О том, что такое криогеника
Чем выгоден холод, как устроен криогенный двигатель и как возвратить энергию от сжижения природного газа, в интервью Indicator.Ru рассказал заместитель директора Института двигателей и энергетических установок Самарского университета Дмитрий Угланов.
— В представлении обывателя криогеника — это «что-то связанное с холодом», чем занимается эта наука?
— Криогеника в прикладном значении — это возможность работать в условиях крайне низких температур. Криогенными считаются температуры в диапазоне от 120 К (-153 °C) до температуры 0,7 K (-272 °C). Несмотря на то что эти технологии не новы, появились они сравнительно недавно. Человечество научилось добывать огонь и высокие температуры примерно 20 тысяч лет назад, а вот холод получать не удавалось. Первые примитивные системы охлаждения появились в древнем Египте, у шумеров, но это случилось гораздо позже. Само же понятие криогенной техники появилось только в конце XIX — начале XX века.
— Что стало началом этого направления? Какие возможности оно открывает?
— Благодаря применению криогенных температур люди научились сжижать газы — то есть переводить газ в жидкое состояние. Долгое время считалось, что такие вещества, как азот, кислород, могут находиться только в газообразном состоянии. Лишь в XIX веке Майкл Фарадей впервые смог осуществить сжижение большинства известных тогда газов, кроме кислорода, водорода, азота, которые научились сжижать гораздо позже.
Сейчас криогенные установки на основе сжиженных газов широко используются в различных отраслях промышленности. Криогеника везде. От очевидного — хранения различных веществ в криогенном состоянии — до специализированных направлений: это ядерная физика, сверхпроводимость, криобиология, криохирургия и многое другое. Сжижение промышленных газов, их хранение и транспортировка используются в металлургической, химической промышленности и, конечно, в военной технике и космонавтике.
— А как криогенные технологии используются в космосе?
— Освоение космоса без криогеники никак не могло произойти, так как ракеты заправляются жидким окислителем (кислородом). Его температура составляет ниже 90 К, то есть почти -200 °C. И дальнейшее развитие в космонавтике также напрямую связано с развитием криотехнологий. Уже сейчас есть ракеты, которые летают на жидком водороде. Ключевое преимущество сжиженных газов в ракетостроении понятно: в жидком криогенном состоянии они становятся компактнее, а для космической отрасли этот параметр критически важен. Для сравнения, килограмм жидкого азота займет в 700 раз меньше объема, чем газ. Компактность позволяет размещать в носителях запас, который необходим для вывода космического корабля на орбиту Земли. При этом если мы задумываемся о полетах на Луну, Марс, то потребуется сохранить гораздо большее количество топлива, поэтому здесь без криогенных веществ не обойтись.
— Почему ставка делается именно на сжижение газов?
— Как я отмечал ранее, спектр их применения обширен, ракетостроение лишь одна из областей применения. Получение и сжижение промышленных газов, в частности сжиженного природного газа (СПГ), и применение сжиженных газов в различных технологиях вызывают все более пристальный экономический интерес в мире. В странах, где углеводородных топлив не так много, а потребность в них большая, уже сейчас активно применяется СПГ. Это характерно в первую очередь для Юго-Восточной Азии: Японии, Южной Кореи, Китая.
И интерес этот будет только расти, по двум причинам. Первая — к использованию сжиженных газов подталкивает весь ход развития нынешних технологий. Вторая лежит в плоскости экологии — во всем мире все острее встает вопрос эффективной энергетики, экономии природных ресурсов и сохранения экологии. Это вынуждает нас искать новые технологии преобразования энергии, использовать новые виды топлива, иными словами, создавать эффективные экологически чистые энергосистемы. Это непростая задача, но использование СПГ способно в большой степени ее решить. Ключевые инструменты для получения энергии на нашей планете — это ТЭЦ, ГЭС и АЭС. Причем львиную долю, почти 90%(!) всей энергии на земле обеспечивают ТЭЦ. Они могут работать на газе, мазуте, жидком топливе, угле. Учитывая, что теплоэлектростанции это основа большой энергетики, очевидно, что за счет повышения их энергоэффективности мы достигнем несравнимо лучших результатов, чем дают наши пока еще первые попытки полностью перейти на возобновляемые источники энергии.
— Альтернативные источники энергии экологичнее?
— Все не так однозначно. Возьмем, к примеру, фотоэлектрические преобразователи энергии — солнечные батареи. Их же нужно будет со временем утилизировать, нельзя просто взять и в «мусорку» их выкинуть. Для утилизации должна быть выстроена целая инфраструктура, а на это необходимо затратить ресурсы той самой природы, которую мы «бережем». На данном уровне развития технологий человечество не готово переключиться на возобновляемые источники энергии.
