Техника - молодёжи 1981-09, страница 40
0В ■ Доклад No 77 ЭНЕРГОУСТАНОВКА «ЖЮЛЬ ВЕРЬ» АНАТОЛИЙ РУБАЙЛО, инженер Попытки создать принципиально новый двигатель для автомобиля сейчас предпринимаются, можно сказать, повсеместно. Причин тому несколько, и они достаточно хорошо известны. Конструкторы озабочены тем, чтобы автомобиль не загрязнял атмосферу выхлопными газами, перешел в перспективе на какое-то иное, отличное от бензина топливо, наконец, стал более легкоуправляемым. Между собой конкурируют разные конструкции, процесс этот неоднозначен, и сейчас нельзя сказать, какая из них лучше. Все зависит от конкретного применения. Весовые характеристики хороши у турбины, КПД высок у дизеля, турбина проста в эксплуатации, но сложна в изготовлении и т. д. Но если принять во внимание непрерывное совершенствование технологии производства, можно ска зать: будущее за турбиной. Она проще, дешевле, надежнее. Основной недостаток турбины — низкий КПД — в ближайшее время будет ликвидирован. В самом деле, если у серийных турбин температура рабочего вещества перед расширением пока не превышает 1400° С, то у экспериментальных она составляет уже 3500' С. Но турбина хорошо работает на достаточно высоких оборотах, а колеса, винты, гусеницы должны всецело повиноваться водителю. Это означает, что связь между двигателем и движителем должна быть очень гибкая. Для такой связи служит привод (трансмиссия). Он может быть механическим, гидравлп ческим, пневматическим, электри ческим. Причем наиболее гибкую связь с высоким КПД, малыми весовыми характеристиками и огромными возможностями совершенствования дает как раз электропривод. Поэтому, продумывая свой ва риант перспективной энергоустановки для автомобиля, я остановился на турбогенераторе, способном вырабатывать электроэнергию для привода движителей. Топливо — вот еще одна кардинальная проблема. определяющая характер конструкции. Многие видные ученые во всем мире ныне единодушно называют в качестве топлива будущего водород. Тем са мым специалисты всерьез заговорили... об одной из фантастических идей Жюля Верна. В его романе «Таинственный остров», опубликованном более ста лет тому назад, мы читаем: «...Вода будет согревать топки пароходов и локомотивов? Вода будет нагревать воду? — Да! Но вода, разложенная на свои составные части!» Вот в чем суть идеи всемирно известного писателя-фантаста. Используйте любую энергию, которой располагаете, говорит он, и преобразуйте ее в электрическую; электроэнергией разлагайте воду на составные части — водород и кислород, а они пусть горят в топках пароходов и локомотивов. Почему я считаю, что идея Жюля Верна сейчас актуальна? Потому что создать тепловой двигатель внутреннего сгорания без массообмена с окружающей средой, то есть без потребления воздуха и без выхлоп пых газов, можно, только сжигая одну весовую единицу водорода в восьми весовых частях кислорода (так называемая стехиометрическая смесь). Продукт сгорания такой смеси — водяной газ с температу рой около 4500° С, а вместо выхлопных газов образуется водяной пар. Он легко конденсируется, отдавая тепло воздуху, и превра щается в обыкновенную воду, которую остается только сливать. Открытый же двигатель, работающий на водороде, плох тем, что, кроме водяного пара, он будет давать на выхлопе такие вредные вещества, как окись и двуокись азота. Таким образом, я остановился на газотурбинном двигателе, действующем без массообмена с окружающей средой. Поскольку в нем к тому же нет компрессора, его можно назвать турбиной внутреннего горения (см. схем у). Такой энергоустановке я дал имя Жюля Верна — в память о человеке, который выдвинул основную идею этой конструкции. Попробуем оценить ее примерные размеры и необходимый расход топлива, исходя из стремления получить мощность двигателя автомобиля ЗИЛ-130 (100 кВт) и принимая КПД турбогенератора равным 50%, а время работы без за правки — 10 часов. Это значит, что надо получить 1 тыс. кВт. ч электроэнергии, или 2 тыс. кВт. ч энергии тепловой, что соответствует 1,8 млн. ккал. Поскольку 1 кг водорода выделяет при сгорании 33,4 тыс. ккал, то, учитывая сте-хиометрическую пропорцию 1 : 8 для жидкого топлива (1 кг водорода занимает объем примерно 10 л), найдем искомый результат: 600 л жидкого водорода и столько же жидкого кислорода. Первый из них должен находиться при температуре —253е С, а второй — при —183° С. Два криогенных бака для вычисленного количества топлива и окислителя будут иметь общий объем, с учетом теплоизоляции, около 2 м3. Это вполне приемлемая величина. В самом деле, необходимое для размещения баков пространство можно получить позади кабины автомобиля марки ЗИЛ, если сдвинуть кузов на 1 м. Не останавливаясь на устройстве криогенных баков, обратимся непосредственно к схеме энергоуста новки. По команде с пульта управления насосы начнут подавать жидкие водород и кислород в систему питания турбогенератора. Но для работы установки нужны не жидкие, а газообразные продукты. Чтобы превратить их в газ, необходимо повысить их температуру до нормальной. Эту задачу выполняет термогенератор. Известно, что если один спай термопары нагревать, а другой — охлаждать, то при этом на ее концах возникнет разность потенциалов, термоэде (так называемый эффект Зеебека). В нашей установке термогенератор выполнен из множества термопар, соединенных комбинированно — последовательно и параллельно. С одного конца они охлаждаются холодным водородом и кислородом, а с другого подогреваются теплым воздухом от конденсатора. Электрическая энергия, вырабатываемая термогенератором, поступает в электросистему автомобиля. Превращение жидкого топлива в газообразное и его подогрев происходят за счет обратного явления — эффекта Пельтье. А именно, когда через термопару проходит электрический ток, то ее холодный спай, опущенный в водород и кислород, нагревается, а спай в потоке теплого воздуха охлаждается. При этом жидкие вещества испаряются и подогреваются до температуры, близкой к температуре окружающего воздуха. Такой способ подготовки к сгоганию позволяет вернуть часть энергии, ранее затраченной на сжижение водорода и кислорода, а также позволяет легко управлять процессом. 38 |
