Для отправки ваших публикаций, пожалуйста, зарегистрируйтесь.

Если Вы уже зарегистрированы, то авторизуйтесь на сайте.



  1. Вход или регистрация
  1. Подписка

Сжатый газ - надежный источник чистой энергии
15 августа 2017             

В Париже на всемирной конференции по климату COP21, которую проводит ООН, неожиданно прозвучало громкое заявление: Великобритания, Германия, Нидерланды и Норвегия, а также несколько американских штатов после 2050 года готовы «запретить использование и продажи автомобилей на горючем топливе».
 
Вот так поршневому двигателю внутреннего сгорания, который верой и правдой служит уже второе столетие подряд, назначили дату смерти. А что заменит двигатель внутреннего сгорания? Актуальность экологических проблем XXI века заставила инженеров вернуться к давно забытой идее использования пневмоцилиндра в качестве двигателя для дорожного транспортного средства. В пневмоцилиндре же - воздух и ничего кроме воздуха. Все новое - это хорошо забытое старое. По сути, пневмоавтомобиль экологичнее даже электромобиля, элементы конструкции которого содержат вредные для окружающей среды вещества.
 
В последние годы источник энергии сжатого газа всерьез рассматривают во всем мире. Принцип прост: воздух под давлением подается в цилиндры пневмодвигателя и при последующем расширении совершает работу. Но как эффективно получить эту энергию в промышленном количестве, как ее накопить впрок, сохранить для дальнейшего использования.
 
Энергетика всегда была и остается приоритетным направлением науки и техники, а накопители энергии - важным и перспективным разделом энергетики. Эффективное накопление энергии «впрок» должно обеспечить такой же революционный скачок в энергетике, как банковское дело в экономике. Пока же, к сожалению, о сохранении энергии про запас серьезно говорить не приходится. Современные технологии дают возможность сохранять сгенерированную ночью энергию с помощью пневмоаккумуляторов, днем когда потребность в ней больше запасенный воздух выпускается из хранилища и пропускается через турбину с генератором.
 
Пневмоаккумуляторы - устройства, накапливающие газ и отдающие ее в моменты наибольшего расходования с преобразованием в другие виды энергии или без этого преобразования. В ракетной технике есть почти забытый (из-за того, что само устройство давно уже не применяется) термин воздушный аккумулятор давления (ВАД).
 
Примерами может послужить следующие опубликованные факты оборудования эффективных хранилищ сжатого воздуха.
 
В 1977 году вблизи Бремена(Bremen, Германия), для выравнивания нагрузки газотурбинной электростанции Гунторф(Huntorf), на глубине(650...800) m под соляным куполом были сооружены два подземных пневматических аккумулятора суммарным
объемом340⋅10м3 и рабочим давлением(5...7) MPa.  Себестоимость получаемой из аккумулятора энергии не превышает3 €/kWh.
 
Оригинальное, эффективное, долговечное и недорогое решение для хранения избыточно запасаемой энергии ВИЭ предложила канадская компания Hydrostor.
 
Сжатый газ - надежный источник чистой энергии
 
Для поддерживания постоянного уровня поставляемой электроэнергии и хранения накапливаемой избыточной энергии сотрудники компании Hydrostor предложили использовать совершенно новую простую и эффективную технологию. Избыточная энергия, которая вырабатывается благодаря ВИЭ преобразуется наземной компрессорной станцией в энергию сжатого воздуха, который закачивается в подводные шары, размещаемые группами в близлежащем водоеме.
 
Сжатый газ - надежный источник чистой энергии
 
Размещение шаров определенного размера на определенной глубине позволяет использовать гидростатическое давление воды и саму технологию с максимальной эффективностью. Первый технологический комплекс Underwater-CAES, работающий на этом принципе сейчас находится в стадии тестирования на глубине 55 м под поверхностью озера Онтарио близ Торонто.
 
Шары, соединенные с компрессорной станцией при помощи системы подземных и частично подводных труб, в моменты, когда энергия вырабатывается с избытком, заполняются сжатым воздухом, выступая в роли накопителей. По мере частичного или полного падения уровня вырабатываемой энергии избыточное давление сжатого воздуха в шарах «перераспределяется» в обратном направлении, заставляя вращаться турбину генератора наземной станции. Таким образом, вся система постоянно находится в режиме «автобалансировки», просто и изящно решая поставленную задачу, а потребитель получает электроэнергию со стабильными характеристиками.
 
Тестируемая установка Underwater-CAES рассчитана на пиковую мощность наземной станции в 660КВт и включает комплекс из шести шаров, наполняемых сжатым воздухом. Такой накопительный комплекс в тандеме с генератором, как отмечают разработчики, способен обеспечить электроэнергией 330 небольших домашних хозяйств. При этом общая площадь подводной части "энергобазы" расположилась на крошечном участке размером в 10 х 40 метров. Отсутствие движущихся частей раскрывает еще одно серьезное преимущество такой технологии - минимальную потребность и стоимость техобслуживания. Не создают никаких проблем при работе и подводные течения. В отчете отмечается, что никаких ограничений, как по размерам, так и по мощности, комплексы, реализованные на базе такой технологии не предполагают, что объясняется относительно малой площадью, занимаемой на дне водоемов. В то же время технологические размеры Установка Hydrostor Underwater-CAES будет вдвое дешевле самых передовых хранилищ, созданных на базе литий-ионных аккумуляторов.
 
При соблюдении технологии монтажа и эксплуатации минимальный гарантийный срок систем типа Underwater-CAES, как отмечает производитель, составит 10 лет и с большой долей вероятности может быть увеличен до 20 лет.
 
