и родился двигатель внешнего сгорания.
И ведь сколько преимуществ! Мощность, по расчетам, в пять раз больше при том же размере. И это еще не все. В обычном двигателе внутреннего сгорания пары топлива фактически взрываются в цилиндрах отсюда шум, износ и вред экологии, ведь бензин не успевает сгореть полностью. Здесь же надо подогревать и охлаждать механизм, в который, как в шарик, закачан воздух, снаружи неважно чем, хоть дровами.
Игорь Плохов, руководитель научной группы, проректор Псковского политехнического института: «В этом двигателе сгорание происходит в атмосферной среде, при атмосферном давлении, и, следовательно, нет таких выбросов. Это экология домашней кухни».
Создатели мыслят реалистично: сразу запихнуть новый двигатель в автомобиль им явно не удастся. Так что вначале, видимо, создадут большой мотор для автономных генераторов и котельных. Подобное изобретение очень пригодится в коттеджах и на Севере.
Юрий Лукьянов, главный конструктор научной группы, сотрудник Псковского политехнического института: «Двигатель внутреннего сгорания отрабатывался в течение 100 лет, и тут так же. Может, в будущем получится его поставить и на автомобиль».
Убедив чиновников из Москвы в том, что дело стоящее, псковские умельцы получили госфинансирование, чтобы, наконец, собрать реально работающий двигатель. Ведь пока два главных узла нагреватель и ротор функционируют только по отдельности. Именно это кажется главной проблемой профессору Московского автодорожного института Михаилу Шатрову, изучившему псковский проект.
Михаил Шатров, профессор, заведующий кафедрой теплотехники и автотракторных двигателей Московского института: «Объединить это все в одну систему это чрезвычайно сложная задача. Особенно при том количестве народа, которое задействовано. То есть специалистов явно недостаточно».
Но разработчики, кажется, и сами это понимают. Хотя и уверены: все препятствия им по плечу. Цель уж больно заманчива чистый воздух, почти никакого шума, КПД вдвое больше, чем у современных моторов… Часть работ уже засекретили, а это тоже, видимо, о говорит.
Двигатели внешнего сгорания стали использоваться тогда, когда людям потребовался мощный и экономичный источник энергии. До этого использовались паровые установки, однако они были взрывоопасными, так как использовали горячий пар под давлением. В начале 19 века им на смену пришли устройства с внешним сгоранием, а еще через несколько десятков лет были изобретены уже привычные приборы с внутренним сгоранием.
Происхождение устройств
В 19 веке человечество столкнулось с проблемой, которая заключалась в том, что паровые котлы слишком часто взрывались, а также имели серьезные конструктивные недостатки, что делало их использование нежелательным. Выход был найден в 1816 году шотландским священником Робертом Стирлингом. Эти устройства можно также называть "двигателями горячего воздуха", которые применялись еще в 17 веке, однако этот человек добавил к изобретению очиститель, называющийся в настоящее время регенератором. Таким образом, двигатель внешнего сгорания Стирлинга был способен сильно повысить производительность установки, так как он сохранял тепло в теплой рабочей зоне, в то время как рабочее тело охлаждалось. Из-за этого эффективность работы всей системы была значительно увеличена.
В то время изобретение использовалось достаточно широко и находилось на подъеме своей популярности, однако со временем его перестали использовать, и о нем забыли. На смену оборудованию внешнего сгорания пришли паровые установки и двигатели, но уже привычные, с внутренним сгоранием. Вновь о них вспомнили лишь в 20 веке.
Работа установки
Принцип работы двигателя внешнего сгорания заключается в том, что в нем постоянно чередуются два этапа: нагревание и охлаждение рабочего тела в замкнутом пространстве и получение энергии. Данная энергия возникает из-за того, что постоянно изменяется объем рабочего тела.
Чаще всего рабочим веществом в таких устройствах становится воздух, однако возможно использование еще и гелия или водорода. В то время пока изобретение находилось на стадии разработки, в качестве опытов использовались такие вещества, как двуокись азота, фреоны, сжиженный пропан-бутан. В некоторых образцах пытались применять даже обычную воду. Стоит отметить, что двигатель внешнего сгорания, который запускали с водой в качестве рабочего вещества, отличался тем, что у него была достаточно высокая удельная мощность, высокое давление, а сам он был достаточно компактным.
