Повышение энергетической эффективности оборудования, работающего в промышленности и агропромышленном комплексе, является одной из самых актуальных задач текущего времени. От решения этой задачи зависит пребывание России в ряду экономически развитых государств мира, а также повышение благосостояния граждан нашей страны.

Работы в направлении энергосбережения относятся к важнейшим стратегическим государственным задачам, при этом одновременно являясь актуальным и основным мероприятием по обеспечению энергетической безопасности различных объектов, а также одним из способов сохранения высоких доходов от экспорта углеводородного сырья.

Историческая справка

Следует начать с некоторых исторических сведений, которые так или иначе связаны с использованием человечеством энергии пара [1]. Паровая поршневая машина (ППМ) в общих чертах представляет из себя устройство, способное превращать тепловую энергию в механическую. В качестве рабочего тела — носителя тепловой энергии — может выступать водяной пар с определёнными параметрами: температурой, давлением и расходом.

В мировой истории имеются упоминания об устройствах, использующих энергию пара для хозяйственных нужд человека. Одним из первых таких приборов является простейшая паровая турбина, состоящая из пустотелого металлического шара и двух согнутых под прямым углом трубок, выходящих из шара в двух диаметрально противоположных точках.

Внутрь данного пустотелого шара наливается вода, которая нагревается от обычного костра из дров, щепок, древесной коры, соломы и т. п. Вода, нагревшись до температуры кипения, переходит в газообразное состояние, то есть в пар, который, выходя из согнутых трубок, заставляет этот шар вращаться. Данное устройство, изобретателем которого считается математик и механик Герон Александрийский (I век н.э.), является одним из первых «движителей» на основе энергии пара.

Первые применения

С начала нашей эры прошли столетия до той поры, когда паровая энергия стала объектом пристального внимания. Лишь с XVII века начинаются детальные исследования в области применения энергии пара. В это время было открыто давление окружающей среды и определена его величина, равная давлению ртутного столба высотой 760 мм (на уровне моря при 0°C).

В том же XVII веке начались первые масштабные разработки полезных ископаемых подземным способом. При этом самой трудоёмкой работой считалась откачка воды из глубоких шахт. Этим вопросом занимались европейские изобретатели Дени Папен (Denis Papin) и Томас Сэйвери (Thomas Savery), которые и стали создателями простой паровой машины для привода примитивного шахтного насоса.

В июле 1698 года англичанином Сэйвери был получен патент на машину для откачки воды из шахт. В нём говорилось: «Жалуется привилегия Томасу Сэйвери за проведённое им одним испытания нового изобретения для подъёма воды, вращения любых видов мельниц путём сил огня, что будет очень важно для осушения шахт, снабжения городов водой и вращения всех видов мельниц».

Со временем француз Дени Папен изобретает «папенов котёл» (по-современному — скороварку), в котором впервые был применён предохранительный клапан, что способствовало более быстрому приготовлению пищи при варке её в закрытой ёмкости на огне. В 1698 году тот же изобретатель создаёт паровую машину, в которой водяной пар двигает поршень. При этом сам Дени Папен являлся медиком по образованию.

Продолжая работы в этом направлении, англичанин Томас Ньюкомен (Thomas Newcomen) изучил принципы работы своих предшественников и совместно с Джоном Калли (John Calley) построил первую поршневую машину с вертикальным поршнем, что способствовало повышению её эффективности и производительности (фото 1). Эта машина выполняла ту же работу по откачиванию воды из шахты, но уже на более совершенном уровне, в частности, пар получали в отдельном устройстве.

Машина Ньюкомена была по принципу своего действия пароатмосферной, то есть поршень совершал полезную работу, опускаясь под действием атмосферного давления, а пар использовался только для того, чтобы при его конденсации в цилиндре создавалось разрежение. Подобная установка «съедала» много угля и потребляла много воды, которой дополнительно охлаждали цилиндр для скорейшей конденсации пара, однако приносила много практической пользы.

Далее машины, использующие энергию пара для практической работы, в частности, для облегчения ручного труда человека, длительное время совершенствовались. Так, инженер и изобретатель Джеймс Уатт (James Watt) вместе с промышленником Мэтью Болтоном (Matthew Boulton) успешно модернизировали существующие паровые машины и строили новые, что оказалось широко востребовано в связи с назревающей в Англии промышленной революцией конца XVIII века. Например, для английской лёгкой промышленности потребовалось множество механических приводов для ткацких станков, и здесь укрощённая изобретателями энергия пара оказалась незаменимой.

Таким образом, вместе с экономическим ростом и индустриализацией в Европе шло и совершенствование паровых поршневых машин. Например, Уаттом была разработана машина на базе ППМ для привода прокатного стана. Далее энергетические установки на базе ППМ изготавливаются и ставятся уже на суда.

