Паровая машина на аммиаке
Аммиачно паровой двигатель
Касим
Я люблю самолеты!
В аммиачно паровом двигателе рабочим телом является аммиачный пар. Удельная теплота парообразования указанного рабочего тела в 539 раз меньше, чем у воды. Поэтому упрощается процесс утилизации тепла отработанного пара. А КПД аммиачно парового двигателя на 24 % выше, чем у традиционной паровой машины.
Аммиачно паровой процесс хорошо освоен в промышленности. Уже более 80 лет работают холодильники на аммиачных парах (бытовые холодильники выпускаются с 1928 г, именно этого типа, как наиболее простые). Но, как известно, в холодильниках процесс идет без преобразования тепловой энергии в механическую. В аммиачно паровом двигателе использован процесс, основанный на особенностях сжатия и расширения парообразного аммиака.
Аммиачно паровой двигатель имеет малый удельный вес, вместе с парообразователем не более 1,2 кг/л.с., т.е. такой же, как и у карбюраторных автомобильных моторов.
Удельный расход топлива у аммиачно парового двигателя ниже, чем у дизельного мотора и составляет всего 1,6 кг/л.с.
Аммиачно паровой двигатель может использоваться для транспортных средств, а так же как стационарный для привода электрогенераторов различной мощности.
«Снова пар?» — статью под таким названием «ТМ» опубликовала почти 30 лет назад. И вот, оказывается, тема эта не только не устарела, но даже приобрела еще большую актуальность.
— Как же, помню блистательную статью Германа Смирнова, — оживился мой собеседник. — Она и послужила затравкой, вызвавшей кристаллизацию собственной идеи.
И далее в разговоре с Юрием Васильевичем Макаровым, ныне кандидатом технических наук, старшим научным сотрудником МАИ и изобретателем с многолетним стажем, прояснилась вот какая история.
Почему, по вашему, паромобили, столь успешно конкурировавшие на заре века с электромобилями и автомобилями, бившие мировые рекорды скорости, затем были вынуждены сойди с арены? Правильно, они потребляли в 2-3 раза больше топлива, чем машины с двигателями внутреннего сгорания. Потому, кстати, и на железной дороге на смену паровозам пришли тепловозы и электровозы.
Эта известная со школьных лет истина ничуть не обескуражила изобретателя, решившего использовать паровую машину в. авиации! «Не забывайте, — напоминает Макаров, — самолет Можайского был оснащен именно ею.
Вложения
Касим
Я люблю самолеты!
ла. Но тут, похоже, уже подошли к технологическому пределу: применение закритического давления пара (240 — 250 атм.) с температурами свыше 500°С требует, помимо прочего, использования специальных сталей и сплавов, включая титановые. Что заметно удорожает саму установку. Оттого-то в последние десятилетия делается заметный акцент на второй путь — замену воды в паровых котлах на более подходящие жидкости.
А список их, таких жидкостей, достаточно обширен. Здесь и этиловый эфир, и хлороформ, и сернистый углерод, и аммиак. Иногда используют даже низкотемпературные расплавы на основе лития.
Макаров остановил свой выбор на аммиаке. «У него есть одна интересная особенность, — пояснил изобретатель. — Он легко растворяется в воде — о нашатырном спирте, видимо, все знают». И набросал график, из которого следовало, что, скажем, при нуле градусов в одном объеме воды растворяется аж 1176 объемов аммиака. С ростом температуры, правда, такая способность падает. Но это, как вы вскоре убедитесь, даже к лучшему.
Итак, каким же образом работает аммиачно-паровой двигатель? Взгляните на рис. 1. С помощью свечи зажигания воспламеняется горелка, топливо в которую поступает из бака. Причем, если используется жидкое горючее, скажем, мазут, его предварительно подкачивают ручным насосом (на схеме не показан). При использовании же сжижженного или сжатого природного газа, такая подкачка не требуется — он будет подаваться из бака избыточным давлением. Ну а в принципе на-греватель(парогенератор) может работать на любом топливе (угле, торфе, дровах или ядерном горючем) — для этого потребуется лишь соответствующая его доработка.
