Аккумулированные большие объемы сжатого воздух высокого давления - источник энергии для широкого внедрения пневмотехники

Энергетические средства аккумулируются в новых накопителях энергии в виде сжатого воздуха. Чтобы узнать, сколько энергии накоплено в газе, нужно умножить его давление на объем. Кубометр воздуха весит чуть больше килограмма. Допустим, мы сожмем воздух в 500 раз, его давление будет - 500 атм, или около 50 МПа (мегапаскалей). Тогда весь кубометр воздуха уместится в сосуде емкостью 2 литра. Если предположить, что баллон весит примерно столько же, сколько и воздух (а это должен быть очень хороший крепкий баллон!), значит, на каждый килограмм баллона придется только около литра сжатого воздуха. Но этот литр, или одна тысячная кубометра, умноженный на 50 МПа, даст в результате 50 кДж энергии!

Совсем неплохой показатель - 50 кДж/кг! И долговечность такого аккумулятора очень высока - воздух он не изнашивается.
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). Хранить газ под давлением в наземных ёмкостях непрактично в традиционных технологиях, использующих турбины. Так как требуются большие ёмкости, что, естественно, дорого. 

Примерами может послужить следующие опубликованные факты оборудования эффективных хранилищ сжатого воздуха:

• хранение энергии в виде компримированного воздуха (CAES - Compressed Air Energy Storage);
• аккумулирование энергии при компримировании воздуха осуществляется компрессорами до определенного давления с последующим хранением его, как правило, в подземных пещерах под давлением 70 бар.

Создание наземных хранилищ воздуха, во-первых, дороже, во-вторых, ограничено вместимостью сосудов высокого давления. Самое большое наземное хранилище воздуха имеет емкость, эквивалентную производству около 60 МВт•ч электрической энергии.

Существуют два действующих хранилища первого поколения CAES:

• Huntorf (Германия) мощностью 110 МВт, способное работать в течение 26 ч и поставить потребителю электроэнергию в количестве 2860 МВт•ч;
• McIntosh (Alabama, США) мощностью 290 МВт (рис. 2), рассчитанноена работу в течение 3 ч для производства 870 МВт•ч энергии.

 

В период увеличения спроса на электроэнергию сжатый воздух отбирается из хранилищ и подается в турбины, где расширяется, генерируя при этом электроэнергию.

 

К преимуществам CAES-систем можно отнести:

• наличие накопленного опыта работы,
• общедоступность рабочего тела, которым является воздух,
• стандартность применяемых материалов и турбомашин.

К недостаткам:

• необходимость наличия крупных подземных геологических формаций или соляных шахт в непосредственной близости от потребителей электроэнергии, что не всегда возможно;
• низкий коэффициент преобразования энергии, равный 42%.

 

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.

В рамках проекта RICAS 2020 европейские ученые и инженеры при поддержке ЕС проводят в Норвегии испытания нового типа хранилища энергии в пещерах со сжатым воздухом, эффективность которых должна почти вдвое превзойти современные аналоги.

С ростом популярности возобновляемых источников энергии, ветра и Солнца все важнее становятся технологии хранения выработанной энергии. Одним из наиболее дешевых методов является гидроаккумуляция электроэнергии. Однако, этот метод подходит только для регионов с большими перепадами высот.

Менее везучим странам ученые предлагают в качестве средства хранения энергии воздух. Принцип прост: сжатый воздух закачивается в подземные пещеры. Когда энергия нужна, его выпускают через газовую турбину, которая производит электричество. Этот способ позволяет дополнять обычные электростанции в моменты пиковых нагрузок. Такие хранилища сжатого воздуха уже существуют. Крупнейшие из них - в Германии и США. Это подземные помещения в соленосных толщах. Однако, такие станции теряют большую часть потенциальной энергии, потому что не обладают системой хранения тепла, вырабатываемого на этапе сжатия воздуха.

Ученые обошли принцип неопределенности Гейзенберга

Участники проекта RICAS 2020 надеются сократить эти потери, добавив в схему еще один элемент. Двигаясь вниз, в подземное хранилище, сжатый воздух, нагретый в процессе закачивания, проходит через отдельные пещеры, заполненные гравием, и отдает свое тепло камням. Затем, охладившись, он хранится в главной пещере. На обратном пути он нагревается от тепла камней и расширяется, а потом проходит через турбину, вырабатывающую электричество.

