Юный техник, 2004 № 04 - Журнал «Юный техник»

ГОРИЗОНТЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ

Пар, газ и пламя

Недавно в нашей стране произошло событие, которое мало кто заметил, кроме энергетиков: на столичной ТЭЦ-28 заработал новый комбинированный агрегат для получения тепла и электричества. Вот что рассказал по этому поводу директор ТЭЦ Сергей Илларионович ПИЩИКОВ.

Про кочегаров на паровозах и пароходах не случайно говорили, что «они отапливают атмосферу». Это действительно так. Топливо, горящее в топке, обогревало паровой котел или трубки паронагревателя, а затем дымовые газы прямым ходом улетали в трубу, обогревая (и загрязняя) окружающий воздух. А нагретый пар устремлялся в цилиндры паровой машины, толкал их во время рабочего хода и опять-таки вырывался затем в атмосферу. В итоге коэффициент полезного действия того же паровоза не превышал 3–4 %.

Дело пошло лучше, когда паровую машину заменили паровой турбиной. Здесь уже пар толкал не один-два поршня, а вращал многочисленные лопатки, и КПД в некоторых случаях повысился до 25–30 %. Но инженеры и этим были недовольны. Ведь при работе турбинной установки пар, пройдя через лопатки, опять-таки безвозвратно уносился в атмосферу. К тому же при этом терялось большое количество пресной воды.

Суть дела не так уж сильно изменилась, когда вместо чисто паровых турбин энергетики стали использовать газовые, весьма похожие по принципу своего действия на турбореактивные двигатели, используемые в авиации. Там поток воздуха загоняется вентилятором в камеру сгорания. При впрыске топлива происходит взрыв топливно-воздушной смеси, и горячие газы устремляются в сопло, по пути раскручивая газовую турбину, сидящую на одном валу с вентилятором.

При многих своих достоинствах такие силовые установки обладают одним существенным недостатком. Авиаторам прежде всего нужны двигатели легкие и мощные, а энергетикам подавай еще и экономичные.

И вот для экономии воды на Научно-производственном предприятии «Машпроект» была разработана оригинальная технология «Водолей». Суть ее вот в чем. В засасываемом в рабочий тракт турбины воздухе обязательно есть и примесь воды. Раньше она превращалась в пар и уносилась прочь вместе с выхлопными газами. Теперь же выходящие газы попадают в теплообменник котла-утилизатора, где не только подогревается вода для основного котла, но и собирается выделяющийся конденсат для повторного использования.

В конденсаторе, установленном на выхлопном патрубке котла-утилизатора, происходит охлаждение выхлопных газов до температуры ниже точки росы водяного пара и сбор конденсата. Собранная вода поступает в бак-накопитель, очищается от примесей и снова попадается в котел-утилизатор.

Таким образом удалось не только повысить КПД установки почти до 40 %, но и сэкономить немалое количество чистой пресной воды, которая во многих регионах страны уже сама по себе становится драгоценностью.

Следующий шаг — повторное использование не только воды, но и тепла. Наши конструкторы разработали комбинированные парогазотурбинные установки, которые вырабатывают электроэнергию с наибольшей эффективностью.

Дело в том, что в данном случае тепло выхлопных газов, выходящих из турбины, не выбрасывается напрямую в атмосферу, как это было ранее, а подается, как уже говорилось, в теплообменник котла-утилизатора. Там это тепло нагревает сэкономленную воду до состояния пара. Пар вращает еще одну турбину, а та — свой собственный электрогенератор. Таким образом, в одном цикле используются две турбины и два генератора, что позволяет повысить суммарный КПД примерно до 45–52 %. Кроме того, пар, отработав свое и превратившись в горячую воду, дополнительно еще используется для поставки тепла в квартиры, теплицы, производственные помещения.

Именно такую парогазовую установку и начали испытывать на ТЭЦ-28. И казалось бы, энергетики должны быть всем довольны. Но аппетит, как говорится, приходит во время еды. Новую установку спроектировали и построили на московской фирме «Салют». А это предприятие, как известно специалистам, в первую очередь занимается проблемами авиационных турбин.

А в авиации сейчас, похоже, намечается новый прорыв. На смену ставшим уже традиционными турбореактивным установкам должны прийти двигатели нового поколения. Специалисты называют их детонационными.