Перед запуском двигателя специальной заслонкой перекрывается прямой канал выхлопной трубы: горячие газы от горелки идут по колену трубопровода, который погружен в насыщенный водный раствор аммиака; он с помощью насоса подается из абсорбера в корпус парогенератора. Температура жидкости, понятное дело, начинает повышаться.При этом аммиак, содержащийся в ней, выделяется и через трубку заборника поступает в змеевик нагревателя, обогреваемый той же горелкой. Если в растворе, при подогреве его, аммиак имел температуру 45 — 50° С, то в змеевике — 650° С.
Рис. 2. Газотурбинный двигатель с ам-миачно-паровым циклом. Цифрами обозначены: 1 — парогенератор; 2 — насыщенный раствор аммиака; 3 — корпус парогенератора; 4 — газовая камера турбины; 5 — форсунка; 6 — воздухозаборник; 7 — сопло; 8 — змеевик; 9 — свеча зажигания; 10 — аккумулятор; 11 — заборный патрубок; 12 — ам-миакопровод; 13 — радиатор; 14 — ось пропеллера; 15 — пропеллер; 16 — золотник; 17— трубопровод; 18 — расши-
Этот перегретый пар устремляется через золотник в цилиндры, и двигатель начинает работать на холостых оборотах, приводя в действие вентилятор, который нагнетает воздух в нагреватель.
Температура воды в парогенераторе постепенно повышается до 90 — 95°С, что обеспечивает давление паров аммиака порядка 40 атм. Двигатель выходит на рабочий режим и далее автоматически поддерживает его. Этому в немалой степени способствует тепловой экран сферической формы и дополнительный зеркальный экран отставленный от него на некоторый воздушный промежуток. Кроме того, установленные датчики температуры воды и пара выдают периодические сигналы в систему автоматического управления, регулирующую тепловой режим. При перегреве сокращается подача топлива в горелку и приоткрывается створка прямого канала выхлопной трубы, сбрасывающей излишек тепла в атмосферу; при недостатке же тепла, наоборот, увеличивается подача топлива, а заслонка закрывается.
В общем, согласно расчетам Макарова, уже через 1,5 — 3 мин двигатель должен быть готов к работе при максимальной нагрузке.
Переохлажденный аммиак отбирает тепло у стенок расширителя и накапливается в абсорбере. Происходит типичный процесс, как, скажем, у абсорбционного холодильника типа
Естественно, при понижении температуры растворимость аммиака в воде резко возрастает. Поэтому поступающий из двигателя газ тут же поглощается жидкостью. По мере того, как беднеет аммиаком смесь в парогенераторе, часть его откачивается насосом из абсорбера в парогенератор. Цикл таким образом замыкается.
Проведенные Ю.В.Макаровым расчеты показывают, что такой двигатель обладает рядом преимуществ, по сравнению и с традиционной паровой машиной, и с двигателем внутреннего сгорания. При той же мощности, он компактнее на 40 — 60% имеет более высокий КПД ( порядка 43,5% экономический и около 85% механический), расходует меньше соляра, чем, скажем, дизель. Даже на моторном масле, которого новый двигатель требует значительно меньше обычного, можно получить многомиллионную экономию. И это в ценах еще 1978 г., когда Макаров «пробивал» свое изобретение. Ныне же.наверное, надо говорить о триллионах рублей, расходуемых понапрасну.
Итак, получено авторское свидетель-ство№ 1455114. Нуачто было дальше? Тут наша история приобретает настолько тривиальный характер, что даже рассказывать не хочется — тома переписки со всевозможными государственными, полугосударственными и частными оранизациями, фондами, институтами и предприятиями, в попытках если уж не внедрить, то хотя бы довести изобретение до испытаний. Но воз, как говорится, и ныне там.
В общем, ситуация вполне типичная для нашей страны. И о том, возможно,
ритель; 19 — корпус расширителя и абсорбера; 20 — термоизоляция; 21 — абсорбер; 22 — перегородка между расширителем и абсорбером; 23 — патрубки расширителя; 24,25 — трубопроводы; 26 — радиатор; 27 — насосы; 28 —
ТЕХНИКА-МОЛОДЕЖИ 6 ‘ 9 7
помпа;29 — топливный бак; 30 — топливопровод; 31 — система автоматического регулирования; 32,33 — датчики системы автоматического регулирования; 34 — клапан для восполнения аммиака при аварийной утечке.
Паровая машина на аммиаке
В детстве я бросил 2 мл ампулу аммиака (более известного в народе как нашатырный спирт) в чугунный котел древесноугольного отопления. Не побоюсь этого слова, 3:6нул0 так, что открылась чугунная крышка поддувала и самого котла, которая закрывалась на нехитрую защелку. Так же меня отбросило от котла, если точнее с корточек я упал, ну сами понимаете на что. После этого, подобные эксперименты повторять не хотелось и я про это забыл.
