Макаров Андрей Фадеевич, аспирант-заочник СамГТУ, Ст.научн.сотр. лаборатории безопасности взрывных работ НЦ ВостНИИ (БВР и ГКИ ВМ и СВ)
Рассматривается экономический аспект возможного применения "альтернативных" моторных топлив и циклов тепловых машин в связи с уничтожением дешёвых нефтяных ресурсов и глобальным экологическим кризисом.
В настоящее время для преобразования химической энергии в механическую работу используются двигатели внутреннего сгорания (ДВС) – разновидность тепловых машин. В качестве топлива в ДВС могут использоваться горючие вещества (углеводороды, спирты, газы и пр.) в смеси с зарядами сжатого воздуха или другого окислителя. При расширении продуктов вспышек в ДВС часть тепловой энергии рабочего тела преобразуется в механическую работу перемещения поршня, вращения турбины или – в кинетическую энергию газов, истекающих из ракетного сопла.
Экономическую конкурентоспособность (К) топлив-горючих можно определить как отношение удельной теплотворной способности моторного горючего (Q) к стоимости 1 кг (С), умноженное на показатель КПД (h ) цикла тепловой машины: К =h Q/С. За 1 примем показатели бензиновых ДВС (Кб=1). Другие факторы: экологичность цикла, ограниченность сырьевых ресурсов, масса силовой установки, эксплуатационные затраты, безопасность – также существенно влияют на показатель эффективности.
В качестве примера сравним конкурентоспособность бензина, этилового, метилового спирта и природного газа (ДВС по циклу Н.Отто), а также дизтоплива (ДВС по циклу Р.Дизеля). Результат представляет определённый интерес, т.к. во всём мире, отравляя биосферу, в ДВС сжигается свыше 1млрд.тонн углеводородных горючих в год. Всего извлекается из земных недр около 70 млн. баррелей нефти в сутки (~4 млрд. т ежегодно) [1].
В бензиновых ДВС показатель КПД составляет h =30-35% (расширение продуктов вспышки в e ~8-10 раз). Низшая теплота сгорания (вода – пар) в "бесплатном" воздухе для бензина, этанола, метанола и метана составляет: (-СН2-)n – 10500, С2Н5ОН – 7200, СН3ОН – 5300, СН4 – 13100 ккал/кг. Однако в условиях ДВС сгорают переобогащённые топливные смеси, поэтому реальную энергоотдачу горючих веществ, Q, примем на ~10% ниже: 9500, 6500, 4800, 12000 ккал/кг (с учётом потерь на образование СО и СНх). Стоимость 1кг горючих по уровню среднемировых цен в бензиновом эквиваленте ~1 доллар за 1 литр (~750г) [1] составляет: этанол - 1,2, метанол - 2,0, метан ~0,1. Отношение Кальт./Кб – характеризует эффективность "альтернативного топлива" и составляет: для этанола: Кэт.с./Кб =0,57, для метанола: Км.с./Кб =0,25, для метана: Км/Кб =12,6. Достоинством "альтернативных топлив" является более экологичный выхлоп ДВС: для этанола до 3-5 раз, для метанола и метана – до 8-10 раз. Для этанола Кэт.с. оказывается почти в 2 раза ниже, но на опыте Бразилии, полностью перешедшей на этот вид возобновляемого моторного горючего, – этанол перспективен. Сырьевая база синтетического метанола ограничена ресурсами угля, метанол ядовит и требует защитных мер. Очень высокая эффективность метана – компенсируется увеличением массы и объёма (газобаллонного) бака в 10-15 раз, а также затратами на газобаллонное оборудование. Кроме того, удельная мощность ДВС на газо-воздушном топливе ниже бензо-воздушных ДВС на ~20%. Наконец, все сжатые или криогенные горючие газы взрывоопасны. Особенно это относится к водороду. Перспективные гидридные баки интерметаллидов вмещают лишь до ~2-3% водорода по массе [2,3].
