Б.М.Кондрашов
С каждым годом сокращаются запасы углеводородного сырья, растёт энергопотребление, ухудшается экология, а известные технологии использования возобновляемых и экологически чистых источников энергии, в т. ч. атмосферы, не эффективны.
Неравномерный нагрев газов, сжатых под действием гравитации, вызывает изменения давления в атмосфере, нарушающие её равновесное состояние, при восстановлении которого потенциальная и тепловая энергия воздуха преобразуются в кинетическую энергию воздушных потоков, доступную для использования. Например, в ветродвигателях, выполняющих механическую работу без потребления кислорода и выработки продуктов сгорания. Недостатки этих двигателей - низкая плотность энергии на единицу рабочей площади и неуправляемость процесса.
Однако нарушать равновесное состояние атмосферы для преобразования потенциальной энергии воздушных масс в кинетическую можно и за счёт управляемых воздействий, например, в эжекторных устройствах. При воздействии пульсирующей активной струёй в эжекторном насадке такого устройства периодически создаётся разрежение, при котором за счёт неуравновешенной силы атмосферного давления, вслед за каждым импульсом активной струи ускоряется воздух. Присоединение происходит за счёт последовательного втекания (при котором практически отсутствует смешение разделённых газовых масс) только при оптимальном значении и соотношениях основных параметров процесса: частоты, формы, длительности и скорости газовой массы импульсов активной струи в насадке, а также конструктивных параметров эжекторного устройства.
О. И. Кудриным, одним из авторов открытия "Явление аномально высокого прироста тяги в газовом эжекционном процессе с пульсирующей активной струей", зарегистрированного в 1951г., проведены экспериментальные исследования, показавшие эффективность этого процесса. К сожалению, открытие не получило широкого применения. Вероятно потому, что изначально исследования были направлены на получение реактивной тяги (дополнительной к тяге винтовых движителей поршневых авиационных двигателей). Следует отметить, что если процесс присоединения дополнительных масс применяется для увеличения тяги реактивного движителя, то большая часть дополнительно полученной энергии не может быть использована для выполнения полезной работы и неизбежно рассеивается в атмосфере, создавая при этом иллюзию низкой эффективности и самого процесса присоединения. Это, наряду с недостатком информации об экспериментальных исследованиях, стало препятствием для его внедрения в других отраслях, где кинетическую энергию воздушной массы, получаемую в результате управляемого преобразования энергии атмосферы, можно использовать не для образования реактивной тяги, а более эффективно. Кроме того, открытие было сделано в тот период, когда проблема уменьшения запасов традиционных энергоносителей и ухудшения экологической ситуации, обусловленного их применением, не были столь актуальны, как сейчас. Однако и сегодня в энергетических и транспортных системах оно "не работает", вероятно, ещё и потому, что использование энергии атмосферы традиционно ограничено ветроэнергетикой.
Рассмотрим четыре основных способа преобразования низкопотенциальной энергии внешней среды с использованием процесса последовательно присоединения.
Первый способ. Низкопотенциальная энергия атмосферы преобразуется в струйном двигателе с эжекторным сопловым аппаратом и рабочим телом, получаемым при сгорании топлива в камере периодического сгорания. В данном случае процесс присоединения состоит из повторяющихся с заданной периодичностью двух последовательных термодинамических циклов. В каждом цикле имеется свой источник энергии и рабочее тело. В первом цикле (при сгорании топлива в постоянном объёме камеры) энергия продуктов сгорания, истекающих из реактивного сопла, преобразуется в кинетическую энергию первой части реактивной массы, которая движется в эжекторном насадке как газовый поршень и создаёт вслед за собой разрежение, а при истечении воздействует на лопатки турбины, создавая момент на валу. За счёт полученного в насадке разрежения, источником энергии во втором цикле становится потенциальная и тепловая энергия сжатого силой гравитации атмосферного воздуха, который под действием разности давлений втекает в насадок, расширяясь, охлаждаясь и ускоряясь как в природном атмосферном процессе, но в заданном направлении, образуя при истечении из эжекторного насадка вторую часть реактивной массы с расчётными термодинамическими параметрами, также воздействующую на лопатки. При этом за счёт ускорения присоединяемого воздуха в насадке понижается давление, увеличивая разность потенциалов давлений перед истечением в насадок импульса активной струи следующего периода и, соответственно, его кинетическую энергию. Как следствие повышается степень разрежения в насадке во втором цикле этого периода и скорость присоединяемого в нём воздуха. Тем самым, в результате преобразования энергии низкопотенциального источника в предыдущем периоде создаются условия для повышения эффективности преобразования энергии высокопотенциального источника в следующем периоде.