Сжатый газ - надежный источник чистой энергии
 


Газовые механические накопители

 
Несколько труб протянулись почти на две мили в глубину озера Онтарио. Это первый экспериментальный проект подводного хранилища энергии на основе сжатого воздуха, разработанного стартапом Hydrostor. Компания предложила технологию закачки сжатого воздуха в подводные баллоны. Когда энергия потребуется, сжатый воздух из баллонов может быть использован для выработки электроэнергии. Данный пилотный проект поможет Торонто Hydro отложить инвестиции, необходимые для обеспечения пиковых нагрузок в сети. Но в краткосрочной перспективе рыночные возможности технологии Hydrostor заключаются в том, что она позволяет заменить такие источники резервирования и увеличения генерации в пиковые периоды, как дизель и уголь.
 
VanWalleghem утверждает, что стоимость хранилищ энергии от Hydrostor значительно меньше, чем стоимость других технологий, основанных на сжатом воздухе.
 
VanWalleghem говорит, что для установки подводных баллонов, которые представляют собой слегка модифицированные баллоны, используемые в ходе морских спасательных работ, требуется только один буксир.. Для проекта в Торонто, например, потребовалось получить 17 разрешений.
 
На берегу устанавливается компрессор для закачки воздуха в баллоны. Образующееся при этом тепло может быть использовано, что увеличивает общую эффективность установки с 60% до более чем 80%.
 
Закачиваемый воздух сжимается до давления, соответствующего давлению на том уровне океана, где будут установлены баллоны. Когда возникает потребность в электроэнергии, система переводится в обратный режим и и давление воды выталкивает воздух обратно, где он вращает генератор. Мощность проекта в Торонто равна 1 мегаватту, но Hydrostor может предложить хранилища на 5, 10, 50 и 100 мегаватт. Для 5-мегаваттной установки стоимость составит примерно 250 долларов за киловатт-час. Это гораздо меньше, чем полная стоимость наземной установки на основе сжатого воздуха.
 
Стоимость зависит от глубины океана поблизости от берега. В Торонто баллоны установлены на глубине примерно 180 футов и на удалении примерно 1,8 мили от берега. Стоимость базовой конструкции рассчитывалась для глубины около 650 футов в 1,8 мили от берега.
Технология SustainX устраняет это ограничение тем, что эффективно использует наземные цистерны вместо естественных подземных полостей.
 
Хранить газ под давлением в наземных ёмкостях непрактично в традиционных технологиях, использующих турбины. Так как требуются большие ёмкости, что, естественно, дорого. Технология SustainX снижает затраты на ёмкости и другие капитальные издержки. "Мы делаем наземные хранилища энергии по цене подземных" - заявляет основатель и вице-президент Дакс Кепшир (Dax Kepshire).
 
Компания снижает издержки используя поршневые генераторы вместо турбин для генерации электричества. Турбины генерируют электричество в узком диапазоне давлений, а поршневые генераторы менее чувствительны к давлению. Это дает возможность больше сжимать воздух и, как следствие, хранить больше энергии. И даже более того, поршневые генераторы способны генерировать электричество и при низком давлении, на котором турбины уже не работают.
 
Ведутся работы также над увеличением эффективности процесса генерации электричества. Обычно, тепло выделяемое при сжатии воздуха теряется. Для генерации электричества холодный сжатый воздух нагревается извне, что требует топлива.
 
Технология SustainX серьезно снижает потери тепла. Газ сжимается при помощи электричества, которое двигает поршни в цилинрдах. Для высвобождения энергии расширяющийся воздух наоборот двигает поршни внутри цилиндров, вращая генератор. Распыляемая в цилиндрах вода поглощает тепло в процессе сжатия воздуха. Эта вода сохраняется и распыляется в цилиндрах при генерации электричества. Таким образом, не требуется дополнительного тепла. Распыление воды повышает эффективность процесса с 54% до 95%, говорит основатель компании Бэн Боллинджер (Ben Bollinger).
 
Специалисты заявляет, что его система может обеспечивать потребителей электричеством в моменты пиковых нагрузки дешевле, чем газовые электростанции.


SustainX - одна из нескольких компаний, занимающихся накопителями энергии на изотермически сжатом воздухе. Другой крупный игрок в этой области - General Compression из Ньютон, Массачуссетс недавно привлек более 50 миллионов долларов для своих систем, которые используют ветряные генераторы для питания компрессоров и модулей расширения воздуха. в мире работают только 2 системы, работающие с хранилищами на сжатом воздухе.

 
Compressed Air Energy Storage (CAES) - аккумулирование энергии с помощью сжатого воздуха: CAES использует непиковую энергию для сжатия и хранения воздуха в воздухонепроницаемом подземном резервуаре или пещере. При пиковой нагрузке запасенный воздух выпускается из пещеры и пропускается через турбину с генератором. В 1991, первые в США CAES мощностью 110 МВТ был построен в Mclntosh, Штате Алабама, Алабамским Электрическим Обществом и EPRI. В настоящее время, изготовители могут создать CAES системы в пределах от 5-350 МВТ. EPRI оценил, что больше чем 85% пещер США имеют геологические характеристики, которые можно приспособить для CAES.
 
Имея надежные накопители сжатого воздуха, газа которые могут быть устроены повсеместно, вполне реально развивать с учетом экономической выгоды и улучшения экологической обстановки новые системы производства и транспортные средства. В основе технологических систем и движителя транспортных средств лежат механизмы, использующие сжатый воздух. На сегодняшний день накоплен большой опыт применения в качестве основной энергии, энергии сжатого газа, созданы двигатели, элементы пневматической автоматики, смешаной электропневмоавтоматики. Но они имеют, узкий, отраслевой характер применения. Интересно развивается пневматика в автотранспортном машиностроении.
 
В воздухомобиле(пневмоавтомобиле) энергия запасается путем нагнетания сжатого воздуха в баллоны. Через систему распределения воздуха он попадает в пневмодвигатель, приводящий автомобиль в движение. Идея создания машины на сжатом воздухе витает в воздухе уже довольно давно, однако до сих пор инженерам не удавалось приблизиться к ее коммерческой реализации.
 