Эффективность дизельного топлива оказывается выше бензина в Кд.т./Кб ~1,5 раза. Сгорание доз распыляемого горючего происходит в избытке воздушного заряда, расширение продуктов вспышки e ~20, КПД цикла Дизеля достигает h ~40%. Выхлоп дизелей менее опасен бензиновых ДВС, отработавшие газы могут очищаться через поглотительные растворы, но масса и стоимость дизелей несколько выше. Кроме того, в связи с уничтожением нефтяных ресурсов, все нефтяные горючие через ~20-30 лет будут неконкурентоспособны [1]. Экономика "биодизельных", "биогазовых" и "синтетических жидких топлив" (СЖТ) – уступает сегодняшней эффективности бензина.
Определённый интерес представляют паровые двигатели внешнего сгорания. Достоинством паровых машин является их "всеядность", вплоть до дешёвого каменного угля, уничтожение которого растянется на 100-150 лет. КПД паровых машин может достигать до 15-20% - при достаточном перегреве рабочего тела-пара перед подачей на газорасширительный механизм (цилиндр, турбину) и ранней "отсечкой" пара в расширительном цилиндре. Экологичность цикла внешнего сгорания превышает показатели ДВС на ~2 порядка и более. Однако, недостатки паровых машин – громоздкость испарителей, теплообменников и пароперегревателей, инерционность всего "оборотного" цикла – сложная конструкторская задача.
…Но оказывается, что существует "хорошо забытый" цикл работоотдачи унитарных топлив, изобретённых раньше ДВС и раньше паровых машин.
Унитарные топлива – пороха, взрывчатые вещества и пиротехнические топлива – это смеси окислитель+горючее. Топливо – окислительсодержащее, конденсированное, а не газофазное. Такты сжатия, продувки, зарядки – отсутствуют. Если жидкое топливо-порох превращается в газы на 100%, то расширение рабочего тела в цикле может достигать до e ~103, что до ~102 раз превышает расширение газофазных зарядов в атмосферных ДВС, или перегретого пара – в паровых цилиндрах и турбинах.
…Но оказывается, что расширение продуктов сгорания конденсированных топлив может быть выше газофазных зарядов в ДВС на 2 порядка (не только в 2 раза).
Работоотдача топлива-пороха в адиабатном цикле вычисляется как:
А =Q{1-(V1/V2)к-1} =Q{1-(Р2/Р1)(к-1)/к} =Q{1-(Т2/Т1)},
где: V1,P1,T1 и V2,P2,T2 – объём, давление и абс.температура газов соответственно в начале и в конце цикла расширения (вода – пар), Q – теплота сгорания (газопревращения) топлива-пороха, к~1,3 – показатель адиабаты [4]. В теории ДВС [5] выражение для КПД адиабатного расширения h t = 1 –1/(V2/V1)к-1 равносильно вышеприведённому: h t=А/Q = 1–(V1/V2)к-1, что при расширении рабочего тела в e ~V2/V1=50-100 раз соответствует КПД h t=А/Q ~68-74%. Поскольку других "паразитных" тактов сжатия-продувки-зарядки и потерь уже нет, цикл топлива-пороха – это цикл чистого расширения, это прямое преобразование химической энергии в механическую работу.
Оказывается, что в теории тепловых машин проще топлива-пороха быть не может ничего.
Изобрести топливо-порох целесообразно на водной основе, в виде раствора, где вода-растворитель – "хорошее" рабочее тело и регулятор температуры сгорания: ОКИСЛИТЕЛЬ+ГОРЮЧЕЕ+РАСТВОРИТЕЛЬ. Самый безопасный окислитель – нитрат аммония NH4NO3 (аммиачная селитра, АС), а горючие – дешёвые растворимые вещества: карбамид СО(NH2)2, спирты R-OH, аммиак NH3, амины, каменноугольная пыль и пр. Стехиометрические водо-нитратные смеси (ВНС) из-за высокой плотности жидкой фазы могут только гореть (под давлением), но не детонировать.
…Но оказывается, что топливом могут быть растворы, дисперсии, пены, эвтектики и легкоплавкие смеси типа ОКИСЛИТЕЛЬ + ГОРЮЧЕЕ.