Первый тип двигателя. «Альфа»
Первой моделью, которая использовалась, стала «Альфа» Стирлинга. Особенность его конструкции состоит в том, что она имеет два силовых поршня, находящихся в разных в раздельных цилиндрах. Один из них имел достаточно высокую температуру и был горячим, другой, наоборот, холодным. Внутри теплообменника с высокой температурой располагалась горячая пара цилиндр-поршень. Холодная пара находилась внутри теплообменника с низкой температурой.
Основными преимуществами теплового двигателя внешнего сгорания стало то, что они имели высокую мощность и объем. Однако температура горячей пары при этом была слишком велика. Из-за этого возникали некоторые технические трудности в процессе изготовления таких изобретений. Регенератор данного устройства находится между горячей и холодной соединительными трубками.
Второй образец. «Бета»
Вторым образцом стала модель «Бета» Стирлинга. Основное конструктивное отличие заключалось в том, что имелся лишь один цилиндр. Один из его концов выполнял роль горячей пары, а другой конец оставался холодным. Внутри данного цилиндра перемещался поршень, с которого можно снимать мощность. Также внутри имелся вытеснитель, который отвечал за изменение объема горячей рабочей зоны. В данном оборудовании использовался газ, который перекачивался из холодной зоны в горячую через регенератор. Этот вид двигателя внешнего сгорания обладал регенератором в виде внешнего теплообменника или же совмещался с поршнем-вытеснителем.
Последняя модель. «Гамма»
Последней разновидностью данного двигателя стала «Гамма» Стирлинга. Этот тип отличался не только наличием поршня, а также вытеснителя, а еще и тем, что в его конструкцию входили уже два цилиндра. Как и в первом случае один из них был холодным и использовался он для отбора мощности. А вот второй цилиндр, как в предыдущем случае, был холодным с одного конца и горячим с другого. Здесь же перемещался вытеснитель. В поршневом двигателе внешнего сгорания также имелся регенератор, который мог быть двух типов. В первом случае он был внешним и соединял между собой такие конструктивные части, как горячую зону цилиндра с холодной, а также с первым цилиндром. Второй тип – это внутренний регенератор. Если использовался этот вариант, то он входил в конструкцию вытеснителя.
Использование Стирлингов обосновано в том случае, если необходим простой и небольшой преобразователь тепловой энергии. Также его можно использовать в том случае, если разница температур недостаточно велика, чтобы использовать газовые или же паровые турбины. Стоит отметить, что на сегодняшний день такие образцы стали использоваться чаще. К примеру, используются автономные модели для туристов, которые способны работать от газовой конфорки.
Применение устройств в настоящее время
Казалось бы, что такое старое изобретение не может использоваться в наши дни, однако это не так. NASA заказало двигатель внешнего сгорания типа Стирлинга, однако в качестве рабочего вещества должны использоваться ядерные и радиоизотопные источники тепла. Кроме этого, он также успешно может быть использован в следующих целях:
- Использовать такую модель двигателя для перекачки жидкости гораздо проще, чем обычный насос. Во многом это благодаря тому, что в качестве поршня можно применять саму перекачиваемую жидкость. Кроме того, она же и будет охлаждать рабочее тело. К примеру, такой вид "насоса" можно использовать, чтобы накачивать воду в ирригационные каналы, используя для этого солнечное тепло.
- Некоторые изготовители холодильников склоняются к установке таких устройств. Стоимость продукции удастся снизить, а в качестве хладагента можно применять обычный воздух.
- Если совместить двигатель внешнего сгорания этого типа с тепловым насосом, то можно оптимизировать работу тепловой сети в доме.
- Довольно успешно Стирлинги используются на подводных лодках ВМС Швеции. Дело в том, что двигатель работает на жидком кислороде, который впоследствии используется для дыхания. Для подводной лодки это очень важно. К тому же такое оборудование обладает достаточно низким уровнем шума. Конечно, агрегат достаточно большой и требует охлаждения, но именно эти два фактора несущественны, если речь идет о подводной лодке.