Впервые о таких двигателях заговорили еще в первой половине XX века. Внимательный читатель, быть может, заметил, что двигатель космического корабля, на котором отправились на Марс инженер Лось и красноармеец Гусев — герои фантастического романа А.Н. Толстого «Аэлита», — был как раз детонационным.

На практике же его впервые использовали немецкие конструкторы, создавшие в годы Второй мировой войны самолет-снаряд «Фау-1». Затем двигатель неоднократно пытались усовершенствовать. И вот в течение последних 10 лет новая многообещающая двигательная установка, которая намного проще, чем современные турбовентиляторные двигатели, и которая способна обеспечить разгон летательного аппарата до скоростей, в 4 раза превышающих скорость звука, исследуется в лабораториях России, США, Японии, Франции…

Сама по себе концепция детонационно-пульсирующего двигателя обманчиво проста. Коротко говоря, существует два вида сгорания: старое, известное, медленное горение, называемое «дефлаграцией», и намного более энергичный процесс, называемый «детонацией».

Представьте трубу, закрытую с одного конца и наполненную смесью топлива и воздуха. Искра зажигает топливо в области, близкой к закрытой части трубы, и реакция горения распространяется вдоль трубы. При дефлаграции, даже в варианте «быстрого пламени», как обычно называют взрыв, реакция в лучшем случае распространяется со скоростью десятков метров в секунду. А при детонации волна сверхзвукового скачка проскочит трубу со скоростью, измеряемой тысячами метров в секунду, пятикратно превышающей скорость звука! При этом она сжимает и зажигает смесь топлива и воздуха почти мгновенно в узкой зоне высокого давления, где происходит выделение тепла.

Однако, чтобы такая схема работала, необходимо точно координировать подачу топлива, воздуха и момент зажигания для того, чтобы осуществить «переход от дефлаграции к детонации».

Причем один цикл детонации — это только начало, поскольку, хотя он и генерирует большую тягу для сжигаемой порции топлива, чем процесс дефлаграции, сама по себе порция топлива очень мала. Для того чтобы заставить двигатель работать непрерывно, необходимы десятки циклов детонаций в секунду, нужна детонационная волна.

Над ее созданием, укрощением и бьются сейчас двигателисты. А энергетики за ними внимательно наблюдают. Ведь им также нужны мощные, экономичные и надежные силовые установки. И если сейчас отработавшие свой ресурс в небе или специально спроектированные газовые турбины исправно перекачивают природный газ по трубопроводам, служат на ТЭЦ, то завтра, быть может, им на смену придут силовые установки нового поколения, где по-новому будет поставлен уже сам процесс сгорания топлива.

Рассказ записал Владимир БЕЛОВ

РАССКАЖИТЕ, ОЧЕНЬ ИНТЕРЕСНО…

Большие маневры

Наверное, не только мне интересно знать: почему для запусков космических кораблей, в особенности межпланетных зондов, так скрупулезно выбирают время старта? Из каких соображений космические баллистики выбирают ту или иную траекторию движения межпланетного зонда?

Владимир Панкратов,

Санкт-Петербург

Схема полета космического корабля «Аполлон» к Луне и обратно.

Цифрами обозначено: 1 — старт с космодрома; 2 — выход на орбиту ИСЗ; 3 — второй старт; 4 — перестроение отсеков; 5 — отделение последней ступени; 6 — торможение; 7 — переход на селеноцентрическую орбиту; 8 — отделение лунной кабины; 9 — торможение; 10 — посадка; 11 — старт с Луны; 12 — сбрасывание взлетной ступени; 13 — отстыковка взлетной ступени с основным блоком; 14 — переход на траекторию полета к Земле; 15 — разделение; 16 — вход в атмосферу; 17 — приводнение.

Помните, в знаменитом романе герои Жюля Верна строят громадную пушку и выстреливают из нее снаряд с людьми в сторону Луны?.. Критики говорили в свое время, что в таком снаряде путешественники погибли бы от перегрузок еще при выстреле.

Эта проблема, между прочим, решается относительно просто, если вместо пороха в пушке использовать электромагнитный ускоритель, постепенно разгоняющий снаряд, словно сердечник в катушке электромагнита. А тот факт, что путешественники не попали на Луну, поскольку прицел оказался неточным, почему-то привлекает меньше внимания. Между тем, для специалистов выбор траектории космического аппарата — задача из задач.