Процесс сгорания легкоплавкой (1080С) стехиометрической смеси АС/карбамид 80:20 описывается уравнением:
3NH4NO3 + CO(NH2)2 = 8H2O (пар) + 4N2 + CO2 + 760 ккал/кг.
В отсутствии катализаторов при обычных условиях ВНС-топливо не горит, только плавится (воспламенение при ~2500C), водонаполненные смеси и плавы ВНС не детонируют, ВНС стабильны при хранении, ВНС безопасны для человека – на уровне растворов азотных удобрений (3-4-й класс опасности).
…Но оказывается, что унитарные топлива-растворы могут быть безопаснее бензина, газа, или спирта.
Схема тепловой машины по циклу "чистого расширения" – как газорасширительной машины открытого цикла – это мини-реактор сгорания раствора + паро-газовый исполнительный механизм. Пароперегреватели, топки, котлы и конденсаторы – отсутствуют. Рабочее тело пар+газы с необходимыми начальными параметрами Р1, Т1 из реактора поступает в цилиндры или на турбину. Для 50-кратного адиабатного расширения газов (ε =V2/V1=50, КПД h t=68%) до конечного давления Р2=1атм. при температуре Т2=1000С (вода – пар) необходимо начальное давление Р1=158 атм. и температура Т1~9000C (12000К). Это соответствует индикаторному давлению бензо-воздушных вспышек в существующих атмосферных ДВС со снижением теплонапряжённости цикла в 2,5–3 раза, что позволяет отказаться от охлаждения рабочей зоны – как в паровых машинах.
…Но оказывается, что "подвод давления" к рабочему телу – эффективнее классического "подвода тепла" в атмосферных циклах газо-тепловых машин.
Диапазон регулируемых параметров в реакторе: Т1~400-23000С - регулируется содержанием воды в топливе-растворе (до ~50% воды); Р1~20-104атм. - регулируется расходом топлива-раствора (до ~10г/с и более). Отметим, что замена реактора испарения паровых машин на мини-реактор "жидкого пороха" – равносильна унификации окислителя, горючего, рабочего тела, системы охлаждения, пароперегревателей, топок, котлов и конденсаторов. Марки высоколегированной стали для аммиачных и азотно-кислотных реакторов крупнотоннажных азотных производств под высоким давлением и температуре чрезвычайно агрессивных сред служат ~10 лет [7].
…Но оказывается, что идея паровой машины – изначально "подстроена" под растворы унитарных топлив с открытым циклом сверхкритического пара.
Наконец, целесообразна утилизация отработавших паров и их "бесплатного" конденсационного тепла (1000С) на растворении и подогреве порций рабочего раствора во встречном теплообменнике труба-в-трубе. Это позволит загружать топливный бак кристаллизованными порциями топлива (шары, цилиндры, эллипсоиды) с содержанием "балластной" воды-растворителя ~3-5% и независимо от температуры окружающей среды. Аккумуляция "бесплатного" конденсационного тепла и пара (1000С) отработавших газов на растворении и подогреве раствора – повысит энергонасыщенность топлива на 10-15%, с выделением ~850-900 ккал/кг тепла и ~1000 л/кг газовых продуктов, что соответствует показателям бездымных пироксилиновых порохов.
…Оказывается, что энергонасыщенность топлива-раствора может быть как у бездымного пороха.
Оценим экономические показатели применения легкоплавкой смеси АС/карбамид 80:20 в сравнении с горючим-бензином.
Исходные данные для унитарного топлива-ВНС:
1. Теплота сгорания безводной смеси АС/карбамид 80/20 составляет 760 ккал/кг (вода – пар). Растворитель – "бесплатная" вода (пар) из отработавших газов, и в цикле растворение-сгорание-растворение не учитывается. Аккумуляция тепла при растворении 1 кг сухой смеси в "оборотном" растворителе – 60 ккал, аккумуляция тепла при подогреве 1 кг 85%-ого раствора ВНС до 1000С "бесплатным" теплом отработавших газов – 50 ккал. Таким образом, энергонасыщенность горячего топлива-раствора в процессе его подготовки возрастает на 60+50=110 ккал/кг, а теплота сгорания горячего раствора в пересчёте на сухие компоненты, загружаемые в топливный бак, составит 760+110 = 870 ккал/кг.
