Технологии будущего 2: Наш новый фреоновый паровоз (11 фото)

Например, у каждого перед глазами при словах "Наш паровоз вперёд летит", скорее всего, встанет перед глазами вот такая картинка:

А теперь - гипотетически представьте себе, что вместо обычной для паровоза воды мы зальём в локомотив фреон и заставим его кипеть в котле и давить на поршни паровоза. Что поменяется на верхней картинке?
(подсказка: У паровоза пропадёт "дым из трубы". Который, не дым, а водяной пар. Который, на самом деле - сконденсировавшиеся в результате расширения водяного пара мельчайшие капельки жидкой воды.)

Фреон, в отличии от воды, при расширении в турбине или паровой машине, не конденсируется до состояния жидкости. Это его базовое термодинамическое отличие от воды, которое, как мы поймём ниже, позволяет проделывать с фреонами некоторые инженерные фокусы, которые невозможно проделать с водой.

Конденсация воды в поршневой паровой машине в конце цикла расширения пара, в принципе, безвредна. В конечном счёте, Steampunk даже как-то немыслим без весёлого паровозика, мчащегося куда-то в красивых клубах водяного пара (точнее - водяного конденсата, но это уже, я надеюсь, понятно всем читающим).

Внутри же вращающейся с высокой скоростью паровой турбины, конденсация водяного пара на последних ступенях не приводит ни к чему хорошему. Именно поэтому тепловые электростанции крайне неохотно любят опускать ниже 30% от их номинала - на таких режимах работы конденсация водяного пара на последних ступенях паровых турбин приводит вот к таким печальным последствиям:

Как видите, даже высококачественная сталь буквально "разъедается" водяным конденсатом - в реалиях работы современных паровых турбин мельчайшие капельки иногда врезаются в их лопасти на скоростях, близких к скорости звука.

С чем же связано уникальное качество фреона?
Тут нам надо будет немного погрузиться в термодинамику - я лишь постараюсь изложить все детали процессов максимально доступно для неподготовленного читателя. Если у кого-то в процессе изложения термодинамических приколов и закосов вдруг повиснут интеллектуальные паруса - можно сразу идти к выводам. Они - в конце статьи.

Любая тепловая машина работает в рамках какого-нибудь термодинамического цикла. Если мы говорим о "холостом ходе дизеля - 400 оборотов в минуту", то это означает, что наш дизельный мотор успевает за 1 минуту совершить 400 термодинамических циклов имени товарища Дизеля. Эти циклы Дизеля в нашем двигателе последовательно включают в себя фазу всасывания воздуха, фазу его сжатия, впрыск дизельного топлива, фазу рабочего хода и фазу удаления продуктов сгорания из цилиндров двигателя. При этом полезную работу двигатель Дизеля совершает только на фазе рабочего хода, а все остальные фазы необходимы только для обеспечения работы самого устройства.

При увеличении числа оборотов растёт число циклов Дизеля за единицу времени - и мы можем снимать с двигателя большую мощность, даже если в каждом из циклов мощность будет неизменной.

Предложил этот цикл для оценки тепловых машин в середине XIX века французский учёный Сади Карно. Цикл подразумевает, что расширение, сжатие, передача энергии рабочему телу и забор избыточной энергии от него идут максимально (в идеале - бесконечно) долго и без каких-либо дополнительных потерь на трение, уход энергии через стенки рабочего объёма и пр. Понятное дело, реализовать такой цикл в рамках реальной тепловой машины невозможно - и, в результате, по факту человечество использует quick and dirty ways в виде реальных термодинамических циклов, в той или иной степени являющихся суррогатами идеального цикла Карно.

Для удобства расчётов все термодинамические циклы рисуют в специальных координатах "температура-энтропия" (T-s), в которых их удобно анализировать и сравнивать между собой. Наш эталон, Carnot-old-vintage-style-cycle, красив и лаконичен:

Цикл Карно позволяет получить максимальный КПД тепловой машины при заданных температурах нагревателя и холодильника. Если кто-то хочет понять - почему, может самостоятельно изучить все изобретённые человечеством термодинамические циклы и сравнить их с задумкой Сади Карно. Для нашего, сугубо прикладного понимания, достаточно знать, что данный максимальный КПД определяется отношением площадей прямоугольников ABCD (это и есть полезная работа цикла) и ABs2s1 (это - общая энергия, затраченная на цикл). Из этого следует, что чем ближе реальный цикл к "прямоугольнику Карно", тем больший КПД мы можем ожидать от такого цикла. Полезная работа в цикле Карно, как и в цикле Дизеля осуществляется только на одном участке - на прямой BC. Кстати, задним числом, посмотрев на диаграмму цикла Дизеля в координатах T-s можно понять, почему мы так любим старика - его диаграмма пусть и не прямоугольник Карно, но очень старается им быть.