Недавно наткнулся на такой факт, что в 1 мл воды, растворяется 1050 мл аммиака при нормальных условиях. Что означает, что при кипячении, а это всего 40 градусов, растворенного в воде 1 мл водного раствора аммиака выделяется 1050 мл газа. Данные показатели превышают расширение газов при взрыве в бензиновом двигателе в несколько раз (на сколько точно я пока не уточнил из имеющихся источников), зато точно знаю, что 2 мл парообразного бензина не даст такого взрыва (опять же из практики) о котором я писал выше.
Стоимость аммиака достаточно не велика,может я не то посмотрел, но вот:
http://izhevsk.pulscen.ru/price/040414-ammiak
если считать, что его нужно в несколько раз меньше чем бензина, то значительное теоретическое уменьшение расхода на топливо получается.
Собственно о том, как заставить работать аммиак.
Аммиак хорошо растворяется в воде, вода в ацетоне, а ацетон в бензине.
Судя по всему даже 500 мл на 10 литров бензина должны значительно повысить давление в камерах сгорания.
Есть одно но при переходе от теории к практике. Температура кипения аммиака, что-то около 40 градусов. Не 3:6нет ли до того, как попадет в камеру сгорания.
Вообще сообщение о том, что аммиаковый двигатель работает 30% на бензине и 70% на аммиаке более чем понятно, сам аммиак горит при высоких температурах, либо при постоянном источнике огня ( http://umc.kirov.ru/materials/ahov/amiak.htm ), чтоб его разогреть собственно и нужен бензин, но даже при переходе из жидкого состояния в парообразное он значительно расширяется создавая работу.
Ну собственно обсудим 
Паровой ренессанс
Автор: Ольга Иоффе
Техсовет №10 (41) от 22 октября 2006, в рубрике: Энергетика
Мир возвращается к старому доброму пару. В процессе поиска новых видов энергии и попыток решения мировых экологических проблем выяснилось, что громоздкий, шумный, чумазый, неэффективный паровой привод еще не сказал своего последнего слова. Новые материалы и технологии позволяют создавать малогабаритные паровые машины, существенно повысить их КПД. Поиски идут в нескольких направлениях.
Экономика и экология
Самое актуальное – использовать паровой привод механизмов. К примеру, на предприятии котельная при изменении потребления сбрасывает неиспользованный пар в атмосферу. В то же время его можно применять для работы питательных насосов, вентиляторов, дымососов. Рассказывает Сергей Перминов, директор ООО «ЭЛТА» (Екатеринбург, (343) 3787868): «Использование паровой турбины малой мощности в качестве привода насоса, вентилятора или прямососа в котельной очень перспективно с точки зрения экономии электроэнергии. Если частотный привод искажает сеть, в ней появляется гармоническая составляющая, что приводит к потерям в электропотреблении, то паровой привод использует энергию «дармового» пара, которая обычно «вылетает в трубу». Утилизационная турбина направляет отработавший пар на технологические нужды и теплоснабжение.
Сегодняшний уровень наших конструкторских разработок и технологий позволяет изготовлять паровые турбины малых габаритов (ПТМ) под любые конкретные параметры эксплуатации. С экономической точки зрения замена частотного привода на паровой дает большой эффект: по нашим расчетам (с учетом расхода пара) – порядка 3840 коп. на кВт, не считая экономии на самом оборудовании (рис. 1). Именно поэтому, как только на предприятии начинают заниматься энергоаудитом, искать пути экономии ресурсов или возможности закрыть дефицит электроэнергии, усиливается интерес к паровой энергии.
Кроме того, учитывая состояние российского электрохозяйства, установка двух небольших паровых турбин в каждой котельной в качестве резервного привода сетевого насоса и генератора позволила бы избежать тяжелых последствий аварийных ситуаций».
Специалисты отмечают еще один существенный плюс паровой машины – экологический. На выходе парогенератора – обычный дым, остаточный пар, который можно использовать для сушки, систем ГВС и отопления, и зола, тоже пригодная как удобрение. Все как у обычной деревенской печи. В газогенераторной установке еще остаются т.н. подсмольные воды, фенолы, спирты, ацетоны и др. Кроме того, паровая техника по простоте обслуживания не сравнится ни с какой другой.