Несколько лет назад мир облетела новость о том, что индийская компания Tata собирается запустить в серию автомобиль, работающий на сжатом воздухе. Планы так и остались планами, но пневматические автомобили явно стали трендом: каждый год появляется несколько вполне жизнеспособных проектов, а компания Peugeot в 2016 году собирается поставить на конвейер воздушный гибрид. Почему же пневмокары внезапно вошли в моду? Чем привлекает пневмоавтомобиль?
 
Разработкой двигателей на сжатом воздухе и машин на их основе занимаются по всему миру как исследовательские организации, так и инженерные фирмы, причем пока наиболее заметны разработки небольших компаний.
 
В этих автомобилях нет ни баков с топливом, ни аккумуляторов, ни солнечных батарей. Не нужны этим машинам ни водород, ни дизтопливо, ни бензин. Надёжность? Да тут почти нечему ломаться. Но кто сегодня верит в идеальное решение?
 
А вот в в Австралии первый автомобиль на сжатом воздухе, поступивший в реальную коммерческую эксплуатацию, недавно приступил к своим обязанностям в Мельбурне.Аппарат построен австралийской фирмой Engineair инженера Анджело Ди Пьетро (Angelo Di Pietro).
Главной проблемой, над которой задумался изобретатель, было снижение массы двигателя при сохранении высокой мощности и полноты использования энергии сжатого воздуха.
 
Здесь нет никаких цилиндров и поршней, нет и треугольного ротора, как у двигателя Ванкеля, или турбинного колеса с лопатками.
Вместо этого в корпусе мотора вращается кольцо. Изнутри оно опирается на два ролика, эксцентрично установленных на валу.
 
 
Сжатый газ - надежный источник чистой энергии
Двигатель австралийского итальянца Ди Пьетро в разрезе (фото с сайта gizmo.com.au)
 
6 отдельных переменных объёмов в этой расширительной машине отсекают подвижные полукруглые лепестки, установленные в разрезах корпуса. Есть ещё система распределения воздуха по камерам. Вот почти и всё. Автор утверждает, что у его двигателя малы механические потери. Нужно только 0,07 атмосферы избыточного давления на входе, чтобы преодолеть трение в механизме. По словам автора, его машина вдвое эффективнее, чем другие пневмодвигатели.
 
Кстати, двигатель Ди Пьетро выдаёт максимальный крутящий момент сразу - даже в неподвижном состоянии и раскручивается до вполне приличных оборотов, так что особой трансмиссии с переменным передаточным числом ему не нужно.
 
 
Сжатый газ - надежный источник чистой энергии
привод легкового автомобиля по системе Ди Пьетро (иллюстрация с сайта gizmo.com.au)
 
Так можно устроить привод легкового автомобиля по системе Ди Пьетро. Два роторных пневмодвигателя, по одному на колесо. И никакой трансмиссии.
 
Ну, а простота конструкции, малые размеры и низкий её вес - это ещё один плюс в копилку всей идеи. Но дальше всех в создании пневмомобиля продвинулась французская фирма MDI, разработавшая целую серию пневматических двигателей и автомобилей на их основе.
Нынешнее поколение двигателей MDI использует "активную камеру" в сочетании с одним или несколькими модулями из двух оппозитных цилиндров. Модули объединяются в блоки по четыре или шесть цилиндров и могут использовать как чисто воздушный привод, так и сжигать топливо, что позволяет получать моторы мощностью от 4 до 75 л.с.
 
Предполагается, что чисто пневматический режим должен использоваться в городах, так как обеспечивает нулевые выбросы вредных веществ в атмосферу. В загородных поездках использование горючего позволяет увеличить запас хода, при этом расход топлива и количество выбросов остаются минимальными.
 
Сжатый газ - надежный источник чистой энергии Сжатый газ - надежный источник чистой энергии
 
Самые компактные автомобильчики OneCAT должны найти применение в развивающихся странах, а также использоваться для перевозки людей и небольших грузов в , на стадионах и т.п. В зависимости от модификации OneCAT будет стоить 3500-5300 евро.
 
Для заправки машин воздухом MDI предлагает два метода: использование встроенного электрического компрессора, а затем и создание сети специальных воздушных заправок, на которых сжатый воздух может храниться, например, выдаваться компрессорами по мере необходимости или храниться в подземных резервуарах.
 
Эти сообщения приводятся в статье в первую очередь для того чтобы привлечь внимание к новому виду движетелей - пневмодвигателям.. Автомобили- это самый раскрученный в мире бренд в силу коммерческой составляющей и поэтому на их примере применение нового вида пневмодвижетеля наиболее ярко представлено.
 
Однако по мере дальнейшего повествования, описание нового движителя представиться значительно подробнее, широко, с учетом перспективы развития. Данная статья является этапом погружения в плохо изученную до настоящего момента тему: пневматические средства. Написание ее вызвано из-за скепсиса, который вызывают двигатели на сжатом воздухе. На мой взгляд, все это требуется сделать в защиту молодого направления в технике. Даже искушенным в технике, профессионалам порой неизвестен такой труженик - пневмодвигатель, хотя всем известна ,аналогичная ему расширительная пневмотурбина. И даже устройства, где применен пневмодвигатель называют турбинками. К примеру, я целых два дня , будучи в командировке, объяснял харьковским турбинистам, которые занимались конструированием турбодетандеров, идеи московского изобретателя А.Ф.Ренкеля применения пневмодвигателей в газовой промышленности и возможности создания на их основе «пневмодетандеров».Передо мной стояла задача разработки автономного источника электроэнергии для газовой промышленности, я выбрал основу автономного источника «пневмодетандер» и пытался увлечь их и вместе начать заниматься новшеством.
 