Таким образом, периодическое нарушение равновесного состояния атмосферы в эжекторном насадке воздействием пульсирующей активной струи создаёт в нём с заданной частотой разность потенциалов давлений, обеспечивающую при восстановлении равновесного состояния ускорение присоединяемых воздушных масс, а также увеличение скорости активной струи. А в результате объединённая масса воздействует на лопатки турбины с возросшей кинетической энергией (по сравнению с кинетической энергией активной струи), увеличивая момент на её валу без дополнительных затрат топлива. Эксперименты показали, что кинетическая энергия объединённой реактивной массы значительно больше, чем кинетическая энергия активной струи. При эжектировании атмосферного воздуха пульсирующей струёй продуктов сгорания О.И. Кудриным был получен прирост реактивной силы до 140%, т.е. тяга увеличилась в 2.4 раза. Кинетическая энергия объединённой реактивной массы при этом может быть более чем в 10 раз больше кинетической энергии активной струи, так как в зависимости от параметров процесса присоединения может увеличиваться не только реактивная масса, но и её скорость. Причём полученная кинетическая энергия не рассеивается в атмосфере, как при создании реактивной тяги движителя, а практически, полностью используется для воздействия на лопатки турбины. Следовательно, большая часть мощности данным способом получается за счёт преобразования потенциальной энергии и низкопотенциальной теплоты сжатых под действием гравитации газов в кинетическую энергию воздушной массы, создающей момент на силовом валу.
Сегодня возможности повышения эффективности традиционных ГТД (со сгоранием топлива при постоянном давлении) практически исчерпаны, а комбинированные двигатели для реализации данного способа могут быть более чем на порядок экономичнее традиционных (с соответствующим уменьшением выброса в атмосферу продуктов сгорания).
Второй способ. Проведенные эксперименты показали, что оптимальное значение скорости активной струи продуктов сгорания, необходимое для увеличения кинетической энергии объединённой массы в процессе присоединения, находится в диапазоне скоростей, которые можно получать, не используя для сжатого рабочего тела дополнительный подогрев (за счёт сжигания топлива) перед его расширением в реактивном сопле. Следовательно, продукты сгорания можно заменить сжатым воздухом, а камеру сгорания пневмоаккумулятором. Кинетическая энергия объединённой массы и в этом случае будет больше кинетической энергии активной струи более чем в 2.4 раза и, соответственно закону сохранения энергии, больше потенциальной энергии, необходимой для получения рабочего тела - сжатого воздуха, образующего эту пульсирующую активную струю при расширении. Совершенно очевидно, что такой баланс энергии позволяет сжимать атмосферный воздух в компрессоре за счёт мощности, полученной в результате процессов преобразований энергии атмосферы в предыдущих периодах, т. е. использовать обратный цикл Карно (цикл воздушного теплового насоса - холодильной машины), осуществляя привод компрессора за счёт преобразованной энергии атмосферы.
При этом суммарные технологические энергозатраты и потери в процессах преобразований в турбине и сжатия воздуха в компрессоре, а также прочие потери энергии не превышают 25% от получаемой кинетической энергии объединённой реактивной массы. В основном величина этих потерь зависит от КПД турбины и может составлять 15-20%, а удельный вес потерь в компрессоре и прочих потерь незначителен.
Для компенсации технологических энергозатрат и потерь достаточно увеличить кинетическую энергию в результате процесса присоединения дополнительных масс на 44%, т.е. для самоподдержания этого процесса кинетическая энергия объединённой массы должна быть больше кинетической энергии активной струи лишь в 1.44 раза. Полученная сверх этого энергия может быть использована внешними потребителями. Если экстраполировать увеличение кинетической энергии, полученное экспериментально в процессе последовательного присоединения с активной струёй из продуктов сгорания, на аналогичный процесс с использованием сжатого воздуха для образования этой струи, то энергия для использования внешними потребителями составит более 34% от получаемой кинетической энергии объединённой реактивной массы. Согласно второму началу термодинамики не вся энергия одного неисчерпаемого источника преобразуется в работу - часть превращается в теплоту. А при механическом сжатии рабочего тела - в высокопотенциальную теплоту, температуру которой можно регулировать в зависимости от степени сжатия и охлаждения рабочего тела перед расширением, для полезного использования, например, в системах отопления. Температура высокопотенциального рабочего тела, а также низкопотенциального - воздуха при расширении и выполнении работы понижается. Управляя количеством атмосферного и холодного отработавшего воздуха, возвращаемого в эжекторные насадки в качестве присоединяемых масс, можно получать воздух с регулируемой температурой для использования в системах кондиционирования. Если отработавший в одном эжекторном сопловом аппарате воздух направлять в качестве присоединяемых масс в следующий и т.д., то его можно охлаждать до сверхнизких температур, используемых в криогенной технике.