Преимущества использования двигателя
Если во время конструирования и сборки применить современные методы, то удастся поднять коэффициент полезного действия двигателя внешнего сгорания до 70%. Использование таких образцов сопровождается следующими положительными качествами:
- Удивительно, однако крутящий момент в таком изобретении практически не зависит от скорости вращения коленчатого вала.
- В данном силовом агрегате отсутствуют такие элементы, как система зажигания и клапанная система. Также здесь отсутствует распредвал.
- Достаточно удобно то, что на протяжении всего периода использования не потребуется проводить регулировку и настройку оборудования.
- Данные модели двигателя не способны "заглохнуть". Простейшая конструкция аппарата позволяет использовать его достаточно продолжительное время в полностью автономном режиме.
- В качестве источника энергии можно использовать практически все, начиная от дров и заканчивая урановым топливом.
- Естественно, что в двигателе внешнего сгорания процесс сжигания веществ осуществляется снаружи. Это способствует тому, что топливо дожигается в полном объеме, а количество токсических выбросов минимизируется.
Недостатки
Естественно, что любое изобретение не лишено недостатков. Если говорить о минусах таких двигателей, то они заключаются в следующем:
- Из-за того что сгорание осуществляется вне двигателя, отвод получаемого тепла происходит через стенки радиатора. Это вынуждает увеличивать габариты устройства.
- Материалоемкость. Для того чтобы создать компактную и эффективную модель двигателя Стирлинг, необходимо иметь качественную жаропрочную сталь, которая сможет выдержать большое давление и высокую температуру. Кроме того, должна быть низкая теплопроводность.
- В качестве смазки придется покупать специальное средство, так как обычное коксуется при высоких температурах, которые достигаются в двигателе.
- Для получения достаточно высокой удельной мощности придется использовать либо водород, либо гелий в качестве рабочего вещества.
Водород и гелий в качестве топлива
Получение высокой мощности, конечно же, необходимо, однако нужно понимать, что использование водорода или гелия достаточно опасно. Водород, к примеру, сам по себе достаточно взрывоопасен, а при высоких температурах он создает соединения, которые называются металлогидритами. Это происходит, когда водород растворяется в металле. Другими словами, он способен разрушить цилиндр изнутри.
Кроме того, и водород, и гелий – это летучие вещества, которые характеризуются высокой проникающей способностью. Если говорить проще, то они достаточно легко просачиваются сквозь практически любые уплотнения. А потери вещества означают потери в рабочем давлении.
Роторный двигатель внешнего сгорания
Сердце такой машины – это роторная машина расширения. Для двигателей с внешним типом сгорания этот элемент представлен в виде полого цилиндра, который с обеих сторон прикрыт крышками. Сам по себе ротор имеет вид колеса, который посажен на вал. Также у него имеется определенное количество П-образных выдвигающихся пластин. Для их выдвижения используется специальное выдвижное устройство.
Двигатель внешнего сгорания Лукьянова
Юрий Лукьянов – это научный сотрудник Псковского политехнического института. Он уже достаточно давно занимается разработкой новых моделей двигателей. Ученый старался сделать так, чтобы в новых моделях отсутствовали такие элементы, как коробка передач, распредвал и выхлопная труба. Основной недостаток устройств Стирлинга заключался в том, что они имели слишком большие габариты. Именно этот недостаток ученому и удалось устранить за счет того, что лопасти были заменены на поршни. Это помогло уменьшить размер всей конструкции в несколько раз. Некоторые говорят о том, что можно сделать двигатель внешнего сгорания своими руками.
С теплом, светом и водой теперь не будет проблем. И все это без использования котельных, линий электропередачи и прочих коммуникаций. Такой "коммунальный рай без хлопот и забот", как поется в песне, уже в ближайшем будущем может появиться в России благодаря уникальной разработке псковских ученых. В лабораториях Псковского госуниверситета они сконструировали автономный модуль жизнеобеспечения, "сердце" которого — роторно-лопастной двигатель с внешним подводом тепла.
Начиналось с мечты
Автор модуля — Юрий Лукьянов, инженер-электроник ПсковГУ, главный конструктор научной группы. Говорит, что модуль жизнеобеспечения появился благодаря юношеской идее. В далеком 1978-м Юрий работал на заводе тяжелого электросварочного оборудования и мечтал создать летающий автомобиль.