Итак, что такое современный пневматический двигатель. Пневматический двигатель (или, как говорят, пневмоцилиндр) преобразует энергию расширяющегося воздуха в механическую работу. По принципу действия он аналогичен гидравлическому. «Сердце» пневмодвигателя - поршень, к которому прикреплен шток; вокруг штока навита пружина. Воздух, поступающий в камеру, с увеличением давления преодолевает сопротивление пружины и перемещает поршень. На фазе выпуска, когда давление воздуха падает, пружина возвращает поршень в исходное положение - и цикл повторяется. Пневмоцилиндр вполне можно назвать «двигателем внутреннего несгорания».
 
Более распространена мембранная схема, где роль цилиндра выполняет гибкая мембрана, к которой точно так же прикреплен шток с пружиной. Ее преимущество заключается в том, что не нужна столь высокая точность посадки подвижных элементов, не требуются смазочные материалы, а герметичность рабочей камеры повышается.
 
Существуют также роторные (пластинчатые) пневмодвигатели - аналоги ДВС Ванкеля и самый новый пневмодвигатель инженера Анджело Ди Пьетро (Angelo Di Pietro).. Основные плюсы пневмодвигателя - это его экологичность и низкая стоимость «топлива». Собственно, из-за безотходности пневмолокомотивы и получили распространение в шахтном деле - при использовании ДВС в замкнутом пространстве воздух быстро загрязняется, резко ухудшая условия работы. Отработанные же газы пневмодвигателя - это обычный воздух. Естественно, сравнивать пневмодвигатели приходится с двигателями ДВС, основными двигателями современного автомобильного транспорта.
 
Существенным преимуществом пневмодвигателя является его более высокий КПД (50-60 %) по сравнению с ДВС (30-40 % на стенде и 10-20 % в городском цикле езды). Это связано с тем, что ДВС выделяет в окружающую среду большее количество тепловой энергии и не¬доиспользованной при рабочем ходе энергии газа высокого давления. Кроме того, надежность, а следовательно, и срок службы пневмодвигателя значительно повышаются в результате снижения тепловых нагрузок и отсутствия взрывных про¬цессов горения, свойственных ДВС.
 
В пневмодвигателе мощность не зависит от рода сжатого газа, тогда как некачественное сме¬сеобразование, зависящее от температуры окружающей среды, влажности и условий воспламе¬нения в камере сгорания, весьма существенно для ДВС.
 
Отметим также, что для запуска пневмо¬двигатель не нуждается в стартере и сложных механизмах его привода (системы Бендикс) и имеет более низкий уровень шума.
 
Наконец, важным преимуществом пневмодвигателя по сравнению с ДВС той же мощнос-ти заключается в лучшей приемистости, что свя¬зано с большим крутящим моментом на малых оборотах и с возможностью изменения началь¬ного давления в цилиндре пневмодвигателя в более широких пределах. Пневмодвигатель, имея малые размеры, обеспечивает существенные крутящий момент и ускорение примерно 1,1 м/с2 на малых скоростях движения.
 
Один из недостатков использования пневмодвигателя в автомобилях - относительно низкая плотность энергии, то есть количество вырабатываемой энергии на единицу объема рабочего тела. Сравните: воздух (при давлении 30 МПа) имеет плотность энергии порядка 50 кВт•ч на литр, а обычный бензин - 9411 кВт•ч на литр! То есть бензин как топливо эффективнее почти в 200 раз. Даже с учетом не очень высокого КПД бензинового двигателя он «выдает» в итоге около 1600 кВт•ч на литр, что значительно выше, чем показатели пневмодвигателя. Это ограничивает все эксплуатационные показатели пневмодвигателей и движимых ими машин (запас хода, скорость, мощность и т. д.).Для этого приходится использовать для накопления пневматической энергии баллоны со сжатым воздухом с высоким давлением или баллоны со сжиженным азотом. Эффективность накопителя и определяет пробег транспортного средства от заправки до заправки.
 
Баллоны для хранения сжатого воздуха должны быть разработаны в соответствии со стандартами безопасности для сосудов, работающих под давлением. Примером такого стандарта является ISO 11439. Баллоны должны быть рассчитаны на давление 30 МПа.
Баллоны могут быть изготовлены из следующих материалов:
  • сталь,
  • алюминий,
  • углепластик,
  • кевлар,
  • другие материалы, или сочетание указанных выше.
 
Материалы на базе пластика легче металлических, но в целом они дороже. Металлические баллоны могут выдерживать большое количество циклов нагружения-разгрузки, но их необходимо периодически проверять на наличие коррозии.
 
Баллоны описываемых транспортных средств необходимо заправлять на специальных заправочных станциях, имеющих необходимое оборудование. Затраты на вождение подобных воздухомобилей, как обычно предполагается, должны составлять порядка €0,75 на 100 км.
К примеру модель MiniC.A.T снабжена баллоном из углеволокна, вмещающим 90 м3 сжатого воздуха. На этом количестве «топлива» машина способна проехать от 200 до 300 км, с максимальной скоростью в 110 км/ч.
 
Главным трендом в развитии автомобильного транспорта всегда было повышения плотности упаковки энергии веществ, которые использовались для обеспечения функционирования систем. Этот параметр, прежде всего, обуславливал ценность быстрого увеличения скорости до 100км/час. Расположим свойства используемых веществ в хронологической последовательности:
Дрова10 000 кДж, Уголь33 000 кДж, Бензин45 000 - 43 000 кДж (10572 ккал/кг.), Пропан- бутановая смесь летняя (50х50) 11872 ккал/кг., Водород110 000 - 130 000 кДж.
 
Видим, что хронологическая последовательность совпадает с величиной параметра удельной энергоёмкости «Вещество» карбонового баллона даже на 350 литров с давлением в 300 (!) атмосфер не может конкурировать по плотности упаковки энергии с бензином, не может конкурировать даже с аккумуляторами. Но, тем не менее - разработок по этой линии развития мы видим предостаточно.
 