Ученые полагают, что эффективность такой системы составит 70-80%, в отличие от 45-55% существующих хранилищ сжатого воздуха.

 

«Проект основан на уверенности в том, что наше решение предлагает лучшие условия хранения энергии, чем когда-либо смогут предложить батареи, благодаря долгому сроку службы и низким капитальным затратам за кВт*ч сохраненной энергии. Мы также полагаем, что он может быть воплощен на любой доступной территории, вне зависимости от геологической формации», - говорит управляющий проектом Джованни Перильо.

Единственное условие, все же, должно выполняться - большие полости в толще земли уже должны существовать, поскольку выкапывать новые безопасные пещеры слишком дорого, сообщает Phys.org. 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.

Прежде всего, для создания накоплений больших объемов воздуха высокого давления, содержащих сравнительно дешевую энергию, требуется высокопроизводительная установка.

В статье «Сжатый газ - надежный источник чистой энергии» от 15 августа 2017 на портале i-mach подчеркнуто «Есть идея, которая позволяет отказаться, от дорогих и капризных компрессорных установок, потребляющих электроэнергию. Сжимать воздух предлагается энергией взрыва в замкнутых объемах». На новых 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.

 

Итак, взрыв. Взрыв - процесс освобождения большого количества энергии в ограниченном объеме за короткий промежуток времени. Так, например, в результате взрыва, твердое взрывчатое вещество (ВВ -  взрывчатое вещество, прим.ред.) за миллионные доли секунды переходит в новое агрегатное состояние - разогретый газ - без изменения объема. Разогретый газ при этом будет находиться в сверхсжатом состоянии: сотни тысяч атмосфер. Резко расширяясь, сжатый газ воздействует на окружающую среду. Энергия молекулярных связей при взрыве ВВ выделяется при превращении его в газ в виде теплоты. Температура сжатого газа достигает несколько тысяч градусов. 

 

Заряд 1 кГ гексогена, объем которого 0,6 л, а теплота взрыва 5,4 мДж (1300 ккал), переходит в газообразное состояние за 10 мкс, что соответствует мощности порядка 500 млн. квт (в десятки раз больше, чем мощность самой крупной электростанции в мире).
Эти свойства ВВ следует использовать при создании давления газа в ограниченных 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.

Примером может послужить действующие газогенераторы. В технике часто требуется быстро получать небольшие количества газа, например, для наддува топливных баков, перемещения движущихся частей различных устройств, катапультирования пилота, размыкания и замыкания цепей электрического тока, приведения в действие клапанов пуска небольших газовых турбин и др. Для этого разработаны специальные газогенераторные патроны. Источниками газов в них могут быть нитроцеллюлозные пороха, твердые ракетные топлива, пиротехнические составы.

Основные требования к газогенерирующим составам - это обеспечение низкой температуры газа и малой скорости горения, а также минимальное количество твердых остатков при сгорании. Желательно, чтобы зависимость скорости горения от температуры была также наименьшей.

Газы должны обеспечить выходные параметры газогенераторов, которыми являются: количество газов, выделяемых в секунду, общий объем полученных газов и их давление.

Сами газогенераторы должны иметь минимальные массу и габаритные размеры, быть конструктивно несложными и надежными в работе, особенно если они применяются в космических объектах.

В газогенераторных составах в качестве основных компонентов, не дающих при сгорании твердых остатков, используются нитраты аммония и гуанидина и нитрогуанидин. Смеси на основе нитрата аммония более гигроскопичны и труднее воспламеняются.

В начале 60-х г. в США стали разрабатываться составы на основе перхлората аммония. В них входили полиэфирные смолы, дигидроксилглиоксим (С₂Н₄О₄N₂) и катализаторы полимеризации. Состав, содержащий 74 % перхлората аммония и 26 % органических веществ, горит при Р = 700 МПа со скоростью 2,7 мм/с. Температура горения 123 °С, плотность 1,63 г/см³, удельный импульс примерно 200 с.

 

В настоящее время в НИИПХ разработаны газогенерирующие составы на основе нитрата калия, магния и пентаэритрита с температурой горения 1200 К и массовой долей газов 50 %.