ППМ в качестве привода нашли применение в различных производствах и получали всё новое и новое предназначение (фото 2, 3). В 1804 году появляется первый в истории запатентованный рельсовый паровоз Pen-y-Darren, построенный британцем Ричардом Тревитиком (Richard Trevithick) на металлургическом заводе «Пенидаррен», — одноцилиндровый, с одной дымогарной трубой. Давление пара в котле достигало 0,28 МПа (2,8 бар), средняя скорость состава была 3,9 км/ч, а сцепной вес этого первого в мире поезда на локомотивной тяге составлял 6 тонн.

Отдельным этапом эволюции ППМ отмечается результат создания «паровой телеги», а точнее автомобиля с паровой машиной в качестве двигателя, созданного французом Никола-Жозеф Кюньо (Nicolas-Joseph Cugnot) в 1769 году.

Начало использования

Так шло время, и XVIII-XIX века прошли в работах по модернизации и совершенствованию ППМ в качестве привода для различных устройств и оборудования самого разного назначения.

Конечно, паровые машины не прошли мимо России. Следует отметить проект парового двигателя мощностью 1,8 л.с. изобретателя Ивана Ползунова, разработанный им в 1763 году и оценённый лично Екатериной II. Это устройство было первым в мире двухцилиндровым пароатмосферным двигателем с работой цилиндров на один общий вал. В 1764 году Ползунов создал второй проект — пароатмосферный паровой двигатель рекордной мощностью (32 л.с.) для наддува плавильных печей, который был построен и использовался на Барнаульском сереброплавильном заводе. А 1830 год считается рождением первого парового автомобиля «Быстрокат» Казимира Янкевича. Скорость «паромобиля» составляла 30 вёрст в час (около 32 км/ч). Продолжил эту работу крестьянин с инженерным даром — россиянин Фёдор Блинов, который в 1897 году получил патент «на особое устройство — вагон с бесконечными рельсами для перевозки грузов по шоссейным и просёлочным дорогам». Позднее это изобретение стало называться «гусеничным трактором с паровым приводом». Московский завод «Дукс», выпускавший велосипеды, перешёл на производство паромобилей и уже в 1902 году в городе Санкт-Петербурге стал призёром в номинации «по удобству и по управляемости» этого устройства.

На протяжении многих десятков лет велись работы в различных областях, в том числе по изобретению более совершенных источников движения для транспортных средств, и таким образом появились двигатели внутреннего сгорания (ДВС) — дизельные и бензиновые.

Наступило их время, и на автомобилях повсеместно стали применять ДВС, как более совершенные по многим параметрам устройства. Тем не менее, после Второй мировой войны, в связи с ограниченной возможностью производства жидкого топлива для ДВС, советские инженеры Юрий Шебалин и Николай Коротоношко вернулись к реализации проекта автомобиля с паровым двигателем [2]. Были разработаны грузовики моделей НАМИ-012 и НАМИ-018, на которых в качестве топлива применялись дрова или торф. Для этих автомобилей специально создали устройство подачи дров в горелку, и запаса такого «твёрдого топлива» хватало на 100 км хода. С учётом специфики машины данной модификации в основном применялись на лесозаготовках. Со временем этот проект был свёрнут в связи с развитием производства ДВС.

Отечественные разработки

В истории СССР были и локомобили — это передвижная или стационарная машина, использующая в качестве энергетической установки паровой двигатель, преобразующий тепловую энергию топлива в механическую. Они были распространены в серийном производстве мощностью 20, 25 и 75 л.с. [3]. А в 1951 году в Советском Союзе крупносерийно производились передвижные локомобили мощностью 25 л.с. марки П-25 (4ЛПП-20). В них использовались паровые котлы паровозного типа. Паровые двигатели — одноцилиндровые, с однократным расширением, с выбросом пара в атмосферу.

Вот некоторые основные характеристики того локомобиля: число оборотов в минуту двигателя паровой машины — 300, удельный расход топлива [кг/(л.с.·ч)]: угля (с теплотворной способностью 7000 ккал/кг) — 1,4, дров (3000 ккал/кг) — 3,5, соломы (3500 ккал/кг) — 4–6; давление пара составляло 0,13 МПа (1,3 бар); паровой двигатель имел диаметр цилиндра 140 мм, ход поршня — 230 мм, вес без воды — 3250 кг.

Локомобили такого типа в основном использовались в сельском хозяйстве для молотьбы, а в стационарном исполнении — в качестве привода оборудования в мастерских и на мельницах, а также в насосных и маслобойных установках, для привода электрогенераторов и обеспечения электроэнергией. Основное достоинство применения этих паровых машин по сравнению с двигателями внутреннего сгорания — это возможность применения местных сортов топлива (угля, торфа, дров, соломы и ряда других).