Мощь и скорость
В этом же направлении работает BMW: в новой разработке баварских инженеров используется принцип обычного парового двигателя для переработки горячих выхлопных газов в энергию. Это должно увеличить крутящий момент на 20 Нм, а мощность двигателя – на 1520% при такой же, а то и более высокой экономичности.
Группа английских энтузиастов «Британский паровой автомобильный вызов» строит болид «Вдохновение» (Inspiration), чтобы побить на нем рекорд скорости для автомобилей с паровым приводом. Для этого создан принципиально новый паровой двигатель, способный развивать мощность 225 кВт (300 л.с. на валу) при 12000 об/мин. Топливом для болида выбран сжиженный пропан. Четыре парогенератора будут поставлять паровой машине около 10 кг пара в минуту.
В России проблемами использования пара занимаются в Московском авиационном институте (МАИ). Здесь разработан паровой двигатель, в котором рабочее тело – аммиачный пар. КПД такого двигателя на 24% выше, чем у традиционной паровой машины (ПМ), удельный вес вместе с парообразователем – не более 1,2 кг/л.с., т.е. такой же, как и у карбюраторных автомобильных моторов, а удельный расход топлива всего 1,6 кг/л.с., что ниже, чем у дизельного мотора. Расчеты автора изобретения показывают, что по сравнению и с традиционной ПМ, и с ДВС, при той же мощности, он компактнее на 4060%, имеет более высокий КПД (порядка 43,5% экономический и около 85% механический), расходует меньше соляра, чем, скажем, дизель. Даже на моторном масле, которого новый двигатель требует значительно меньше обычного, можно получить многомиллионную экономию. Такой двигатель можно использовать не только для транспортных средств, а также как стационарный для привода электрогенераторов различной мощности.
ТехЭкспертиза
Владимир Казанцев, директор НПО «Инверсия» (Екатеринбург, (343) 2611431, www.inversiya.com):
– С развитием малого и среднего бизнеса растет спрос на источники пара небольшой мощности: закупать пар у крупных котельных – очень дорого. При этом потребитель платит не только за собственно пар, но и за невозврат конденсата, за утечки на дырявых паропроводах и т.д. Парогенераторы с небольшой производительностью от 5 кг пара до 2 т пара, давлением от 0,7 атм до 40 атм все больше используются в стройиндустрии, при выпуске пенополистирола, упаковочных изделий и материалов, в пищевой промышленности, при сушке пиломатериалов и т.д. У каждого заказчика свои особенности производства, и парогенератор должен иметь определенные характеристики (производительность, давление, вид топлива и т.д.). Наша компания, например, выпускает примерно 34 десятка модификаций.
Сегодня существенно растет интерес и к паровым электростанциям. Хотя все знают невысокий КПД паровоза, однако далеко не всегда этот показатель критичен. Например, в деревообработке скапливается очень много отходов, которые надо сжигать, в то же время там нужно и тепло для сушилок, и электроэнергия для пилорам. Паровая электростанция дает возможность, сжигая отходы в обычных паровых котлах с небольшим давлением и невысокой температурой, получать электроэнергию и тепло, причем существенно дешевле, чем от централизованной системы или автономной дизельной станции. Производство электроэнергии при помощи пара – стабильнее и дешевле. И, что особенно важно для лесной уральской глубинки, – не нужна высокая квалификация обслуживающего персонала.
В отличие от генераторных электростанций, у которых двигатель требует серьезного ремонта через годдва эксплуатации, паровые турбины работают десятилетиями. Конечно, на низких параметрах пара достичь высокого КПД машины невозможно, но часто это и не интересует наших заказчиков, т.к. используются отходы в качестве топлива. В настоящее время изготовлена паровая электростанция мощностью 5 кВт и разрабатывается на 30 кВт (в перспективе до 100 кВт).
Паровые турбины малой мощности
Самым эффективным и экономически оправданным на сегодняшний день можно назвать создание распределенной энергетической системы на базе уже существующих котельных путем перевода их в режим миниТЭЦ с использованием паротурбинных энергетических установок. Но вместе с тем данные установки могут найти широкое применение и в отдаленных поселках при создании станций, использующих местные виды топлив, вместо существующих дизельных электростанций (ДЭС). Дополнительные преимущества, такие как когенерация тепла, повышение надежности, отсутствие сетевых издержек, уже сейчас делают распределенную генерацию выгодной во многих применениях. Справедливая рыночная оценка всех преимуществ – ключевой фактор для определения перспективности таких проектов.