Таким образом, основными задачами, решаемыми при разработке нового привода, являются:

 

• увеличение давления рабочей жидкости до 100 МПа,
• сокращение времени приведения устройства в боевую готовность и быструю перезарядку.

 

В частности, предлагается в качестве источника энергии использовать газ под давлением, получаемый при сгорании пиропатрона. Пиротехнический патрон состоит из картонной гильзы 1 с шашкой, картонной оболочки 2, в которую впрессовывается льдообразующий состав 3, порохового вышибного заряда 4 и капсюля-воспламенителя 5. Пиротехнический патрон стандартного образца, диаметром 39 мм, выстреливается из кассет ЭКСП-39.

При выстреле луч огня от капсюля-воспламенителя поджигает пороховой заряд, образующиеся в результате его горения пороховые газы выталкивают шашку из оболочки и одновременно воспламеняют льдообразующий состав. Пиросостав для этих патронов состоит из 50 % AgI, 40 % NH₄ClO₄ 1300 °С, время горения при¬мерно 14 с (при давлении 66,5 кПа).и 10 % идитола. Температура горения состава 1200°С.

В ранее предложенной конструкции накопленный в ресивере газ воздействует на рабочую жидкость, которая по шлангам высокого давления подается к исполнительному органу. 

Сущность предлагаемой модели привода поясняется чертежом (рис. 1), на котором представлен переносной гидравлический аварийно-спасательный инструмент содержит исполнительный механизм 1 со сменным рабочим органом 2.

 

Рис 1. Переносной гидравлический аварийно-спасательный инструмент

 

 

В качестве рабочего органа могут быть использованы, например, ножницы, расширители или резаки. Исполнительный механизм-1 соединен шлангами высокого давления с приводным механизмом, выполненным в виде отдельного узла в ранцевом исполнении. Элементы приводного механизма закреплены на основании-3 снабженном ремнями-4, основание-3 может быть изготовлено, например, из композитного материала. Приводной механизм содержит пирогенератор давления рабочей среды включающий пневмогидронасос-5 заполненный рабочей жидкостью и снабженный расширителем-6. Исполнительный механизм-1 соединен шлангом высокого давления-7, имеющим быстроразъемные соединения на концах (на чертеже не показаны) с пневмогидронасосом-5 и шлангом высокого давления-8, имеющим быстроразъемные соединения на концах (на чертеже не показаны) с расширителем-6. Пневмогидронасос-5 соединен шлангом-9 через редуктор давления-10 с ресивером-11, выполненным в виде емкости и заполненным воздухом. Ресивер-11 через редуктор давления-10соединен с камерой-12 снабженной затвором с системой инициации и предназначенной для установки сменного пиропатрона (на чертеже не показан) и предохранительным клапаном.

Предлагалось газовиками Сибири для аварийных работ на газопроводах использовать установку, где в качестве газогенерирующих составов использовать взрывную смесь природного газа и воздуха. Таким же образом предлагалось использовать установку для работы автономного источника электроэнергии, действующего от перепада давления газа. Аналогом для разработки подобной установки может послужить установка Примова (а.с. SU 1083369 А). В ряде задач, связанных с криогенной и холодильной техникой, а также при накоплении в хранилищах больших объемов сжатого воздуха для развития пневматики требуется достижение высоких до 300 степеней повышения статического давления. При традиционном подходе к проектированию лопаточных машин это неизбежно ведет к увеличению диаметра компрессора и количества ступеней. При этом снижается КПД сжатия из-за возникновения локальных зон сверхзвукового течения на периферии лопаточного венца. Растут и потери, связанные с перетеканием газа через уплотнения ступеней осевого компрессора.

Идеальным объектом, позволяющим сжимать газ, является ударная волна, протяженность которой составляет порядка нескольких длин свободного пробега молекул газа.