Что еще привлекает в пневмодвигателе, где используется он сейчас, где может быть он применен в дальнейшем. Широкое применение получил пневмодвигатель в пневмоинструменте Производство пневмоинструмента в нашей стране было налажено уже к 50-м годам XX века. Сейчас список выпускаемых заводами пневмоинструментов значительно расширился: пневмогайковерты, угловые гайковерты, прессы, кусачки, фрезерные машины, отрезные машины, ножницы по металлу, рубанки, дисковые ножницы для ковров, дисковые пилы, сабельные ножовки, пылесосы, отвертки.
 
Для нестационарного применения, например, в промышленных роботах, существуют различные двигатели для шлифовальных, фрезерных и сверлильных машин, которые отличаются малым весом и компактным исполнением.
 
Двигатели, выполненные из нержавеющей стали, нечувствительные к воздействию кислоты и тепла, для работы в трудных условиях, в настоящий момент доступны как двигатели с высоким моментом. Идеальное решение в области приводных устройств, например, для мешалок и промышленных миксеров.
 
Перемещение тяжелых рулонов бумаги, железнодорожных вагонов и даже припаркованных самолетов вручную. Возможно, звучит фантастично, но, тем не менее, в пределах человеческих сил: непритязательное название механизма «Легкий ролик» говорит само за себя. С помощью этого устройства можно с легкостью перемещать до 100 т, не прилагая больших усилий.
 
Однако в основном пневмодвигатели нашли широкое применение при разработке глубоко залегающих полезных ископаемых. Это связано с повышенной опасностью взрыва газа или пыли. Применение также эффективно при увеличении глубины и повышением температуры подземных выработок так как наличие холодильного эффектам при работе двигателя, положительно влияет на улучшения производствен добычи. В качестве привода лебедок, тельферов стволовых машин, буровых кареток, породопогрузочных и погрузочно-транспортных машин широкое распространение получили поршневые пневматические двигатели с принудительным воздухораспределением. В сравнении с пневмодвигателями других типов поршневые пневмодвигатели отличаются хорошей пусковой характеристикой, допускают перегрузку, имеют меньшие утечки сжатого воздуха. Однако нашли себе применения и другие виды пневмодвигателей шестеренный и ротационный. В качестве источника для пневмодвигателей используется сжатый воздух с давлением на входе 0,4-0,63 МПа.
 
В последнее время все большее внимание привлекают вопросы рационального использования вторичных энергетических ресурсов, в т.ч. потенциальной энергии сжатого природного газа, подаваемого из магистральных газопроводов, где давление газа составляет порядка 10МПа в системы различным категориям потребителей. Перед подачей потребителям давление газа дросселируется на газораспределительных станциях (ГРС) или газорегуляторных пунктах (ГРП) до уровня, требуемого потребителю 1,2 МПа,0,6 МПа, 0,3 МПа. При этом потенциальная энергия сжатого газа безвозвратно теряется. В случае использования специальных турбодетандерных агрегатов на базе газо-расширительных турбин вышеупомянутую теряемую энергию газа можно использовать для выработки электроэнергии.
 
Электрическую энергию технически возможно и целесообразно получать прямо на месторождении природного газа, построив электростанцию используя традиционные, типовые узлы и комплектующие. Единственным новым изделием электростанции будет привод электрического генератора, работающий на использовании избыточного пластового давления газа, которое в настоящее время расходуется на штуцерах, при понижении до промыслового давления безвозвратно. Предлагается поток газа из скважин направлять непосредственно на рабочие органы привода, где газ, расширяясь произведет полезную работу. Затем, газ с пониженным до проектного давлением, можно направить на объект подготовки газа к транспорту. Наиболее эффективным применением потенциальной энергии сжатого природного газа может быть внедрение ее в качестве турбохолодильной установки в технологической схеме низкотемпературной сепарации газов при подготовке природных газов к транспорту.
 
Реализация этой технологии в простейшем виде осуществляется путем включения параллельно ГРС (ГРП) газопровода детандер генераторного агрегата (ДГА), работающего на перепаде давлений газа на ГРС (ГРП). ДГА включает две основные части - газорасширительную турбину и электрический генератор. Уровень полезной мощности, вырабатываемой ДГА, будет определяться расходом газа через турбину и перепадом давления на ней. Чем больше эти величины, тем больше вырабатываемая электрическая мощность. С выхлопа турбины газ с заданным давлением поступает потребителю.
 
В этой связи применение описанной технологии представляет существенный интерес для ГРП (ГРС) крупных потребителей газа, в частности на ГРП тепловых электростанций.
 
Сжатый газ - надежный источник чистой энергии
 
В конструкциях газорасширительных установок используется отработанная элементно-агрегатная база серийных паровых турбин, адаптированная к требованиям пожаровзрыво- безопасности к рабочему телу - природному газу. Разработана концепция применения турбин для ГРП (ГРС) газопроводов давлением до 80 атм.
 
Вместе с тем нельзя забывать, что при адиабатном расширении газа с отдачей внешней работы существенно снижается температура рабочего тела, величина этого снижения определяется отношением давлений на входе и выходе расширительной машины (детандера).
Расчеты показывают, что при понижении давления газа с 1,2 до 0,3 МПа температура его снижается на 50-60 °C (в зависимости от состава газа и эффективности детандера). При увеличении степени понижения давления до 6 (от 1,8 до 0,3 МПа) разность температур возрастает до 70-80 °C. Если принять, что температура газа на входе в машину равна 20 °C, температура потока после расширения составит -30 - -40 °C в первом и -50 - -60 °C во втором случаях. Таким образом, в результате использования избыточной энергии давления природного газа может вырабатываться не только электрическая энергия, но и значительные количества холода (от 60 до 80 кДж/нм3).
 
Несмотря на очевидную целесообразность подобных решений, практическая их реализация неизвестна, что может быть объяснено отсутствием расширительных машин, способных работать в указанных выше пределах давления и при относительно небольших расходах газа. Существующие расширительные машины турбинного типа предназначены для больших объемных расходов.
 