2. Термодинамический КПД цикла адиабатного расширения рабочего тела в ε =V2/V1~50 раз составляет 68%, в ε =V2/V1~100 раз – 74%. Система жидкостного охлаждения отсутствует, потери в тактах сжатия-продувки-зарядки – отсутствуют. Для расчёта примем значение КПД h =65%.
3. Стоимость растворов синтеза АС с концентрацией ~95% перед стадией грануляции в цикле существующих азотных предприятий на европейском рынке составляет менее 80 долл./т (ориентировочно ~50 долл./т). Стоимость плавов карбамида перед стадией грануляции примем 100 долл./т. Средневзвешенную отпускную цену топлива-смеси АС/карбамид 80:20 (с влажностью до ~5%) примем 85 долл./т, или 0,085 долл./кг.
Отношение показателей экономической эффективности для топлива-ВНС и горючего-бензина Квнс/Кб = {h внс Qвнс/Свнс} : {h б Qб/Сб} составляет:
Квнс/Кб = {(870 * 65) / 0,085} : {(9500* 35) / 1,33} = 2,7
Таким образом, эквивалентные затраты "на топливо" для топлива-ВНС будут ниже в 2,7 раза. При этом массовый расход дешёвого топлива-ВНС по сравнению с дорогим бензином возрастёт в (9500ккал/кг * 35%) : (870ккал/кг * 65%) = 5,9 раз. При плотности ВНС r внс=1,45г/см3 (что в 2 раза выше плотности бензина r б~0,75г/см3), объём бака увеличится в 3 раза. В экономическом смысле: замена сжигаемых в ДВС углеводородных горючих (~1,2 млрд. т.) на эквивалентное количество (7 млрд. т.) топлива-раствора в паровых "сверхкритических" двигателях дало бы экономию ~1 триллион долларов в год. В дальнейшем, по мере уничтожения нефтяного сырья, эффективность ВНС-топлива будет только увеличиваться (Квнс/Кб > 2,7).
…Но оказывается, что цикл "чистого расширения" топлива-пороха уже сегодня в 2,7 раза экономичнее циклов атмосферных нефтяных ДВС.
Дополнительные преимущества топлива-раствора:
1. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ВРЕДНОСТЬ продуктов сгорания ВНС-топлив на 2-3 порядка ниже опасности отработавших газов бензиновых ДВС и газов детонирующих аммиачно-селитренных ВВ. Экспериментальное определение СО и NOx в газовой фазе сгорающего плава АС/карбамид 80:25 (+5% катализатора) обнаруживает снижение концентрации СО по сравнению с бензиновым выхлопом на 3 порядка, а по NOx – на ~2 порядка – по сравнению с дизельным. Резкое снижение выхода ядовитых газов известно и для водонаполненных детонирующих ВВ [6]. Сгорание горючих веществ в жидком окислителе-NH4NO3 (35%N2, 20%О2, 45%Н2О) сравнимо с горением в жидком воздухе (76%N2, 23%О2). Доля углерода в ВНС-топливе составляет 4,0-5,5% (0% - для горючего-аммиака NH3), что в ~20 раз ниже "углеродистости" бензина и дизтоплива. Молекулярная гомогенизация со-растворимых ингредиентов ВНС – способствует полноте экзотермических реакций уже в конденсированной фазе. ВНС-топлива – как способ аккумуляции и хранения малоуглеродных энергоносителей – неизвестная разновидность водородной энергетики. Сырьевая база и весь азото-водородный цикл ВНС – естественным образом вписаны в кругооборот азота и воды и тепловой баланс планеты. Полная замена бензина и дизтоплива на топливо-ВНС снизит выбросы в атмосферу Земли: СО2 – на ~2 млрд. тонн, СО – на ~80 млн. тонн, NOx – на ~30 млн. тонн, СНх – на ~50 млн. тонн ежегодно.
…Но оказывается, что топливо-раствор может быть водородным топливом.
