Category: техника

Category was added automatically. Read all entries about "техника".

Добро пожаловать и немного о журнале

В этом журнале размещаются только (почти только) статьи, интервью и прочие материалы по теме малой энергетики, экологии, безопасности инфраструктуры, перспективным проблемам квалифицированного терроризма, изменениям климата и прочим вещам, далёким от нашей повседневной жизни, интересным и касающимся лишь специалистов.

Учитывая, что указанные тематики сродственны, в каждой отдельной статье затрагивается ряд из них. Например, что делать с проблемой выхода из строя газопроводов по причине непрерывного смещения границы вечной мерзлоты, как жить в Москве, если любители коротких штанов и помещающейся в кулак бороды начнут запускать дроны, рассеивающие в засуху пирофорные элементы над лесами и торфяниками, а зимой – замыкать Московское энергетическое кольцо?
Что делать, что бы в доме были свет и тепло, когда сила ураганного ветра в московском регионе достигает значений, на которые не рассчитаны опоры даже новых высоковольтных ЛЭП. И правда ли, что зима будет теплой, а на пальмах в Новосибирске начнут цвести ананасы т.к. идёт глобальное потепление, а не глобальная оттепель при очередном ледниковом периоде.
Почему plug-in hybrid, солнечные батареи на крыше и наличие колодца могут стать средством выживания читателя в грядущем. И можно ли будет жить в городе, где неустранимые уязвимости систем вентиляции и водоснабжения потребуют для кардинальной модернизации до 8-ми доходных частей бюджета России целиком.
Для чего в многоэтажном доме (МКД) может потребоваться буржуйка, подключённая к системе отопления всего дома, где можно будет сжигать мебель, паркет, ТБО и деревья с округи. И при каких обстоятельствах от наличия такого водогрейного котла на твёрдом топливе будет завесить жизнь обитателей дома. И почему, если такой водогрейный котёл будет вырабатывать немного электроэнергии, нужной для работы его автоматики и систем циркуляции теплоносителя, это позволит снизить смертность в МКД, оставшихся без света, тепла и газоснабжения в самую холодную пятидневку.
Что делать, когда блэкаут (каскадная авария в электросетях) произошёл холодным вечером, метро замерло, пробки из трамваев троллейбусов и личных машин засыпало снегом, до вокзала не доехать, а электрички на дачу встали. Да и скорая, полиция, службы охраны перестали реагировать на звонки. В сети ток напряжением 0 Вольт с частотой 0 Гц, надёжная дверь с электромагнитным замком открылась и в квартиру скребутся трудолюбивые гастарбайтеры в поисках хозяев той новой и дорогой Camry, у которых в баре стоят бутылки с харамом и точно есть чем поживиться на дозу.
Также затронем тематику реконструкции МКД, а не их сноса под видом реновации и как это связано с майнингом биткойнов и риском того, что будет подорвана продовольственная безопасность путём точечного заражения террористами, например, 0,001% посевов сильнодействующими ядам, когда остальные 99,999% сельхозпродукции будет хоть и безопасно но страшно есть.
И рассмотрим вопросы повышения энерогэффективности и экологичности, создания дружественной окружающей среды, устойчивого развития и решений в стиле win-win, что бы всё указанное выше реализовалось от слова никогда, благодаря работе эффективныйх менеджеров и мудрому руководству нашими невороватыми рабами с галер.

Все публикуемые материалы написаны только автором, его коллегами или являются их интервью, докладами и т.п.
Автор будет рад любой критике, замечаниям и т.п. Наиболее желательна критика с указанием замеченных ошибок и с приведением доводов. Всегда буду рад развернуто на неё ответить и учесть в работе, ежели критика конструктивна. Неконструктивной критике также рад – она повышает рейтинг и всякие там хирши с уDOIями :) Ещё можете похвалить, если материал понравился, но это не очень требуется.
Если у читателя возникнет продолжение по новому направлению, не затронутому в исследованиях, всегда буду рад обсудить тему, а равно рассмотреть возможность внедрения разработанных технических и организационных мероприятий по снижению риска потенциальной гибели населения в ЧС, защите производств от инфраструктурных рисков и прочих оскалов будущего, рассмотренных в материалах.

Заглянувшие сюда могут прочитать и фельетон биографии автора странички.

Желаете зафрендить милости прошу. В друзья взаимно добавляю. Если добавили, то лучше отпишитесь в этом посте, что бы не сложилась ситуация, что случайно пропустил сообщение о добавлении в друзья.

P.S. Некоторые более свежие материалы, не выложенные в ЖЖ, доступны на сайте "Academia.edu".

