Цихисели В.Г., кандидат технических наук, доцент
Военный инженерно-космический университет им. А.Ф. Можайского, г. Санкт - Петербург
Tsikhiseli V.G., Ph.D., Professor Assistant
A.F. Mozhaisky Military Engineering Space University, St.Petersburg
ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ И НА ТРАНСПОРТЕ КРИОИСПОЛЬЗУЮЩИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ Justification for the Efficient Use of Cryoapplying Energy Transducers in the Industry and Transport
Современный топливно-энергетический кризис, поразивший многие страны и продолжающий своё развитие, вызывает потребность поиска новых, альтернативных источников энергии. При этом предлагаемые технические решения энергопреобразующих устройств должна отличать высокая экологическая безопасность, поскольку загрязнение окружающей среды достигло в настоящее время огромных масштабов. В особой мере это относится к мегаполисам и крупным промышленным центрам. Заметим, что к числу вредных факторов относится не только выброс в окружающую среду вредных продуктов, но и собственное тепловыделение преобразователя энергии, причём, тем более интенсивное, чем меньшей энергетической эффективностью отличается его рабочий процесс. Стало быть, проблема получения энергии для обеспечения потребностей промышленности и транспорта неразрывно связана с проблемой минимизации их собственного тепловыделения.
В качестве первичных источников энергии многоцелевых энергопреобразующих устройств могут использоваться любые из известных, первыми из которых назовем тепловые. Такими источниками могут быть, прежде всего, традиционно применяемые (ядерный, химический, солнечный, утилизационный и др.). Первичным источником преобразуемой энергии может быть и источник механического рода. К подобным источникам могут быть отнесены сжатые газы и такие механические накопители энергии, как, например, маховик. Впрочем, говоря о сжатых газах, в данном случае их следует рассматривать не как источники энергии, а как источники эксергии. В отношении маховиков следует заметить, что, поскольку они являются прямыми источниками механической энергии, то преобразование энергии в них может быть и одноцелевым (в зависимости от назначения ЭПУ, генерирование либо холода, либо тепла высокого потенциала). К первичным источникам энергии следует отнести и химические источники электроэнергии.
Но известен еще один, поистине неисчерпаемый источник тепловой энергии - окружающая среда (ОС). И условия для использования внутренней энергии ОС можно создать, применяя искусственные низкотемпературные теплоприемники. Заметим, что потребности развития современной энергетики, прежде всего, автономной, обусловили особый интерес к исследованиям, направленным на совершенствование технических характеристик криоиспользующих преобразователей. Для реализации
рабочих процессов таких устройств необходим определенный запас холода (хладоресурс), которым обладает искусственный теплоприемник.
Используя известные данные, определим величины удельных масс некоторых источников энергии (эксергии), которы сведем в таблицу 1.
Таблица 1. Удельные массы некоторых источников энергии
Н а к о п и т е л ь Щд 104, кдж/кг
Аккумуляторы электроэнергии:
- свинцово-кислотные 100,0
- натрий-серные 15,4
- цт 2 20,8
Маховик (материал диска - сталь,
либо композит) 200,0
Сжатый воздух 5...500
Что касается такого низкотемпературного накопителя эксергии, как жидкий воздух, то для него соответствующий показатель будет составлять величину 13,610-4 кг/кДж (при температуре окружающей среды 300 К). Аналогичный показатель для нормального водорода составляет величину 0,9610-4 кг/кДж. Последние примеры наглядно иллюстрируют крупные возможности, появляющиеся при использовании в энергетике низкотемпературных теплоприемников криогенного диапазона температур.
Одним из важнейших показателей эффективности преобразования тепловой энергии в механическую является термический к.п.д. Значение этого показателя в существенной мере зависит от величины к.п.д. цикла Карно, реализуемого в диапазоне температур источника тепла и его приёмника. Величина к.п.д. цикла Карно представляет теоретический предел значения термического к.п.д. и определяется величинами температур, между которыми организован рабочий цикл. Традиционным путем увеличения значения к.п.д. цикла Карно является повышение температуры источника тепла. Но возможности её повышения ограничены, прежде всего, пределами жаропрочности и жаростойкости конструкционных материалов преобразователя. Другой путь увеличения значения к.п.д. цикла Карно состоит в снижении температуры приемника тепла. Простой анализ показывает, что на значение к.п.д. цикла Карно большее влияние оказывает величина температуры приемника тепла. Это легко проиллюстрировать наглядными и простыми примерами. Расчёты показывают, что при приемлемых, по условиям жаропрочности и жаростойкости, температурах высокотемпературного источника тепла, которые лежат в диапазоне (1000... 1200) К, значение к.п.д. цикла Карно
традиционного преобразователя не превышает 0,8. Более высокие значения к.п.д. достижимы только в т.н. криоиспользующем преобразователе. В этом энергопреобразующем устройстве теплоотвод осуществляется в теплоприёмник криогенного диапазона температур. При этом в рассматриваемом диапазоне температур значение к.п.д. цикла Карно достигает 0,997 (температура теплоприёмника Тп = 1К). Отметим, что, для достижения такой же величины к.п.д. цикла Карно традиционного преобразователя температура Ти должна составлять 90000 К. Таким образом, потенциальная энергетическая эффективность криоиспользующих преобразователей рекордно велика. В настоящее время такой способ резкого повышения энергетической эффективности энергопреобразующего устройства является единственным реально осуществимым.
Но этим не ограничиваются преимущества преобразователей нового класса перед традиционными. В силу того, что криогенное рабочее тело, используемое в качестве низкотемпературного теплоприёмника, является весьма ёмким аккумулятором тепла, за счёт его хладоресурса становится возможным воспринять теплопритоки как от оборудования, нужды которого в электроэнергии удовлетворяются, так и от самого преобразователя, которые, как мы показали, к тому же имеют сниженное значение по сравнению с традиционными случаями. Иными словами, появляется возможность создания за счёт термостатирования тех или иных объектов комфортные условия для обслуживающего персонала. Таким образом, применение в промышленности и на транспорте криоиспользующих преобразователей энергии позволяет решить с максимальной эффективностью двуединую задачу: энергоснабжение и термостатирование объекта.
Уникальные возможности криоиспользующих преобразователей энергии делают их незаменимыми на борту космических аппаратов, в особенности, при проведении работ, сопровождающихся повышенным энергопотреблением. Это обусловлено высочайшей энергетической эффективностью их рабочих процессов и сведением к минимуму проблем отвода тепла в космос.
К настоящему моменту проведены как теоретические, так и экспериментальные исследования рабочих процессов криоиспользующих преобразователей энергии. Результаты этих исследований подтвердили перспективность применения таких устройств как в промышленности и на транспорте, так и в условиях космического полёта.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.