2. ДОСТИЖИМАЯ МОЩНОСТЬ "пороховых" машин – многократно превышает показатели атмосферных ДВС и ограничена лишь конструкционной прочностью газо-/гидро/расширительного механизма. Независимость "пороховой" мощности от "оборотистости" вала двигателя – резко упрощает привод к движителю (колесу, винту, водомёту, гидроцилиндру, гидромотору и т.п.). Снижение "механических" потерь мощности в трансмиссии на 50% – по аналогии с приводом паровых машин – эквивалентно дополнительному увеличению эффективности ВНС-цикла в сравнении с атмосферными ДВС в ~1,5 раза, т.е. Квнс/Кб ³ 4.
…Но оказывается, что "пороховой" двигатель – много проще атмосферных ДВС.
Оказывается, что аммиачно-селитренные смеси, используемые сначала как удобрения, а последние ½ века – как самый дешёвый источник энергии взрыва, в газо-механическом эквиваленте топлива-раствора – наиболее дешёвый источник механической работы. Цикл прямого преобразования химической энергии в механическую работу – эффективнее разрабатываемых технологий электротопливных элементов, "биотоплив" и электромобилей с миллиардными ассигнованиями.
…Но оказывается, что возможны инновации с мировой эффективностью ~1трлн. долларов в год, полезные для окружающей среды, а не уничтожающие её.
3. Газо-тепловые двигатели на унитарном топливе-растворе могут работать независимо от окружающей среды: под водой, в шахтах, в стратосфере, на Луне. По сравнению с известными "оборонными" ДВС на взрывоопасных, токсичных и дефицитных топливах-ВВ (нитрометан СН3NO2, перекись водорода Н2О2, производные гидразина N2H4, органические нитраты RONO2) стоимость ВНС-топлив ниже на ~2 порядка, а безопасность в обращении с водосодержащими смесями и плавами – ниже опасности гранулированной аммиачной селитры-удобрения (мировое производство ~20 млн.т в год) и ниже бензина.
В настоящее время азотная промышленность – одна из ведущих отраслей во всех индустриально развитых странах [7]. Необходимый водород для синтеза аммиака получают конверсией природного газа с водяным паром по схеме: СН4 + Н2О « СО + 3Н2, при этом доля стоимости природного газа на азотных производствах достигает до 50-70%. В то же время, в рамках водородной энергетики известны различные способы получения первичного водорода из воды, в т.ч. конкурентоспособные с природным газом [3, 8]. Удешевление первичного сырья-Н2 – означает дополнительное удешевление синтетических ВНС-топлив – дешёвых и технологичных аккумуляторов энергии идеального – водородного – топлива.
В настоящее время мировая азотная промышленность производит около 200 млн.т аммиака в год. Полная замена углеводородных горючих на топлива-ВНС потребует увеличение мощностей мировой азотной промышленности почти на 2 порядка. Однако, ВНС-топлива конкурентны с бензином уже сегодня, когда запасы дешёвого нефтяного сырья ещё не уничтожены. Очевидно, что через 15-20 лет на рынке транспортных и силовых технологий будут востребованы самые дешёвые, эффективные и безопасные технические решения. Контроль топливных технологий – возможность мирового контроля.
Список литературы
"Поиск", № 12 (774) 26.03.2004г., с.7.
Мищенко А.И. Применение водорода для автомобильных двигателей.-Киев: Наукова думка, 1984.
Шпильрайн Э.Э., Малышенко С.П., Кулешов Г.Г. Введение в водородную энергетику. –М.: Энергоатомиздат, 1984.
Андреев К.К. Беляев А.Ф. Теория взрывчатых веществ. –М.: Оборонгиз, 1960, с. 449-453.
Ваншейдт В.А. Дизели. Справочное пособие конструктора. М.-Л., 1957.
Кук М.А. Наука о промышленных взрывчатых веществах. –М.: Недра, 1980, с. 13, 425-434.
Под ред. Семёнова В.П. Производство аммиака. М.: Химия, 1985, с. 7-8.
Студенников В.В., Кудымов Г.И. "Водородная энергетика: этап практических решений", "МИС-РТ"-1999г., Сб.№18-2.