В детонационной волне, распространяющейся со скоростью 1500-2500 м/с, достигается максимальная концентрация химической энергии, запасенной в горючем (энергия выделяется в тонком слое ударно-сжатой смеси). Благодаря тому, что в детонационном двигателе сжигание топлива происходит в ударных волнах примерно в 100 раз быстрее, чем при обычном медленном горении (дефлаграции), этот тип двигателя теоретически отличается рекордной мощностью, снимаемой с единицы объема, по сравнению со всеми другими типами тепловых двигателей. Помимо высокой удельной мощности детонационные двигатели потенциально имеют и другие существенные преимущества. Например, в ходе цикла детонационного горения температура сгорания очень высокая. Процесс быстрого горения имеет наиболее привлекательный термодинамический режим. Но скорость сгорания также очень большая и окислы азота не успевают образоваться, поэтому детонационные двигатели потенциально являются экологически чистыми. В качестве альтернативы традиционным решениям предлагается вместо нескольких осевых и центробежных ступеней использовать принципиально новое устройство - ударно-волновой (волновой) компрессор (УВК), сжатие в котором происходит в оптимальной системе бегущих ударных волн. УВК не может работать без предварительного разгона и сжатия воздуха (так же как и прямоточныйвоздушно-реактивный двигатель не может работать при нулевых скоростях). Конструкция волнового компрессора создается на основе теории оптимальных бегущих косых ударных волн.

 

В настоящее время (в последние 19 лет) были созданы теория и математический аппарат, достаточные для проектирования оптимальных ударно-волновых структур (УВС). Научная группа под руководством В.Н.Ускова последовательно развила теорию О концепции волнового компрессора и оптимальных ударно-волновых структурах . Предлагаемая схема УВК представляет собой ротор с сетью каналов особого профиля напоминающих профиль сверхзвукового воздухозаборника, «намотанного» на цилиндр, в которых при раскрутке ротора до частот вращения, обеспечивающих окружные скорости, превышающие скорость звука, будет возникать система скачков уплотнения, сжимающая газ. Использование УВК вместо многоступенчатого осевого компрессора позволит собрать всю конструкцию на одном валу, значительно уменьшив при этом габариты двигателя. В частном случае канал может быть спрофилирован таким образом, чтобы торможение происходило в простых волнах сжатия без потери полного давления. 

 

Преимуществ УВК несколько. В системе ударных волн достигается гораздо большая степень сжатия, а сами ударные волны имеют пренебрежимо малую протяженность (толщину), что позволяет сократить габариты компрессора. В его конструкции применен плоский «блин»с радиальными лопатками, но, главное, устройство предполагается использовать для сжигания горючей смеси (рис 2.) . 

 

Рис. 2.

 

 

Рассмотрение одного из прорывных и принципиально новых направлений в технике сжатия газов - разработке и созданию ударно-волновых компрессоров, в которых сжатие газа осуществляется в скачках уплотнений, возникающих при торможении сверхзвукового потока в газодинамических каналах компрессора и позволяющих достигать многократного повышения степени сжатия в одной ступени по сравнению с существующими типами компрессоров. В частности, ведутся опытно-конструкторские работы по освоению производства и внедрению ударно-волновых компрессоров 1-го поколения в области захвата, изолирования и захоронения СО2 для борьбы с парниковым эффектом, глобальным потеплением и усилением природных катастроф . Создан стандартный типоразмерный ряд углекислотных ударно-волновых компрессоров для электростанций мощностью 200...800 МВт с целью закачки захваченного СО2 в подземные пласты или использования для интенсификации нефтеотдачи.

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. Идея использования сжатого воздуха в качестве средства сохранения энергии и ее дальнейшего использования для обеспечения пневмотехники получила практическое воплощение для обеспечения бесперебойной подачи электричества. Теперь о полезных потребителях пневматической энергии. Пневмодвигатели или пневмомоторы представляют собой энергосиловые машины, действие которых направлено на преобразование энергии сжатого воздуха в полезную механическую работу.

В зависимости от принципа действия пневмодвигатели бывают турбинные и объемные. Другим критерием классификации является направление движения, так различают поворотные и линейные механизмы. К линейным относят баллонные, поршневые, мембранные и другие виды двигателей, а к поворотным - лопастные модели. Турбинные модели работают за счет воздействия потока внутреннего воздуха на лопатки, имеющиеся в турбине. Сегодня большое распространение получили именно объемные пневмодвигатели, как, например, ротационные, поршневые, камерные или баллонные.

Широкий спектр применения пневмодвигателей возможен благодаря таким характеристикам, как разнообразие моделей, простота конструкции, малый вес, взрывобезопасность, большой диапазон частоты вращения. Разные варианты пневмомоторов могут быть применены в различных секторах промышленности: фармацевтическая промышленность и медицина, пищевая промышленность, подводные технологии и оборудование, судостроение, бумажная промышленность, пневмоинструменты, машиностроение и прочее.