При малых объемах газа необходимо существенно увеличивать скорость вращения турбодетандера, что заметно влияет на его эффективность.
В литературе имеются данные об использовании для этих целей турбинных агрегатов малой мощности, однако, к сожалению, авторы не приводят данные по их энергетической эффективности, особенно в диапазоне давлений ГРС и ГРП (от 1,2 до 0,3 МПа) и малых величин объемных (при условиях входа в турбодетандер) расходов газа.
 
Как показывает опыт турбинные агрегаты малой мощности целесообразно заменить на пневмодвигательные агрегаты на основе шестеренных, поршневых, винтовых или роторных, ротационных пневмодвигателей. Тем более, что они выпускаются серийно.
 
Сжатый газ - надежный источник чистой энергии
Рис.2. Разрез винтового детандера
 
Этим требованиям в полной мере удовлетворяют винтовые детандеры, являющиеся, как и поршневые, представителями класса объемных машин. В отличие от поршневых винтовые агрегаты имеют вращательное движение рабочих органов, в них отсутствует механизм газораспределения, нет «мертвого объема».
 
Винтовой детандер по конструкции аналогичен винтовому компрессору и состоит из корпуса и двух роторов, имеющих специальную винтовую нарезку и находящихся в зацеплении Между всеми рабочими элементами агрегата имеются гарантированные зазоры, что обеспечивает полное отсутствие трения в рабочем объеме машины. В то же время существование этих зазоров обуславливает наличие основных потерь в детандере - так называемых протечек газа из полостей с более высоким давлением в полости с пониженным давлением.

 

Поскольку функции механизма газораспределения выполняют сами роторы, в агрегате отсутствуют клапаны, являющиеся в поршневых машинах основной причиной дроссельных потерь в процессах наполнения и выталкивания.
 
Научно-производственным предприятием «Газэлектроприбор» разработана установка, преобразующая потенциальную энергию избыточного давления природного газа на ГРП и ГРС в системах распределения и потребления. В зависимости от условий подачи газа на ГРП и ГРС, разработанные установки автономного электроснабжения по конструктивному исполнению можно разделить на установки мощностью от 1 кВт до 3 кВт для ГРП и от 2 кВт до 30 кВт для ГРС.
 
Предлагаемые НПП «Газэлектроприбор» энергоустановки защищены патентом на изобретение № 48996 и разрешены к серийному производству согласно сертификата соответствия № РОСС UА.АЮ64.А08704. На изделия разработаны технические условия ТУ У 31.1-25178963-002-2003.
 
В предлагаемых устройствах комплексно решены задачи утилизации энергии сжатого газа, полной автономности и экологически чистого процесса, не требующего сжигания топлива. Однако конечной целью является создание изделия, объединяющего функции регулятора давления, источника энергии и счётчика расхода газа, а также электрического подогревателя газа и управления системой точного дозирования одоранта при одоризации газа на ГРС поскольку для этого всего достаточно одного инструмента-пневмодвигателя. Уникальность этих разработок то, что они заполнили нишу малых альтернативных энергетических установок и имеют весьма большую перспективу в применении на всех этапах добычи, транспортировки, потребления природного газа.
 
Автор этих строк занимается ,профессионально, конструированием оборудования ,предназначенного для использования в установках добычи природного газа. На его счету и разработанные опытные и доведенные установки с использованием пневмодвигателей, серийно выпускаемых промышленностью Установки работают используя сжатый природный газ, для производства электроэнергии и других целей Кроме этого автором проработано большое количество профессионально и технически выполнимых идей и подготовлен ряд технических предложений, часть которых опубликовано ранее.
 
При этом необходимо признать, что использование сжатого газа на месторождении природного газа, утилизация избыточного давления магистральных газопроводов в узлах снижения давления при направлении газа в системы потребителей это узкий, специфичный сектор использования энергии сжатого газа. Для широкого, повсеместного использования энергии сжатого газа, воздуха необходимо создать широкую систему аккумуляторных установок сжатого воздуха, удобную для использования рядовым потребителям. Существуют аккумуляторные установки сжатого воздуха, которые используют избыточную энергию сжатого воздуха, который сохраняется в подземных полостях.
В качестве альтернативы подземному хранению сжатого воздуха возможно сжижение воздуха. Воздух, сжиженный при низкой температуре, можно хранить в наземных резервуарах с высокой плотностью при атмосферном давлении. Для превращения сжиженного воздуха в источник энергии его давление повышается с помощью насоса, воздух испаряется и расширяется в газовой турбине.
 
Итак, судя по этим опубликованным фактам, инфраструктура вокруг применения нового движителя в настоящее время растет и совершенствуется. Ко всему сказанному выше следует добавить следующее, что накопителем пневматической энергии может стать сжиженный воздух, вернее сжиженный азот. Жидкий азот получают в промышленности из атмосферы на специальных воздухоразделительных установках
Жидкий азотбесцветная жидкость, без запаха с температурой кипения 77,35 К при давлении 101,3 кПа и удельным объемом 1,239 дм3 /кг при температуре 77,35 К и давлении 101,3 кПа.
 
При переводе массы жидкого азота в м3 газообразного азота при 20°С и 101,3 кПа пользуются формулой, V=m*1000/1/1,65.
Это примерно 858 м3 газообразного азота из 1мз жидкого, где т- масса жидкого азота, т; 1,165-плотность газообразного азота, кг/м3.
По этой причине жидкий азот хранят в специальных сосудах Дьюара с вакуумной изоляцией открытого типа или криогенных ёмкостях под давлением.
 
Современное производство азота основано на методе адсорбции. Технология разделения газовых смесей с помощью адсорбентов незаменима на производствах, требующих газа высокой чистоты при большом объеме газового потока. Эта технология, появившаяся в 50-х годах прошлого века, получила широкое применение, став заменой устаревшей криогенной. На сегодняшний день производство азота и кислорода методом адсорбции доведено до совершенства.
 