Поэтому, если мы хотим поднимать КПД тепловых машин (а мы помним, что КПД первичной энергии всё равно будет неизбежно падать и поэтому нам надо будет в будущем бороться за каждый процент КПД в последующем преобразовании первичной энергии), то из термодинамической математики у нас для этого есть всего три пути:

1. Повышать температуру нагревателя (увеличивать прямоугольник ABCD).
2. Понижать температуру охладителя (уменьшать прямоугольник CDs1s2 ).
3. Использовать более "прямоугольные" термодинамические циклы.

Классическое рабочее тело - вода, широко используемое сейчас в тепловых турбинах, имеет очень неприятную кривую в координатах T-s (температура-энтропия). Ниже, на рисунках всё видно наглядно, но я объясню всё "на пальцах".
Процесс расширения пара любого вещества - будь то воды или любого органического рабочего тела - пытаются сделать максимально изэнтропическим, то есть провести практически без механических или тепловых потерь. На диаграмме T-s этот процесс соответствует вертикальной прямой, а значит, наш цикл в этой части будет хорошо повторять "идеальный прямоугольник Карно". Изэнтропическому процессу соответствует идеальная адиабата - то есть процесс свободного расширения газа или пара. Вот пример реального цикла Ренкина, который используют сейчас в паровых турбинах. В отличии от цикла Дизеля, который привязан к каждому обороту двигателя внутреннего сгорания, циклы турбин непериодичны, то есть они показывают лишь усреднённое движение всего рабочего тела в цикле. Но для термодинамики это никакой роли не играет:

В реальной жизни и поршневые машины, и турбины изэнтропически газ и пар не расширяют, поэтому процесс получения полезной энергии из цикла происходит с потерями, и вертикальная прямая адиабатического расширения на графике немного отклоняется своим нижним концом в правую сторону.

Поскольку процесс адиабатического расширения идёт у пара и у газа с одновременной потерей и давления, и температуры - так устроен мир - то рано или поздно пар рабочего тела оказывается охлаждённым до температуры конденсации (пар из трубы паровоза). При этом прохождение "точки росы" (точка 4 на первом графике) означает, что дальнейшая работа паром производится не может, поскольку любое дальнейшее расширение пара будет только вызывать только его конденсацию. Избежать точки росы при работе на воде не получается - внутри "горбатой горы", которая дополнительно нарисована на диаграмме T-s для воды, вода охотно пребывает и в состоянии пара, и в состоянии жидкости.

Поэтому, в момент прохождения "точки росы" пар из рабочего механизма (турбины или цилиндра) - желательно удалить и использовать его дальше или в теплообменнике, или в конденсаторе, замкнув термодинамический цикл.

У воды в этот момент времени температура уже ниже точки кипения и поэтому напрямую использовать оставшееся в рабочем теле тепло для целей, отличных от отопления или поставки горячей воды населению, - невозможно.

Для увеличения КПД классического цикла Ренкина на воде приходится придумывать различные "фокусы" в дополнение к обычному расширению насыщенного пара - дополнительно перегревать пар, ставить второй перегрев пара после первой ступени расширителя, срабатывать пар не полностью и использовать часть тепла пара на "догрев" поступающей в цикл воды.

есть даже двойной перегрев пара с регенерацией

Такими "фо­ку­са­ми" некра­си­вую диа­грам­му цикла Рен­ки­на для воды пы­та­ют­ся хоть как-то "под­тя­нуть" по пло­ща­ди к иде­аль­но­му пря­мо­уголь­ни­ку цикла Карно. Но всё равно, на пря­мо­уголь­ник по­лу­ча­ет­ся не очень похоже...