Как показывает вышеописанный опыт применения паровых поршневых машин, они достойно выполняли свою роль при эксплуатации на различных объектах. Однако время всё-таки отдало первенство ДВС, которые имели достаточно серьёзные и определенные преимущества перед ППМ, в частности, по удобству использования углеводородного топлива.

Учитывая современные реалии использования невозобновляемого ископаемого топлива и ограниченность его запасов на всём земном шаре, становится актуальной задача по разработке эффективных моделей и вариантов энергетических установок — и на их базе энергетических комплексов, работающих на альтернативном и возобновляемом топливе. Это позволяет сберегать углеводородное топливо и одновременно даёт возможность повысить энергетическую безопасность островных и автономных объектов при эксплуатации этих комплексов.

Учитывая исторический опыт эксплуатации паровых поршневых машин на различном оборудовании и транспортных средствах в самых разных странах, можно рекомендовать и рассматривать ППМ в качестве основы энергетических систем и комплексов в настоящее время. На сегодняшний день нет отечественного серийного производства ППМ, но это даёт возможность организации дополнительного расширения производства на любом машиностроительном заводе.

Это позволит не только расширить номенклатуру производимых изделий в виде энергоэффективных энергокомплексов, но и при этом повысить занятость населения, поспособствует получению отчислений в бюджеты различных уровней.

Топливом для этих энергетических установок может быть биотопливо, производимое из различных растений, дрова, пеллеты, твёрдые бытовые отходы и другие вещества, способные к сгоранию. Это обстоятельство даёт возможность применить газогенераторную технологию, благодаря которой получается газогенераторный газ для использования его в качестве топлива в паровом котле.

Создание эффективных энергокомплексов

Все эти обстоятельства обосновывают актуальность и своевременность создания производства ППМ, что расширит номенклатуру машиностроительного производства и увеличит выпуск возобновляемого топлива, в том числе стимулирует увеличение объёмов работ в агропромышленном комплексе по производству биокультур, используемых для получения энергии.

Таким образом, все эти и другие работы по созданию ППМ и обеспечение их возобновляемым биотопливом расширит многие отрасли отечественной экономики и будет способствовать получению дополнительного дохода государством в виде налогов, а также повысит занятость населения. Одним из главных показателей эффективности этих мероприятий является возможность экономить невозобновляемое углеводородное топливо с одновременным решением экологических вопросов на территориях эксплуатации подобных энергетических комплексов.

На основании изложенного выше имеется ряд публикаций по этому направлению, которые позволяют детализировать ряд вопросов, не представленные в данной работе. Так, анализ эффективности применения паропоршневой энергетической установки проведён в работе [4], работа газогенератора на твёрдых бытовых отходах описана в [5], актуальность применения паровых машин обоснована в работе [6], актуальность создания многофункциональных энерготехнологических комплексов на базе паропоршневых машин — в [7], обоснование актуальности применения возобновляемых топлив (в том числе биотоплива) в энергетических комплексах выполнено в работе [8], а вопросы создания многофункциональных энерготехнологических комплексов с проведением базового расчёта характеристик и параметров энергоустановок на базе ППМ рассмотрены в работах [9–11].

Кроме этого, учитывая изложенное выше в виде некоторого «задела» по реализации этого направления, сегодня проводятся работы по повышению энергоэффективности применения энергетических комплексов на базе ППМ в реальных условиях эксплуатации. Эти мероприятия предусматривают разработку и расчётные модели когенерационной установки и комплектующего оборудования энергетического комплекса на базе ППМ (рис. 1).

Эффективная энергоустановка

Применение такого энергокомплекса в режиме когенерации повышает его энергоэффективность и обладает рядом преимуществ: вырабатываемое вторичное тепло при производстве электрической энергии (или какой-либо механической энергии) не выбрасывается в атмосферу, а расходуется на нужды потребителя, повышая надёжность его теплои энергоснабжения, что снижает транспортные затраты на передачу тепловой энергии, обеспечивая возможность работы на возобновляемом или местном топливе.

Когенерационная установка состоит из основного оборудования: первичного двигателя в виде паровой поршневой машины для привода электрогенератора (или другого оборудования), системы утилизации и системы контроля, защиты и управления этой установкой.

Следует отметить ещё одно достоинство энергокомплекса на базе ППМ — это его возможность применения в качестве привода оборудования, например, компрессора для получения сжатого воздуха, насоса для обеспечения необходимого расхода жидкости или вместо электродвигателя, обеспечивающего вращение дисковой пилы на пилораме или движение конвейера в производственной линии и ряд другого оборудования.

Выводы

На основании вышеизложенного можно констатировать, что проводимые работы по проработке и последующей реализации этого проекта в полной мере соответствует требованию из списка приоритетных направлений научно-технологического развития «Высокоэффективная и ресурсосберегающая энергетика» [12].