P.P.S. Все остальные темы могут обсуждаться в песочнице, например в Facebook, Twitter, Linkedin и в прочих сетях, куда теперь практически не заглядываю:

[Ссылки]
Зеркало журнала по адресу: http://lj.rossia.org/users/samo_de1kin/

В ответ на новую политику "ЖЖ" настоящим я объявляю, что все мои персональные данные, фотографии, рисунки, переписка и так далее, являются объектами моего авторского права (согласно Бернской Конвенции). ДЛЯ КОММЕРЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ всех вышеупомянутых объектов авторского права в каждом конкретном случае необходимо мое письменное разрешение. Если использование некоммерческое, то допустимо копирование материалов при наличии ссылки на источник или активной ссылки в электронном материале.

Цикл теплового двигателя для использования нестандартных и агрессивных видов топлив

Цикл теплового двигателя
для использования нестандартных и агрессивных видов топлив


В.В. Велицко

Статья опубликована в сборнике материалов III конференции "ТРИЗ. Практика применения методических инструментов", Москва, 2011 г.

Введение
Для обеспечения потребностей энергетики в энергоносителях используется практически весь спектр доступных органических горючих. Наибольшее распространение получили стандартизированные жидкие и газообразные горючие, например вырабатываемые из ископаемых нефти и природного газа.
Примечание.
Здесь используется именно термин горючее, а не простонародное и привычное – топливо, т.к. топливо является смесью горючего с окислителем или иным отдельным веществом например – унитарным топливом. При этом топливо, после необходимой инициации способно к поддержанию процесса экзотермического разложения, тогда как горючее к этому не способно.

Ископаемые нефть и природный газ, как биологического, как и абиогенного происхождения, а также каустобиолиты (ископаемые природные горючие биологического происхождения), в ходе выработки из них стандартизированных горючих, проходят ряд стадий очистки и переработки, в ходе которых вырабатываются природный газ, т.е. газ, применяемый нами в промышленности и в быту, бензины, дизельное топливо, реактивное топливо, мазут, печное топливо и т.д. Далее назовём эти виды горючих стандартизированными текучими горючими.[Читать далее:]
Однако не все виды органического сырья рационально перерабатывать в стандартизированные текучие горючие, например, в них не всегда рационально перерабатывать малые количества попутного нефтяного газа (ПНГ), особенно с высоким содержанием различных вредных примесей. Также, обычно, не рационально перерабатывать в них и различные каустобиолиты, например, такие как уголь, сланцы, торф и свежую биомассу, например древесину.
Потребность в переработке загрязнённых и твердых горючих в стандартизированные текучие горючие связана с тем, что их применение затруднено в двигателях внутреннего сгорания (ДВС), например в таких как поршневые ДВС (ПДВС) и в ДВС, являющихся газотурбинными установками (ГТУ). Хотя ещё Р. Дизель рассматривал возможность работы своего двигателя на угольной пыли, но, к настоящему времени, на угле работают исключительно ГТУ с внутрицикловой газификацией, где происходит сжигание твёрдого топлива в камере сгорания, фильтрация продуктов сгорания от мехпримесей и подача подготовленных продуктов сгорания в газовую турбину, где они производят совершение полезной работы.
Недостаток внутрицикловой газификации и прямого сжигания грязных горючих в ДВС заключается в негативном воздействии загрязнённых продуктов сгорания при высоких давлениях и температуре на ДВС, что приводит к его быстрому выходу из строя. В этой связи указанные виды горючих, преимущественно, сжигаются в паросиловом цикле, например в цикле Ренкина, например – в цикле Ренкина с органическим теплоносителем (Organic Rankine Cycle – ORC), что позволяет минимизировать их вредное воздействие на установку, т.к. равномерное сгорание горючего происходит при невысоких давлениях в топке (практически при атмосферном давлении), что также минимизирует количество выбросов во внешнюю среду, в частности – снижаются выбросы оксидов азота (NOx) и углеводородных продуктов неполного сгорания (CnHm).
Однако сжигание некондиционных топлив в паросиловом цикле не рационально, т.к. производится не прямое использование энергии топлива для совершения работы, а передача её посреднику, например воде или низкокипящей жидкости для совершения механической работы. Учитывая, что паросиловая установка, работающая по замкнутому циклу наиболее эффективна при подаче в нагреватель не насыщенного пара, а конденсата, т.к. в данном случае минимизируется работа на сжатие рабочего тела, то в любой паросиловой установке в той или иной мере производится потеря энергии, идущей на парообразование энергоносителя. Также при этом теряется часть мощности самой установки, идущей на передачу указанного тепла во внешнюю среду, что ухудшает общий тепловой КПД-нетто всей системы.
Также любая паротурбинная установка (ПТУ) имеет более сложную конструкцию в сравнении с ДВС, например с ГТУ, работающей по циклу Брайтона, за счёт наличия конденсатора и, например, градирни.
Ниже приведены принципиальные схемы ДВС являющегося ГТУ, работающей по циклу Брайтона, а также двигателя наружного (внешнего) сгорания (ДНС) являющегося ПТУ, работающей по циклу Ранкина.
Примечание
Различие ДВС и ДНС заключается в том, что в первом, в результате сгорание топлива происходит выработка рабочего тела, совершающего работу в ТД, тогда как в ДНС тепло, например при сжигании топлива, подводится к отдельному рабочему телу, совершающему работу в двигателе.

ГТУ, работающая по циклу Брайтона (см. Рис. 1) содержит в своем составе Компрессор (К), расширитель, например – Турбину (Т), Камеру сгорания (КС) и Рекуперативный теплообменник (РТО). Здесь, в качестве части двигателя, в которой совершается работа, принята более привычная турбина, хотя работа может производиться в любой известной из уровня техники расширительной машине, например – в объёмной расширительной машине, например – в поршневом детандере.

1

Рис. 1

Окислитель (О), например воздух, поступает в компрессор, где производится его сжатие до давления несколько большего, чем необходимое давление Продуктов сгорания (ПС) в расширителе. Сжатый воздух после компрессора поступает в РТО, где производится его подогрев отходящими газами (ОГ), совершившими в Турбине полезную работу.
Подогретый воздух из РТО поступает в КС, куда также производится впрыск Горючего (Г), в результате чего образуются Продукты сгорания (ПС), подаваемые в Турбину. ПС в Турбине совершают работу, которая делится на работу по приводу Компрессора, а также по приводу Нагрузки (Н), например – электрогенератора.
ПТУ, работающая по циклу Ренкина (см. Рис. 2) содержит питательный Насос (Н), Турбину (Т), Котёл (К) и Систему охлаждения (СО), включающую в себя, например, конденсатор и градирню.

2

Рис. 2

Рабочее тело (РТ), например вода, Насосом подаётся в Котёл, в котором происходит его нагрев продуктами сгорания Горючего в Окислителе. В ходе нагрева РТ испаряется и перегревается, после чего подаётся в Турбину, где совершает полезную работу по приводу Нагрузки, а также по приводу Насоса.
Отработавшее РТ поступает в СО, где от него отводится тепло во внешнюю среду. На выходе из Системы охлаждения РТ находится в жидком агрегатном состоянии, после чего поступает на всас питательного Насоса.
Задача
Создать на базе существующих промышленных компонентов экономичный и мощный тепловой двигатель (ТД), не требующий применения специализированного РТ, а также не требующий системы охлаждения для РТ. При этом указанных двигатель должен быть многотопливным и, в том числе, работать на нестандартных и агрессивных видах топлив, не требуя их обязательной очистки и подготовки.
При этом применение ПТУ без СО крайне нежелательно, т.к. будет происходить потеря большого количества подготовленного РТ, которое просто придётся сбрасывать во внешнюю среду.
Примечание.
Здесь, в качестве предпочтительных, рассматриваются исключительно варианты создания ТД на полностью стандартных компонентах, таких как компрессор, турбина, теплообменники и т.д. Полностью исключены из рассмотрения любые варианты оборудования, требующие провидения большого объёма НИР и ОКР.
Допускается применение модифицированных стандартных изделий, таких как компрессоры, турбины и т.д., т.е. приспособленных для работы на иных средах, с иными производительностями или давлениями, что не требует изменения технологической цепочки производства или применения иных конструкционных материалов.
При этом ТД должен работать на любом некачественном топливе, не требуя его специальной подготовки или применения дополнительных присадок к топливу.

Техническое противоречие (ТП) №1
Известно, что в случае необходимости, в ПС может впрыскиваться вода. Вода в ПС приводит как к снижению температуры полученной смеси, так и к росту давления, что приводит как к снижению разрушения проточной части расширителя агрессивными компонентами ПС, так и к некоторому росту КПД ТД в целом. Описанный монарный цикл близок по своим параметрам к бинарному циклу, в котором отходящие ПС остаточным теплом нагревают жидкий теплоноситель, например воду. Однако внешняя простота монарного цикла имеет и негативный момент – безвозвратную потерю теплоносителя или же необходимость охлаждения значительного или всего объёма смеси отработавших ПС и воды с целью конденсации паров воды для возвращения её в рабочий цикл ТД. Полученное ТП (ТП №1) показано на Рис. 3. Здесь и далее, негативное воздействие изменяемого фактора на потребительскую характеристику показано стрелкой с прерывистой линией, а положительное воздействие – стрелкой со сплошной линией.

3

Рис. 3

Выберем для дальнейшего рассмотрения ТД, в котором РТ состоит из ПС не разбавленных дополнительным теплоносителем, например водой, что обеспечит минимальную себестоимость очистки ПС. Получаем, что в проточную часть расширителя должны поступать только загрязнённые ПС.
Усиление противоречия ТП №1: ТД с минимальными затратами на предварительную очистку ПС имеет минимальный ресурс.
Главное свойство ТП №1: в качестве главного свойства выбираем низкую себестоимость предварительной очистки ПС.
ТП №2
Рассмотренное ТП №1 является основанием к формулированию ТП №2 (см. Рис. 4). Учитывая, что экономичность ТД, в простейшем случае, обеспечивается высоким перепадом начальной и конечной температур, что следует из цикла Карно. При этом, что бы реализовать высокий температурный перепад требуется высокое соотношений давления перед турбиной к её противодавлению т.е. к давлению на выхлопе. Однако это не целесообразно, т.к. агрессивные ПС, с ростом температуры, будут более увеличат интенсивность разрушения расширительной части ТД, например турбины.

4

Рис. 4

В качестве приоритетного направления работы выберем, что ПС в проточной части расширителя ТД (см. рис. выше), имеют максимальные значения давления и температуры, например, обусловленные максимальной термодинамической эффективностью цикла ТД или характеристиками конструкционных материалов, применяемых в проточной части расширителя, входящего в состав ТД.
Усиление противоречия: ТД с максимально высокой экономичностью моментально разрушается агрессивными ПС.
Главное свойство: в качестве главного свойства выбираем топливную экономичность.
Оперативная зона: проточный (газовый) тракт расширителя (турбины). Здесь совместно находятся как зона главной полезной функции (ГПФ), так и зона негативного эффекта(ЗНЭ).
Оперативное время: время работы ТД, ГПФ и негативный эффект(НЭ) совершаются совместно в оперативное время.
Физическое противоречие (ФП) загрязнённое РТ должно не оказывать негативного воздействия на проточную часть расширителя ТД в процессе совершения работы.
Формулировка задачи: поручить одному из элементов системы (ТД + топливо) обеспечение исключения НЭ не вводя дополнительные компоненты с систему.
Анализ вещественно-полевых ресурсов (ВПР) показал, что с учётом заданных граничных условий по комплектующим нового ТД могут использоваться следующие ВПР, входящие в состав ГТУ и ПТУ:
1. Горючее (агрессивное);
2. Окислитель (не агрессивный);
3. Продукты сгорания (агрессивные);
4. Рабочее тело (которое должно быть не агрессивным);
5. Компрессор;
6. Расширитель (турбина);
7. Рекуперативный теплообменник;
8. Камера сгорания;
9. Котёл.
В ходе решения ФП был выделен ряд ВПР, наиболее эффективно решающих сформулированное ФП:

5

При использовании методов поиска решений было определено, что наиболее целесообразно разнести в пространстве ЗНЭ и ГПФ.
Решение

6

Рис. 5

Как показано на Рис. 5, компрессор сжимает воздух до необходимого давления, после чего производится его нагрев в котле. Нагретый воздух подаётся в расширитель(турбину), где производит работу по приводу компрессора и полезной нагрузки. Отработавший воздух подаётся в котёл, где происходит его сгорание в смеси с агрессивным горючим. В результате сжигания горючего образуются агрессивные ПС, нагревающие РТ, однако не приносящие вреда, т.к. они не смешиваются с РТ. Охлаждённые ПС сбрасываются во внешнюю среду.
Вторичные противоречия
В качестве ИКР для реализации выбирается ИКР №4.
Вторичные противоречия при данном ИКР:
1. Отсутствие котлов, изготавливаемых по технологии направленной кристаллизации, аналогичной технологии производства лопаток турбины.
2. Высокая стоимость котла, т.к. его придётся делать из материала, аналогичного па параметрам жаропрочности и жаростойкости ступеням турбины, что снизит экономическую эффективность ТД по жизненному циклу.
3. Недостаточные жаропрочность и жаростойкость материалов котлов с умеренной стоимостью.
Решение вторичных ТП:
По вторичным противоречиям № 1 и 2: будут использоваться параметры цикла ТД более низкие, чем параметры ГТУ, что хотя и снизит экономичность ТД, однако позволит его создать и экономически-эффективно эксплуатировать.
По вторичному противоречию №3: данное противоречие будет решено с постепенным улучшением конструкционных материалов, например путём создания более прочной керамики или композитов, что позволит производить керамические роторы турбин мощностью более 100 кВт. То, что данное противоречие пока не решено, не является значимым ограничением к практическому внедрению полученного решения.
Развитие полученной схемы работы ТД:
В результате решения вторичных противоречий была определена конструкция двигателя и его термодинамический цикл не только позволяющие решить противоречия №1 – 3, но и создать ТД, использующий практически стандартные комплектующие и имеющий КПД-нетто на уровне 55 – 65% и позволяющий, аналогично вышеприведённой схеме работы ТД, использовать при получении указанного КПД любые виды топлив, в том числе геотермальную, ядерную энергию и солнечное излучение.