Перспективы применения тепловых аккумуляторов и двигателей внешнего нагревания на транспорте.

Бритвин Л.Н.

Движение транспортных средств осуществляется за счет возимого запаса «топлива», преобразуемого силовой установкой в механическую энергию на движителе, например, колесе. «Топливом» для двигателя может служить непосредственно, например, бензин, водород, любой аккумулятор электрической или тепловой энергии.

Энергетическая эффективность транспортного средства должна оцениваться по суммарным затратам, связанным с производством «топлива», хранением, доставкой на транспортное средство и эффективностью его преобразования, в энергию (или цену), затрачиваемую, например, на пробег автомобиля в 100 км. Согласно расчетам, выполненным в Германии для технологической цепи «сырая нефть - бензин – автомобиль», общее значение КПД всей транспортной системы составит около 4,2%, а для цепи - «каменный уголь – электроэнергия – аккумуляторная батарея – электромотор» не более 2%.

Понятно, что наименьшие потери энергии будут иметь место в наиболее короткой и структурно просто реализуемой цепи преобразования тепловой энергии – «теплоисточник - тепловой аккумулятор (ТА) транспортного средства - тепловой двигатель внешнего нагревания» реализуемая , например, посредством циклов Ренкина или Стирлинга.

Реализация такой цепи энергоснабжения транспортных средств требует создания как высокоэффективных тепловых аккумуляторов, так и сети теплозарядных станций (ТЗС), снабженных ТА большой энергоемкости. В качестве ТЗС, например, рационально использовать энергоблоки системы жизнеобеспечения перспективных для проживания населения купольных автономных биосферных поселений (АБП), позволяющих наиболее эффективно и полно аккумулировать энергию любых альтернативных источников энергии, включая энергию, вырабатываемую атомными реакторами и изотопными источниками тепловой энергии относительно небольшой мощности.

Важно, что транспортные средства с ТА могут использовать и традиционные наиболее дешевые источники тепловой энергии, например, природный газ, но потребление этого вида топлива может быть многократно снижено, что особенно важно для транспортных систем больших городов. При этом открывается возможность использования углеводородного или водородного топлива только как резервного или в случае движения транспортного средства при существенно разряженном ТА (для повышения мощности двигателя). При этом в крайнем случае, подзарядка ТА возможна и от любой электросети [1].

Экологическим преимуществом транспортных средств с ТА является отсутствие выбросов продуктов сгорания. В случае использования традиционного топлива (как резервного) за счет его сжигания при атмосферном давлении в непрерывном практически стационарном режиме достигается снижение токсичности выхлопа в 200-300 раз по сравнению с сжиганием топлива в рабочем цикле ДВС.

Таким образом, применение транспортных средств с ТА и резервным использованием процесса непрерывного горения традиционного, причем наиболее дешевого топлива, открывает качественно новые возможности для улучшения экологической обстановки городов, где применение современного транспорта с ДВС интенсивно заражает среду обитания человека вредными выбросами.

При движения транспортного средства от энергии ТА полностью исключается потребление кислорода воздуха и выброс продуктов сгорания, что позволяет такой вид транспорта особенно эффективно применять для движении в тоннелях, складских помещениях, подземных сооружениях, под водой, в зонах заражения и т.п.

Известно, что паровые двигатели за счет идеальных для транспорта моментных характеристик обеспечивают наиболее комфортные условия движения в городском цикле без применения сложных и дорогостоящих автоматических трансмиссий и продолжают совершенствоваться в настоящее время за счет использования новых материалов и новых подходов к реализации паросилового цикла.

Использование в паровых двигателях энтропийных процессов парогенерирования при непрерывном режиме горения топлива или подаче горячего газа к парогенератру от ТА позволяет существенно повысить КПД таких двигателей, которые по топливной экономичности уже сравнялись и даже превышают экономичность лучших дизелей с турбонаддувом [см., например, статью Der Dampfmotor-Entwcklungsstand und Marktchancen в журнале MTZ Motortechnische Zeitschrift 62(2001)5 ] при существенном снижении токсичности выходящих продуктов сгорания. Необходимо отметить, что перспективы совершенствования этого типа двигателей еще очень велики.

Следует отметить, что техническое решение парового двигателя (и результаты его исследования), приведенное в указанной выше публикации, полностью повторяет материалы заявки автора данной статьи на выдачу авт. свидетельства № 3615717/29 на «Паросиловую установку» от 22.03.83 (и частично - материалы заявки № 3615719/29 на «Способ регулирования парового двигателя»), по которым авторские свидетельства не были получены. К сожалению, в 1983 году преимущества и промышленная полезность энтропийного процесса парогененерирования для повышения КПД паросиловых установок еще были не осознаны специалистами в этой области техники.

Паросиловые установки также имеют дополнительные технически простые возможности экономии тепла ТА или сжигаемого топлива за счет аккумулирования энергии торможения транспортного средства непосредственно в ТА или промежуточном подогревателе паросиловой установки, что особенно важно при резко динамическом движении транспорта в городе. При этом тепловая или электрическая энергия, получаемая за счет торможения, возвращается в рабочий цикл силовой установки, например, непосредственно в паровой двигатель, см. например, патент РФ по заявке 2008148913 на «Силовую установку мобильной машины».

Для реализации транспортных систем рассматриваемого типа дополнительные возможности возникают за счет использования «Способа получения механической работы посредством паросилового цикла» по патенту РФ №2348858 (авторы Бритвин Л.Н., Вайнштейн Э.Ф.), который за счет энтропийного процесса преобразования веществ позволяет резко увеличить возможности экологически чистого использования в ТЗС и тяжелых мобильных машинах непосредственно добываемых первичных видов углеводородродных топлив.

В настоящее время при имеющихся усовершенствованиях паровых машин и двигателей Стирлинга, использовании новых систем управления их рабочим циклом, технологической отработке ТА повышенной энергоемкости, широких возможностях построения систем зарядки ТА от различных энергоисточников, а также - с учетом общего в целом более высокого КПД транспортной системы на базе ТА и ее практически полной экологической безопасности, следует ожидать существенного расширения выпуска транспортных машин этого типа

Объективно можно утверждать, что транспортные системы с ДВС, базирующиеся на традиционном виде топлива, из-за практической неустранимости вредных выбросов при резко динамическом процессе сгорания топлива, будут уже в ближайшем будущем уступать свои позиции альтернативному транспорту с экологически максимально чистыми силовыми установками, обладающими максимальной общей эффективностью цепи преобразования вырабатываемой энергии в механическую энергию подводимую к движителю транспортного средства.

1. Бритвин Л.Н. Перспективы применения тепловых аккумуляторов на транспорте. Объединение автопроизводителей России; ИМАШ РАН. Тезисы докладов конференции – «Российский автопром: теоретические и прикладные проблемы механики и машиностроения». М., 2007.