Энергоемкость производства 1 кг жидкого азота составляет 0,44 кВтч
Максимальное «энергосодержание» 1 кг жидкого азота (т. е. максимальная работа, которая может быть произведена при его нагревании и расширении) составляет 0,77 МДж, а максимальный КПД пневмодвигателя, с учетом тепловых и механических потерь, может достигать 60 %.
Как известно, полезная работа в автомобильной силовой установки с пневмодвигателем осуществляется в рабочем цикле подачи в него сжатого газа с температурой окружающей среды, последующего его расширения в рабочем цилиндре и выброса в атмосферу при давлении, близком к нормальному. В силовой установке криоавтомобиля в качестве рабочего тела используется жидкий азот, который при подаче из криобака газифицируется и нагреватеся в теплообменнике, а затем при повышенном давлении, например, 10-12 атм, подается в пневмодвигатель. При этом для передачи вращающего момента от пневмодвигателя к колесам автомобиля не нужна коробка перемены передач (КПП).
 
После окончания рабочего цикла газообразный азот, имеющий температуру не выше температуры окружающего воздуха, возвращается в атмосферу, не нарушая экологического равновесия.Ниже в таблице приведены основные отличия энергетических характеристик двигателей ДВС и пневмодвигателей.
 

Наименование

Сжатый азот

Бензин

Экологичность производства энергоносителя

Высокая

Низкая

Возобновляемость энергоносителя

Да

Нет

Ограниченность ресурсов энергоносителя

Нет

Да

Зависимость от источников сырья

Нет

Да

Экологический ущерб при транспортировке энергоносителя

Невозможен

Возможен

Пожаробезопасность энергоносителя

Да

Нет

Экологичность рабочего цикла двигателя

Абсолютная

Отсутствует

Сжигание атмосферного кислорода в рабочем цикле

Нет

~200 л кислорода на 1 кг бензина

Создание парникового эффекта

Нет

Да

Возможность рекуперации энергии в СУ при торможении

Да

Нет

Необходимость использования КПП, системы газораспре­деления и охлаждения двигателя

Нет

Да

Необходимость использования стартера для пуска двигателя

Нет

Да

Энергоемкость производства 1 кг энергоносителя, а

0,44 кВтч (1,6 МДж) [11]

5 кВтч (18 МДж) [14]

Максимальное энергосодержание в 1 кг энергоносителя, в

0,77 МДж [12, 13]

44,0 МДж [14]

Максимальный КПД двигателя с использованием энерго­носителя, п

0,6 [9]

0,3

Совокупная максимальная энергоэффективность СУ, вп/а

0,29

0,73

Эксплуатационный КПД двигателя (в городском цикле), пэ

0,5-0,6

0,1 -0,2

Совокупная эксплуатационная энергоэффективность СУ (в городском цикле), впэ

0,24-0,29

0,24-0,49

Стоимость пробега без учета экологического аспекта

0,024 $/милю [15]

0,05 $/милю [15]

 
Есть идея, которая позволяет отказаться, от дорогих и капризных компрессорных установок, потребляющих электроэнергию. Сжимать воздух предлагается энергией взрыва в замкнутых объемах. 
 
Технический результат, достигаемый данным предложением позволяет сохранить энергию состоявшегося взрыва. Аккумулирование сжатого воздуха происходит в камере в виде энергии сжатого воздуха большого давления. В предлагаемом устройстве воздух сжимается силой взрывной волны в камере взрыва, сквозь обратные клапаны, накапливается в аккумулирующую камеру, Таким образом, преобразуется энергия произведенного взрыва в энергию сжатого воздуха и аккумулируется в камере. Я не встречал прямых публикаций на эту тему, но аналогичных систем вокруг создано много.
 
Примером может послужить существующая Технологическая схема проведения ТГХВ для разрыва нефтегазоносного пласта в нефтяных и нагнетательных скважинах пороховыми изде¬лиями АДС-6 заключается в следующем. В скважину в необходимый для воздействия интервал продуктивного пласта, на геофизическом кабеле опускают собранный из АДС-6 пороховой заряд. В верхней и нижней час¬тях порохового заряда устанавливают воспламенители АДС-бв. При необходимости их устанавливают и в средней части порохового заряда.
 
При этом давление при сжигании порохового заряда в скважине определяется временем его горения и степенью замкнутости объема, в котором проис¬ходит горение. На забое скважины давление может достигать 30-100 МПа и более, так как столб жидкости, находящейся в скважине» играет роль своеобразного пакера.
 
При горении порохового заряда в интервале продуктивного пласта находящаяся там жидкость под давлением образующихся газов вытес¬няется в пласт.
 
На этих физических основах и предлагается создать высокопроизводительную установку для создания высокого давления, используя химическую энергию взрывчатых веществ. Причем набор взрывчатых веществ может быть как твердых, жидких так и газообразных. Здесь будет играть роль экономическая целесообразность применяемых веществ. На наш взгляд это предложение даст возможность получать и аккумулировать более дешевую пневматическую энергию и это даст определенный импульс в развитии пневмотехники.
 
Высокопроизводительная установка для создания высокого давления, используя химическую энергию взрывчатых веществ аналогична по своим основам изобретенному в начале 20 века насосу Хемфри(Гемфри). Англичанину Л.Н.Гемфри пришла мысль создать насос, в котором давление вспышки топлива непосредственно действовало на воду. В нем вода, подобно поршню ДВС, совершала возвратно-поступательное движение и сжимала смесь топлива с воздухом. Ее поджигали электрической искрой, и происходил взрыв. Насосы Гемфри обладали дешевизной, простотой и надежностью, но имели слишком большой расход топлива и поэтому не прижились. Кроме того недостатком насоса Гемфри является относительно узкая область использования: подъем больших масс воды на небольшую высоту. Насос Гемфри, являясь эффективным преобразователем энергии сжигания топлива, в основном, в потенциальную энергию подъема воды, не содержит в своей технологической цепочке преобразователя этой энергии в кинетическую энергию импульсных выбросов воды.
 