Технология комбинированного производства энергии и тепла с использованием противодавленческих паровых турбин зарекомендовала себя как наиболее эффективная с точки зрения энергосбережения. В таком комплексе пар на технологический процесс направляется через турбину, а работа, совершаемая в ней паром, используется для привода электрического генератора, насосов, вентиляторов и других устройств. Это позволяет значительно снизить затраты электроэнергии на привод устройств и повысить КПД использования пара. Самое существенное преимущество паротурбинного привода – высокий ресурс.
Первый в мире высокотемпературный топливный элемент, работающий на аммиаке, для судоходства
Ежегодно сотни миллионов тонн CO2 выбрасываются морским транспортом, нанося серьезный вред климату. В то время как ученые всего мира испытывают новые двигательные установки, способные заменить мазут на судах, исследователи университета Фраунгофера работают в рамках международного консорциума по разработке топливных элементов на основе аммиака.
При использовании аммиака в качестве топлива для судов с электрическими двигателями, он не уступает по экологичности водороду, но при этом проще и безопаснее в обращении.
Преимущества аммиака как топлива
В настоящее время водород находится в центре внимания в области устойчивой энергетики: существуют планы по использованию водорода в качестве топлива для автобусов, коммерческого транспорта и даже автомобилей. Однако Институт микроинженерии и микросистем IMM им. Фраунгофера в Майнце работает над еще одной перспективной возможностью. В рамках проекта ShipFC Институт Фраунгофера сотрудничает с 13 европейскими партнерами по консорциуму с целью разработки первого в мире топливного элемента на основе аммиака для судоходства. Исследователи Фраунгофера отвечают за разработку каталитического нейтрализатора, предотвращающего образование выбросов, которые могли бы нанести вред климату.
Морской транспорт является основным источником выбросов парниковых газов. Согласно информации, предоставленной Немецким агентством по охране окружающей среды (UBA), в настоящее время на долю морского транспорта в мировом океане приходится около 2,6 % выбросов CO2. В 2015 году было выброшено около 932 миллионов тонн CO2, и эта цифра увеличивается с каждым годом. Очевидно, что необходимы срочные контрмеры.
Проект ShipFC призван доказать, что новая безэмиссионная двигательная технология работает безопасно, надежно и бесперебойно даже на больших судах и в длительных плаваниях. Проект координируется норвежской организацией NCE Maritime Cleantech, целью которой является разработка экологически чистых технологий в морском секторе.
Процесс производства электроэнергии из аммиака функционирует аналогично электростанциям на основе водорода. Сначала аммиак (NH3) подается в реактор деления, где он разделяется на азот (N2) и водород (H2). 75 % газа состоит из водорода. Небольшое количество аммиака (NH3, 100 ppm) не преобразуется и остается в газовом потоке.
Во-вторых, азот и водород подаются в топливный элемент, в него вводится воздух, что позволяет водороду гореть и образовывать воду. При этом вырабатывается электрическая энергия. Однако водород не полностью преобразуется в топливном элементе. Около 12 % водорода и некоторое количество остаточного аммиака оставляют топливный элемент несгоревшим. Этот остаток затем подается в катализатор, разработанный компанией Fraunhofer IMM. Здесь поступает воздух, и остаток контактирует с гофрированной металлической фольгой, покрытой порошковым слоем каталитических частиц, содержащих платину. Это вызывает химическую реакцию. В конечном итоге, единственными конечными продуктами являются вода и азот. Оптимальный процесс реакции не приведет даже к образованию экологически вредных оксидов азота.
Команда IMM планирует закончить работу над первоначальным, небольшим прототипом к концу 2021 года, за которым последует прототип фактического размера к концу 2022 года.
Аммиак поставляется компанией YARA, партнером в консорциуме ShipFC. В настоящее время химическая компания производит треть аммиака, используемого во всем мире. В проекте ShipFC используется «зеленый» аммиак, то есть аммиак, получаемый из возобновляемых источников энергии.
Потенциал аммиака был также признан на политическом уровне: Европейский Союз выделил 10 миллионов евро на финансовую поддержку проекта ShipFC.опубликовано econet.ru по материалам techxplore.com/
Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ: