152 Некоторые вопросы создания экологически чистого

Некоторые вопросы создания экологически чистого
транспортного средства с криогенной силовой установкой
д.т.н. Кутенев В.Ф., к.т.н. Макаров А.Р., к.т.н. Буриков В.С., Буриков И.В., Буриков Ю.В
МГТУ «МАМИ», ООО НПО «Новотехника»
В настоящее время остро стоит вопрос о возможности снижения вредных выбросов в
атмосферу продуктов сгорания углеводородного топлива (угля, нефтепродуктов, газа). Эту
проблему предлагается решить различными способами. Наибольшее распространение получили методы, которые позволяют улучшить процессы горения в камерах сгорания тепловых
установок, например, в двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Это достигается как улучшением конструкции камер сгорания, так и улучшением качества используемых углеводородных топлив. В частности достаточно широкое распространение получили двигательные
установки, работающие на природном газе, либо его производных (например, метане). Степень очистки этих газов высокая, что в значительной мере снижает выбросы серы и серосодержащих составляющих. Кроме того, значительное содержание водорода в этих топливах
уменьшает количество выбрасываемых в атмосферу окислов углерода. Предполагается, что
выброс в атмосферу окислов водорода не является вредным.
Улучшение процесса горения за счет конструктивных особенностей двигателя, позволяет осуществить более полное окисление горючего, в результате чего улучшается экологичность двигателей и в выбросах уменьшается процент содержания наиболее вредных продуктов сгорания рабочей смеси.
Достаточно широкое распространение получили системы очистки выхлопных газов с
помощью разнообразных фильтров. Это и фильтры механической очистки выхлопных газов,
фильтры, использующие катализаторы, на которых происходит доокисление наиболее вредных выбросов, и их различные комбинации. Не смотря на высокую стоимость такого дополнительного оборудования, такие методы очистки выхлопных газов достаточно распространены и, можно сказать, наиболее употребимы в современных энергетических установках.
В настоящее время, судя по анализу публикуемых материалов, перспективными считаются два направления. Первое, и пожалуй основное, это использование в качестве горючего
водорода. Второе – использование в качестве источника энергии для электродвигателей
электроаккумуляторов. Также предполагается, что наиболее вероятным использованием водорода в энергетических установках может быть осуществлено не путем сжигания в атмосферном воздухе, а посредством подачи его в топливный элемент (ТЭ), в котором при взаимодействии с воздухом вырабатывается электрический ток. Не смотря на сложность создания таких достаточно мощных элементов, у них есть очевидные преимущества: низкая температура процесса преобразования химической энергии компонентов топлива в электрическую, высокий коэффициент полезного действия установки, практически полное отсутствие
вредных выбросов.
При традиционном сжигании водорода в воздухе неизбежно возникают окислы азота,
что по вредности может превосходить окислы углерода, которые являются продуктами горения традиционных углеводородных горючих материалов.
Очевидным недостатком водорода как горючего является его малый удельный вес, в
том числе и когда он находится в жидком состоянии. Кроме того, являясь криогенной жидкостью достаточно длительное его хранение затруднительно.
При хранении его в сосудах высокого давления в газообразном виде проблема утечек
может встать очень остро, т.к. в смеси с окружающим воздухом образуется гремучий газ,
взрывоопасность которого общеизвестна. Хранение водорода в виде соединений (гидриды),
либо в качестве составляющих углеводородных горючих не решает проблемы вредных отходов в виде неиспользуемого углерода или соединений тяжелых металлов.
Что касается использования аккумуляторов электрической энергии большой емкости,
то во-первых развитие этого направления идет крайне медленно, во-вторых вредность самих
аккумуляторов не идет ни в какое сравнение с вредностью отходов, выбрасываемых в окружающую среду обычными тепловыми источниками энергии.
152
Для оправдания «безвредности» энергоустановок, использующих аккумуляторы на химических соединениях, был предложен термин, по крайней мере, для всякого рода электромобилей, «безвыхлопные» транспортные средства, т.к. при движении электромобиль ничего
не выбрасывает в атмосферу и в этом случае экологически чист. Но с точки зрения охраны
среды обитания человека такая концепция вызывает большие сомнения.
В последнее время появились сообщения об использовании криогенных жидкостей, в
частности жидкого азота, в энергетических установок. Особенность этих жидкостей заключается в том, что они могут поглащать тепловую энергию из окружающей среды (на испарение и нагрев). За счет этого давление в энергетической установке будет повышаться (например, в изохорном процессе). Затем пары криогенной жидкости, нагретые до температуры,
близкой к окружающей, подаются в пневмомашину, где накопленная энергия паров преобразуется в механическую. На этом принципе построены и испытаны опытные образцы двигателей и транспортных средств. Заманчивость в использовании криогенных жидкостей для
этих целей заключается в том, что процесс горения заменяется процессом испарения и нагрева рабочего тела (паров криогенной жидкости). Таким образом, возвращается энергия,
затраченная на получение криогенной жидкости, она выступает аккумулятором энергии и не
воздействует на окружающую среду с точки зрения создания вредных выбросов. В такой постановке криогенный двигатель можно считать идеальным.