В начале 1980-х годов советский инженер Г.П. Примов раскрыл причину низкого КПД насосов Гемфри. Она заключалась в очень низкой степени сжатия горючей смеси. Из-за этого она при расширении отдавала в форме механической работы лишь незначительную часть своего тепла. Изобретатель понял, что повысить степень сжатия насоса Гемфри невозможно, и пошел иным путем. К прочному стальному баллону объемом около кубометра он присоединил необходимую арматуру и примерно на 6/7 наполнил его водой. В оставшуюся седьмую часть он закачал от обычного компрессора смесь воздуха и топлива под давлением 7 атм. После этого он при помощи свечи зажигания воспламенил эту смесь. Когда она сгорела, давление в баллоне поднялось до 30 атм, изобретатель открыл кран брандспойта, и из него вырвалась струя длиною около 1 км. Мощность ее примерно в 10 раз превышала мощность компрессора и составляла около 500 л.с.
 
Для того чтобы получить такую струю при помощи насосов, работающих от дизеля, понадобилась бы установка весом около 20 т. Бак Примова можно было увезти на небольшом грузовичке. Компрессор же был самый обыкновенный, который мы часто видим при ремонте дорог.

 

 
Это удивительное по своей простоте и оригинальности изобретение вполне может стать основой целому направлению в создании совершенно новой техники. Я разговаривал с Г.П. Примовым по телефону в конце 80-х годов, он готов был демонстрировать свою установку тиражировать ее в виде дождевальной установки для полива посевов адырных земель Республики Узбекистан. Мы говорили о перспективах этого принципа, скажем в направлении создания давления газа в больших объемах. Он дал высокую оценку этой идеи, хотя ранее он не предполагал, что существует такая поблема. Топливом мог послужить газ из отработанных свой ресурс скважин, который экономически не выгодно перекачивать на большие расстояние в промышленные районы. Здесь как раз в пору очень вписывается применение биогаза в качестве топлива , полученного в сельском хозяйстве и на крупных птицефабриках. Примов был в восторге от открывающейся перспективы применения его детища. Для понятия принципа действия насоса для мощной дождевальной установки с выбросом струи длиною около 1 км. приводим:
 
Сжатый газ - надежный источник чистой энергии
Рис.10. Пример исполнения схемы аппарата(Фиг.1).
 
Итак, есть техническое основа, для создания высокопроизводительной установки накопления сжатого газа высокого давления, используя химическую энергию взрывчатых веществ. Аналогичных установок описано предостаточно. Как упоминалось такие установки в несколько раз эффективнее традиционных компрессоров, с очень высоким КПД.
 
Можно теперь дать сравнение установившейся традиции применения в транспортных средствах двигателей внутреннего сгорания с баком топлива и применения новых транспортных средств использующих сжатый воздух на пневмодвигателях с баком сжатого воздуха. используют для заправки сжатый газ, которым пополняются от накопителей сжатого газа. Отличие в том, что в новых транспортных средствах большая часть позиций традиционной технологии средств передвижения топливный бак ,топливо, топливная система, двигатель, коробка передач и еще многое перераспределена с «колес» на стационарную основу. На «колесах» остались только накопитель сжатого воздуха и простой по конструкции малогабаритный двигатель На стационарной основе теперь решается задача получения сжатого воздуха в накопителе ,газа используя топливо. Накопитель, при этом, пополняется сжатым воздухом используя высокопроизводительную установку для создания высокого давления, работа которой основана на использовании химической энергии взрывчатых веществ.
 
Мамедов Александр Нусратович, глвный специалист, ООО «Техноинжениринг» г .Ташкент тел. Служ. 256 82 82, тел. Моб. +998946351672 e-mail: mamedov_46@mail.ru,texnoing@bk.ru. 

Обсудить статью на Форуме Машиностроителей






Комментариев пока нет
{c_navigation}

Написать комментарий

Другие публикации по теме





Автоматизация промышленных предприятий Автоматизация промышленных предприятий
Диспетчеризация производства, идентификация и прослеживаемость, управление КПЭ (KPI)...
(495) 662-43-70
Rodcraft (Родкрафт), Deprag, Stahlwille (Штальвиль), инструмент Atlas Copco (Атлас Копко), Iscar (Искар), Sandvik Coromant (Сандвик Коромант), Mitsubishi (Митсубиси). Маркировка труб, горячего металла в металлургии. Промышленное оборудование и инструмент
Rodcraft (Родкрафт), Deprag, Stahlwille (Штальвиль), инструмент Atlas Copco (Атлас Копко), Chicago Pneumatic (Чикаго Пневматик), Fuji (Фуджи), Desoutter, Iscar (Искар), Sandvik Coromant (Сандвик Коромант), Mitsubishi (Митсубиси), Korloy (Корлой), Seco tools, SGS tools, Onsrud, Fette, Guhring и пр. Оборудование для маркировки. Маркировка труб, горячего металла в металлургии. Фаскосниматели (фаскорезы, кромкорезы), ручные фрезеры по металлу. Пневмодвигатели (пневматические двигатели, пневмомоторы).
(495) 668-13-58
ИРОК-2М. Купить. Инструкция.
Инструмент ИРОК-2М от производителя. Купить. Скачать инструкцию и другие документы. Прочий электромонтажный инструмент и электрокомпоненты.
(495) 668-13-58 доб. 4
Оборудование для литья по выплавляемым моделям ЛВМ Оборудование для литья по выплавляемым моделям ЛВМ:
Шприц-машина для восковых моделей
Бойлерклав
Установка отделения керамики
Пескосып и смеситель
+ 86 152 532 57083