"Есть такой эффект — "экран Земли", когда самолет заходит на посадку, он барражирует, то есть воздушный поток от крыльев не дает самолету опуститься. Поэтому он на этом потоке, на "экране Земли", движется долгое время. Тогда и возникла идея сделать легковую машину, которая бы летала на высоте 5−6 метров на эффекте "экрана Земли", — вспоминает Лукьянов.
Но для такой машины требовался компактный двигатель в 300 лошадиных сил. Постепенно ученые выяснили, что роторно-лопастная схема позволит создать двигатель, по объему равный трехлитровой банке. Мощность такого двигателя — примерно 200 лошадиных сил. Тогда вес машины будет небольшой, и можно сделать такую машину.
"Так и зародилась идея создания компактного двигателя, способного выдавать большую мощность на базе роторно-лопастной машины, с этого и началась вся история", — говорит Лукьянов.
Сейчас, спустя более 40 лет, журналисты и коллеги-инженеры называют созданное им устройство не иначе как "двигатель будущего".
Работает на всем, что горит
Для работы модуля жизнеобеспечения нужны вода и топливо. Воду можно использовать любую: водопроводную или из скважины. А “заправлять” устройство можно практически всем, что горит: солярка, газ, минеральное отработанное масло или спирт. Подойдут даже опилки и солнечная энергия. С помощью топлива вода в установке нагревается и превращается в пар, который и вращает “двигатель будущего”.
Он принципиально отличается от тех, которые сейчас есть под капотом у каждого автомобиля. В “движке” Лукьянова нет клапанов, которые в двигателе внутреннего сгорания работают буквально на износ — при высоких температурах и больших нагрузках. Псковский мотор — это хитроумная система лопастей и механизмов, которые равномерно распределяют нагрузку по всему двигателю. За счет этого устройство оказалось в три раза легче при той же мощности, и самое главное — оно не вырабатывает выхлопных газов, как в автомобиле.
"Старая добрая" паровая машина
В основе принципа действия модуля жизнеобеспечения, говорит Лукьянов, — старая добрая паровая машина, которая известна человечеству аж с XVII века. Используя проверенную временем технологию, ученые смогли сделать так, чтобы топливо в "устройстве будущего" сгорало при пониженных температурах и при избытке кислорода. А это означает, что такой двигатель не дымит: выбросы вредных веществ в атмосферу практически нулевые.
"Разработанный двигатель сравним по экологичности с домашней кухней, со сгоранием газа на газовой плите. В основе — паровая машина с низкими параметрами пара, там давление всего 10 атмосфер, а значит, температура пара не выше 196 градусов по Цельсию", — говорит ученый.
Чтобы получить такие параметры, высокие температуры сжигания топлива не нужны, поэтому горелка, используемая для создания пара, поддерживает температуру не более 400 градусов. В результате получается, что при избытке сгорания воздуха, как и на кухне, мы не получаем вредных выбросов, они минимальны по окисям азота и угарному газу.
Прототип за свой счет
Изобретением, вспоминает Лукьянов, в 2006 году заинтересовались в правительстве страны: ученые получили грант на 7,6 млн рублей от Федерального агентства по науке и инновациям.
На эти средства провели научно-исследовательские работы, успешно их защитили, а вот на создание опытного образца конкурс выиграть не смогли. В итоге первый прототип устройства псковские инженеры изготовили за свой счет.
“Мы своими силами создали прототип, года три создавали в лабораториях ПсковГУ, трудилась вся команда, около 15 человек. Университет помог нам приобрести парогенератор, поставили его в нашу машину, сделали систему, и в итоге появился модуль жизнеобеспечения с внешним подводом тепла (пара) из парогенератора”, — говорит Лукьянов.
К массовому производству
Сейчас, говорит Лукьянов, к нему поступают сотни заявок от желающих купить модуль жизнеобеспечения. Наибольший интерес устройство вызывает у жителей отдаленных территорий.
“Вот сейчас обращаются с Дальнего Востока, там раздали “дальневосточный гектар”, а энергетики нет, оттуда звонят и говорят: “Если твой контейнер привезти сюда, то появится цивилизация”.