А вот ор­га­ни­че­ские теп­ло­но­си­те­ли (фреоны и уг­ле­во­до­ро­ды) ока­зы­ва­ют­ся в этом от­но­ше­нии го­раз­до ин­те­рес­нее воды - их близ­кое к из­эн­тро­пи­че­ско­му рас­ши­ре­ние в порш­не­вой машине или тур­бине ведёт не в об­ласть на­сы­щен­но­го пара ("гор­ба­тая гора" на во­дя­ном гра­фи­ке T-s), а в об­ласть пара пе­ре­гре­то­го. Гора ока­зы­ва­ет­ся не просто "гор­ба­тая", но ещё и "пьяная":

Что такое пе­ре­гре­тый пар? Это пар, ко­то­рый, даже при самом жгучем своём же­ла­нии не может скон­ден­си­ро­вать­ся в жид­кость. Хотите пример? Сухой лёд. При ат­мо­сфер­ном дав­ле­нии дву­окись уг­ле­ро­да может быть или газом (пе­ре­гре­тым паром) или твёр­дым телом (сухим льдом). Все по­пыт­ки пе­ре­ве­сти её в жидкое со­сто­я­ние будут без­успеш­ны. Она этого не хочет. По­это­му, как ока­зы­ва­ет­ся уг­ле­во­до­род - это ещё мало того, что топ­ли­во, так ещё и очень хо­ро­шее ра­бо­чее тело для теп­ло­вой машины!

То есть, если, ис­поль­зо­вать цикл Рен­ки­на на фрео­нах (или уг­ле­во­до­ро­дах), то можно вообще не бес­по­ко­ить­ся о кон­ден­са­ции ра­бо­че­го тела в тур­би­нах. Более того - для того, чтобы за­мкнуть этот цикл, даже при­хо­дит­ся ис­кус­ствен­но от­би­рать тепло у фре­о­нов, строя теп­ло­об­мен­ник после рас­ши­ря­ю­ще­го устрой­ства - тур­би­ны или поршня.

В про­цес­се ре­ку­пе­ра­ции тепла и отборе его от пе­ре­гре­то­го пара пен­та­на про­ис­хо­дит "бес­плат­ное" ис­па­ре­ние сле­ду­ю­щей порции ра­бо­че­го тела, необ­хо­ди­мой для начала сле­ду­ю­ще­го ра­бо­че­го цикла, то есть тра­тить на это до­пол­ни­тель­ную и нема­лую энер­гию, как это про­ис­хо­дит в случае с водой, не при­хо­дит­ся.

По­это­му - для ор­га­ни­че­ско­го цикла Рен­ки­на лучше иметь хо­ро­ший теп­ло­об­мен­ник-ре­ку­пе­ра­тор, а рас­ши­ри­тель (тур­би­на, пор­шень) может быть и весьма сред­не­го ка­че­ства (а значит - может быть де­шё­вым и неболь­шим по раз­ме­ру) - лишь бы такой рас­ши­ри­тель не за­став­лял помпу качать уж слиш­ком много ра­бо­че­го тела.

При этом - по­сколь­ку теп­ло­об­мен­ник обычно не со­дер­жит дви­жу­щих­ся или вра­ща­ю­щих­ся частей - сде­лать его хорошо го­раз­до легче, чем порш­не­вую машину или тур­би­ну.

Таким об­ра­зом, в ка­че­стве вы­во­дов можно ска­зать сле­ду­ю­щее:

1. Фреоны, в силу низких тем­пе­ра­тур ки­пе­ния, могут прин­ци­пи­аль­но ра­бо­тать с го­раз­до более низ­ки­ми тем­пе­ра­ту­ра­ми на­гре­ва­те­лей (это очень важно!) и охла­ди­те­лей(это супер важно для России!).
2. Фреоны не со­зда­ют про­блем с кон­ден­са­ци­ей ра­бо­че­го тела внутри ра­бо­чих ор­га­нов теп­ло­вых машин.
3. Фреоны поз­во­ля­ют сде­лать теп­ло­вые машины де­шё­вы­ми, про­сты­ми и легко мас­шта­би­ру­е­мы­ми до неболь­ших раз­ме­ров.

За­кон­чив с тео­ри­ей, в сле­ду­ю­щем ма­те­ри­а­ле об­ра­тим­ся к прак­ти­ке. В ко­то­ром мы узнаем о сол­неч­ном Из­ра­и­ле, ту­ман­ной Аляске и 5 атом­ных энер­го­бло­ках ком­па­нии "Га­з­пром".