Критерии, которые могут быть взяты для оценки и сравнения различных видов энергоносителей для транспортных средств, во многом определяются целями оценок. Мы будем
исходить из предположения, что таким критерием может выступать стоимость перемещения
веса самого носителя энергии вместе с «баком», в котором этот носитель находится, например, на один километр пути. В этом случае исключаются из рассмотрения особенности конструкции транспортного средства, но также не учитываются экологические особенности
применения того или иного энергоносителя. Это позволяет разделить экономическую целесообразность применения того или иного вида энергоносителя и его экологические аспекты
применения.
Вес емкости для хранения бензина принимался равным 10% от веса энергоносителя,
т.е. 0.1 кг. Для газообразного водорода из-за малой плотности водорода в соответствии с
данными из работы [1] с учетом перспективы вес принимался равным 20 кг. Для жидкого
азота в связи со схемой «сосуд в сосуде» (сосуд Дюара) – вес 0.2 кг. Условная стоимость 1 кг
бензина принималась равной 1 (например 1$ США) при затрате на его производство 18
МДж/кг [2]. Условная стоимость накопленной в литий-ионных аккумуляторах [3] энергии
(при цене килограмма лития приблизительно равной 700$ по прейскуранту, коэффициент его
использования 0.5 и числу перезарядок равное 500) принималась равной 12.6 МДж.
Результаты расчётов сведены в таблицу 1. В ней же отражены некоторые технологические и экологические особенности рассматриваемых энергоносителей.
Если учесть перевозимый груз в размере 1000 кг, с учетом веса «тары», доля которой в
общем грузе пренебрежимо мала, используя те же исходные данные, можно получить значение условной стоимости километра пути. Результаты представлены в виде таблицы 2.
Из таблицы 1 следует, что наиболее экономичным энергоносителем для транспортных
средств остается бензин. По экономичности наиболее близким к нему оказался жидкий азот.
С учетом неизбежных погрешностей при оценке можно считать их по этой характеристике идентичными. Остальные из рассмотренных существенно уступают бензину и жидкому азоту. Преимущества жидкого азота:
• большой удельный вес (~0.8 г/куб.см, не ниже чем у бензина);
• взрывобезопасность;
• неограниченный и восстанавливаемый источник сырья (атмосфера);
• развитое промышленное производство (в химической и металлургической промышленности);
• высокие температуры кипения (~80 К) и, следовательно, низкий уровень потерь при хранении (2-3% в сутки);
153
• низкая стоимость производства (0.5 кВт.ч на 1 кг);
Таблица 1
Наименование
Бензин
Водород
Аккумулятор
(газ)
(Литий-ион)
РаспространеСильно ограОгранич.
Неогранич.
ние
нич.
Хранение
ВзрывоВзрывоМалоопасное
опасн.
опасн.
ТранспортиОтработанОтработанОтработанная
ровка
ная техноло- ная технолотехнология
гия
гия
Производство
Вредное
Вредное
Вредное
Утилизация
Ограниченно
Вредная
Вредная
вредная
Потери
при Менее 1 % в
Нет
Нет
хранении
сутки
Потери
при
Менее 1 % в
транспортиНет
Нет
сутки
ровке
Освоение проОсвоено
Освоено
Ограниченно
изводства
промышлен- промышленосвоено произное произное производство
водство
водство
Сжигание кислорода и обОчень высоВысокое
Нет
разование
кое
примесей
Энергоемкость
44
142
0.54
[Мдж/кг]
Затраты
на
производство
18
232
12.36
[Мдж/кг]
Полезная ра6.6
21.3
0.432
бота [Мдж/кг]
Вес
емкости
для 1 кг энер0.1
20
1
гоносителя
[кг]
Вес общий для
1 кг энергоно1.1
21
1
сителя [кг]
Дальность перемещения 1
кг энергоноси6000
1010
432
теля в баке
[км]
Условная цена
за 1 км. пути
3
231
29
[кДж]
Таблица 2
154
Азот (жидкий)
Неогранич.
Безопасное
Отработанная
технология
Безвредное
Безвредная
Менее 3 % в сутки
Менее 3 % в сутки
Освоено промышленное производство
Нет
0.77
1.6
0.42
0.2
1.2
350
4.57
Наименование
Бензин
Водород
(газ)
Аккумулятор
(Литий-ион)
Азот
(жидкий)
Вес груза с
1000
1000
1000
1000
«тарой»
Дальность
6.6
21.3
0.432
0.42
[км]
Условная цена
2721
10890
28600
3810
[кДж/км]
Основной задачей проекта является создание двигательной установки на базе экономичного криогенного двигателя и на его основе транспортного средства без вредных выбросов в окружающую среду.