Двигатели данного типа могут применяться и для нестационарных работ, например, в промышленности. Часто встречаются сверлильные, шлифовальные, фрезерные машины, обладающие небольшим весом и габаритами. Использование нержавеющей стали в производстве пневмомеханизмов делает их устойчивыми к кислым средам, теплу, другим сложным условиям работы. Такое решение является практически идеальным для применения в приводных устройствах - промышленных миксерах и мешалках.

Такой механизм, как "легкий ролик", основанный на вышеупомянутом принципе работы, позволяет без труда человеку перемещать грузы до 100 тонн. Сложно представить, что с помощью такого устройства можно передвигать огромные рулоны бумаги, вагоны на железной дороге, припаркованные самолеты и др.Безотказность и безопасность пневмоприводов делает их незаменимыми во многих сферах деятельности человека.

В сравнении с другими типами двигателей, пневмодвигатель имеет ряд преимуществ: защита от перегруза, низкие расходы для установки, простота технического обслуживания и использования, защищенность от взрыва, малые габариты и вес, низкий уровень рабочего шума, возможность стерилизации, другие. Привод дожимных компрессоров в пожаро-взрывоопасных условиях (угольная и нефтехимическая промышленность) может быть обеспечен пневматическим двигателем. Выполнение пневмодвигателя и компрессора на одном валу (агрегатирование) на унифицированных компрессорных базах общепромышленного назначения позволит снизить металлоемкость машины в целом.

На сегодняшний день ведущие производители пневмоинструмента - Комсомольский механический завод, Московский завод «Пневмостроймашина», Конаковский завод механического инструмента, Екатеринбургский завод пневмоинструмента, Томский электромеханический завод им. В.В.Вахрушева (основной производитель отбойных молотков).

Но если среди отечественных производителей конкуренция не является основной задачей, то между иностранными компаниям она достаточно жесткая. Высококачественный и эргономичный пневмоинструмент производит множество иностранных фирм, среди которых: Ingersoll-Rand, Bosch, Makita, Abac, Festo, Atlas Copeo, Comarid, Chicago Pneumatic, Daewoo.Поршневые пневматические двигатели GLOBE используются в тяжелых эксплуатационных условиях, где требуются высокие моменты.

 

Типичные области применения для них - это лебедки, подъемники, приводы насосов, компоненты в морских судах и горной промышленности. Опционально эти двигатели могут поставляться с пропорциональным клапаном для точного регулирования скорости, пневматическим тормозом и редуктором. Интересно развивается пневматика в автотранспортном машиностроении..
Недавно, напомним, в прессе появилась информация о том, что индийская компания Tata Motors намерена начать выпуск воздухомобилей OneCAT. В таких машинах силовая установка работает на сжатом воздухе, подающемся из встроенных в шасси баллонов Не исключено, что в течение ближайших лет на дорогах Соединенных Штатов появятся транспортные средства, работающие на сжатом воздухе. По крайней мере, как сообщает CNET News, вывести такие автомобили на американский рынок в скором времени планирует компания Zero Pollution Motors.

Электростанции основанные на получении электроэнергии от сети сжатого газа известны, они неоднократно описывались в литературе под наименованием турбодетандеры. Вниманию также подлежат легкие беспилотные летательные аппараты на сжатом воздухе, малозаметные, малошумные и не выделяющие тепла, полностью построенные из композиционных материалов взрыво - пожаробезопасные. Разработаны варианты квадракоптера, как с автономным композитным баллоном высокого давления, так и с аккумулятором сжатого газа высокого давления стационарным, соединенным капиллярным шлангом с квадракоптером, с ограниченным радиусом полета.

Разработке подлежат высокооборотные пневмокосилки газонов, легкие ,простые и малошумные. Известны подводные аппараты, работающие от стационарного накопителя сжатого воздуха соединенные с ним шлангами высокого давления. Воздух служит для произведения работ пневмоинструментами, получения электроэнергии для освещения и работы приборов и для дыхания людей обслуживающих аппарат. Вот тот минимальный перечень пневмотехники способной работать от сети дешевого сжатого воздуха.