Предложения поступают со всей России, все хотят купить модуль, а кто бы мог вложить деньги в опытно-конструкторскую разработку и заняться производством — таких мало", — рассказывает ученый.
А еще, добавляет инженер, есть и те, кто готов запустить серийное производство без тестовых испытаний.
"Много тех, кто говорят, мол, давайте чертежи и мы поехали, то есть минуя опытно-конструкторские разработки. А я всегда отвечаю, что ОКР нужно пройти обязательно, важно испытать образец, проверить на перегрузку, в разных режимах работы, провести климатические испытания. Он, конечно, функционирует, но мы его еще не испытывали, а это нужно обязательно сделать, вопрос — где и кем", — говорит Лукьянов.
Серьезная экономия
Если модуль удастся поставить на конвейер, то псковское изобретение поможет серьезно сэкономить на “коммуналке”.
“Чтобы, например, обеспечить ресурсами двухэтажный индивидуальный дом, вполне хватит модуля 30 кВт. При условии массового производства он будет стоить около 1 млн рублей. По сути, это стоимость легкового автомобиля, и вы обеспечены теплом, электричеством, горячей и чистой питьевой водой. Такая установка может окупиться за год-полтора”, — делится расчетами Лукьянов.
Модуль даст еще более серьезную экономию, если поступит на вооружение предприятий.
“Сейчас предприятия, которые хотели бы получить этот автономный модуль, просят 1 МВт мощности, такая установка будет стоить 20 млн рублей, но она окупается за полгода. Подсчет простой: в году 8 тыс. часов, если установка 1 МВт работает в течение года, производится 8 млн кВт⋅ч электроэнергии, если посчитать по розничной цене, то в год предприятие только на энергию тратит 40 млн рублей”, — поясняет инженер.
А еще одно преимущество, добавляет ученый, — это что модуль можно применять везде, даже в больницах.
“Модуль не вибрирует и не шумит. У нас симметричная конструкция двигателя, поэтому механизм уравновешенный, и вибрация всего 300 микрон, по шуму это сравнимо со звуком работы системного блока компьютера или холодильника”, — рассказывает Лукьянов.
Для сравнения: в больницах нормы по шуму — 50 децибел, шум модуля как раз удерживается около этого уровня.
“А поскольку в нем есть пар, то в частных домовладениях, например, можно баню прогреть паром за 5 минут и не нужно печку топить. Достаточно подвести пар из парогенератора, температура его под 200 градусов: и огня нет, то есть баня не сгорит”, — улыбается инженер.
Сжигание мусора без выбросов
По словам Лукьянова, автономный модуль жизнеобеспечения может дать не только тепло, воду и свет. На основе устройства можно возводить передвижные мусоросжигающие заводы, которые не будут дымить и выбрасывать в атмосферу вредные вещества.
Если усовершенствовать изобретение, добавив к нему плазматроны, то получится что-то наподобие машины из голливудского фильма “Назад в будущее”, работающей на чем угодно, включая жестяные банки и банановую кожуру.
“Есть способ, называется плазмо-химический, когда весь мусор не разбирая подвергают очень высокой температуре в плазматроне, порядка 6 тыс. градусов, как на Солнце, чтобы весь этот мусор перешел в окисное состояние. Воздух в плазмохимическом реакторе замещают на пар, который дает парогенератор из нашего автономного модуля. При уничтожении мусора внизу этого реактора образуется жидкий расплав металла, сверху будет стекольный шлак. А атмосфера — водяной пар. Он горячий, 960 градусов по Цельсию, его можно направить в наш парогенератор для того, чтобы подогреть цикловую воду. Мы получаем чистый пар для машины, и она вырабатывает нам электричество. Оно, в свою очередь, необходимо для работы плазматрона, а избыток электричества направляем в сеть, то есть получаем снова замкнутую установку”, — делится идеей Лукьянов.
И самое главное, добавляет он, что при таком способе сжигания мусора не нужна труба, так как в атмосферу выбрасывать просто нечего.
“После того как мы отобрали температуру 960 градусов у пара в нашем парогенераторе и потом еще сконденсировали эту пароводяную смесь, то трубы нет, горения в воздухе нет и выбросов в воздух нет никаких”, — поясняет ученый.