Поставленная задача достигается тем, что в двигателе реализуется бинарный термодинамический цикл, состоящий из открытого цикла Ренкина и условно замкнутого цикла Стирлинга. В цикле Ренкина жидкий азот сжимается насосом, испаряется, нагревается до температуры окружающей среды и расширяется до давления окружающей среды, совершая полезную работу. Особенность разрабатываемого двигателя заключается в том, что нагрев и испарение жидкого азота происходит за счёт тепла, отводимого из цикла Стирлинга после получения в нём полезной работы. В цикле Стирлинга после отвода тепла на нагрев и испарение
жидкого азота рабочее тело сжимается, нагревается до температуры окружающей среда и
расширяется с получением полезной работы. Если рабочее тело в цикле Стирлинга сжимать
изотермически, выделяющееся тепло также можно использовать для нагрева и испарения
жидкого азота. Расчёты показывают, что предлагаемая схема позволяет существенно уменьшить удельный расход хладоагента и обеспечивает конкурентоспособность транспортного
средства на его базе.
Рисунок 1 – Поршневая криогенная энергоустановка У-2
155
Рисунок 2 – Поршневая криогенная энергоустановка КУ-2
Рисунок 3 – Газотурбинная криогенная энергоустановка ПМ (рабочая часть)
156
Рисунок 4 – Газотурбинная криогенная энергоустановка ПМ (общий вид)
Рисунок 5 – Элементы конструкции
157
Рисунок 6 – Блок охлаждаемый компрессор - машина расширения
Нами были разработаны, изготовлены и испытаны поршневые установки различного
вида (рисунки 1, 2) подобные, рассмотренной выше, а также газотурбинная установка (рисунки 3, 4), которые показали свою работоспособность и подтвердили возможность создания
экспериментального двигателя и на его основе двухместного транспортного средства с дальностью хода на одной заправке 40-50 км. при средней скорости 40-45 км/час. По нашему
мнению такая машина может быть использована в качестве индивидуального транспортного
средства, например, в системе общественного городского транспорта.
Преимущества такой машины по сравнению с другими возможными вариантами следующие:
1. Дальность хода на одной заправке достаточна для обслуживания пассажиров в масштабе небольшого горда либо района, где экологические проблемы наиболее актуальны.
2. Дозаправка хладагентом не отличается по скорости и безопасности от обычной, причём заправочные ёмкости можно размещать на существующих заправках.
3. Получение жидкого азота и его длительное хранение – решённая техническая проблема. Азот получают в огромных количествах в химической промышленности, а в металлургии он является отходом производства при получении кислорода из атмосферы.
4. Энергозатраты на получение одного килограмма жидкого азота составляют на сегодня
0.5 квт.часа/кг. Так как хранение жидкого азота весьма экономично (потери - 2-3% в
сутки) он может заготавливаться впрок, например в ночное время, когда стоимость
электроэнергии минимальна.
5. Полное отсутствие проблем, связанных с утилизацией энергоносителя, так как. он является неотъемлемой частью атмосферы. Выхлоп такой машины после смешивания с
окружающим воздухом не просто безопасный, но более чистый, так как при получении хладагента производится очистка газа от пыли и вредных примесей. В процессе
получения жидкого азота отделяется влага, находящаяся в атмосфере, которая также
может быть использована. Проблема пресной воды в ряде районов очень актуальна.
158
6. Стоимость двигательной установки, работающей на этом принципе по нашим оценкам, мало отличается от стоимости обычного бензинового двигателя, так как энергонапряжённость её меньше, давления и температура также существенно ниже, конструкция проще. Вес и габариты примерно одинаковы. Относительно большой бак для
хранения хладагента компенсируется отсутствием системы охлаждения двигателя,
системы смазки, трансмиссии. По сравнению с электромобилем в нём нет батареи головной боли всех создателей и энтузиастов электропривода. Из-за специфики электропривода неизбежна высокая стоимость созданных моделей электромобилей.
На основании выше изложенного можно констатировать:
• актуальность разработки альтернативных энергетических установок, работающих на
различных типах экологически чистых продуктов, являются общепризнанной;
• большие финансовые ресурсы направляются на разработку топливных элементов
прямого преобразования химической энергии в электрическую;
• альтернативой этому направлению выступают технические решения, основанные на
замене процессов горения и вообще химического взаимодействия горючего с кислородом воздуха, на процессы поглощения тепла окружающей среды и использования
этого тепла для получения полезной работы с помощью криогенной жидкости;
• не смотря на достаточно большие расходы криогенных жидкостей, экологические
свойства этих жидкостей, технологические, финансовые достоинства, широкое распространение в природе, безопасность при эксплуатации делают применение этих
жидкостей перспективными, а проведение научно-исследовательских и опытноконструкторских работ своевременными.
Литература
1. Водород, свойства, получение, хранение, транспортирование, применение. Москва, «Химия», 1989.
2. Хрусталев Д.А. Аккумуляторы. Москва, Изумруд, 2003г.
3. Кудрявцев И.Н., Пятак А.И. и др. Эффективное использование пневмодвигателя в автомобиле. «Альтернативная энергетика и экология» АЭЭ № 2 (22) 2005 г.
159