Другой пример «экологического» подхода — попытки перейти на электродвигатель. Как локальное решение этот вариант вполне пригоден, пример — Пекин, где массово переходят на электродвигатели. Китайцы вынуждены это сделать, потому что город очень загазован. Однако повторю — это локальное решение. Потому что где-то эта электроэнергия была выработана, а как она вырабатывается? С помощью стандартных энергетических методов, то есть тех самых ТЭЦ. Поэтому в первую очередь нужно совершенствовать существующие энергетические системы. Тем более что природный газ в России распространен, добывать его несложно, и, если наши энергетические системы будут активно переходить на СПГ, мы еще сможем получать дополнительную энергию из самого криопродукта.
— За счет чего вы получите энергию?
— Объясню, откуда она берется. Рассмотрим схему использования природного газа. После добычи его сжижают, перевозят в место эксплуатации, там он поступает в газификатор и под воздействием тепла окружающей среды переходит в газообразное состояние. Далее метан попадает, например, в газопоршневую установку, которая вырабатывает энергию, и эта энергия поступает к конечному потребителю. Однако сжижение газа требует энергетических затрат. Чтобы получить всего лишь килограмм СПГ, нужно израсходовать энергию от 1,8 до 3,6 мегаджоуля (примерно от 0,5 до 1 киловатта в час на килограмм). Для сравнения, чтобы вскипятить полтора литра воды в чайнике, чья стандартная мощность 1,5 киловатта, потребуется энергия — примерно 0,2 киловатта в час. Итак, при сжижении природного газа затрачивается 1 киловатт в час! Это большая энергия, и она содержится в криопродукте. Эту низкопотенциальную энергию, которая безвозвратно теряется при регазификации, мы и собираемся использовать. Разработка схем и методов для возвращения этой энергии является одним из центральных направлений исследований нашей лаборатории.
— Каким образом это можно сделать?
— Один из возможных способов — встраивание вспомогательного технологического цикла. Прежде чем СПГ попадет в газопоршневую установку, он совершит замкнутый цикл в паросиловой машине, где за счет тепла окружающей среды или другого внешнего источника тепла он превратится в газ и произведет дополнительную работу. Такая встроенная установка не требует сверхусилий и суперзатрат, при этом мы получаем энергию, которая обычно теряется. Конечно, всю энергию, затраченную на сжижение, согласно законам термодинамики вернуть невозможно, можно рассчитывать процентов на 10%. Тем не менее мы сможем получить колоссальное количество энергии, потому что наша разработка может быть применима везде, где используются криогенные продукты, а это очень обширная сфера. Учитывая масштабность применения, выгода, которую обеспечат наши разработки, может быть внушительной.
— То есть лаборатория по криотехнологиям будет заниматься разработкой вспомогательных циклов энергосбережения для ТЭЦ?
— Это только одна из частных задач, которая входит в гораздо более широкое поле исследований. Область наших исследований включает любые установки, где есть криогенное вещество и процесс, где оно регазифицируется и при этом за счет внешнего тепла и низкопотенциального тепла (холода) криопродукта можно получить энергию. Мы сможем разрабатывать энергоэффективные схемы для железнодорожной, аэрокосмической, автомобильной техники и не только.
— Автомобили на газу — повседневность, а самолеты, летающие на жидком водороде или СПГ, уже существуют?
— Нет, но уникальные экспериментальные образцы были созданы и даже прошли летные испытания. В 1980-х годах предприятие «Кузнецов» совместно с КБ Туполева приступили к исследованию возможности использования жидкого водорода и СПГ в качестве альтернативного топлива для авиационных двигателей. В КБ Туполева был создан первый в мире экспериментальный самолет Ту-155, с инновационным (и, кстати, по сей день единственным в мире) двигателем НК-88, работающим на жидком водороде. В основной состав инженеров-разработчиков входили выпускники Самарского университета (в то время КуАИ). Сейчас НК-88, изготовленный в единственном экземпляре, хранится в Центре истории авиационных двигателей Самарского университета.
В апреле 1988 года состоялся первый полет Ту-155, а в следующем году также успешно отлетал Ту-156 с инновационным двигателем НК-89, работающим на СПГ. Всего на криогенном топливе было выполнено около 100 полетов, в том числе 5 на жидком водороде, также Ту-155 совершил полет на конференцию по проблемам использования криогенного топлива в авиации. Это, конечно, был огромный успех, но возникла сложность — новое топливо требовало слишком больших емкостей для размещения, из-за чего полезное пространство существенно сокращалось и использование становилось нецелесообразным.
Вероятно, инженерные задачи удалось бы решить, но, к сожалению, наступили сложные для нашей страны 1990-е годы: СССР прекратил свое существование, предприятия переживали кризис и программа по криогенным топливам была закрыта. Однако потенциал нового топлива очень велик: к примеру, водород существенно превосходят авиационный керосин по теплотворной способности, при этом он абсолютно экологичен.
Наши исследования, возможно, дадут новый толчок разработкам, находящимся в мировом тренде современного авиастроения. Зарубежные компании, которые занимаются производством летательных аппаратов, самолетов, в том числе пассажирских, вплотную разрабатывают вопросы использования СПГ. Примерно та же ситуация с использованием СПГ и в железнодорожной технике. Еще 15 лет назад мы участвовали в создании силовой установки для газотурбовоза совместно с предприятием «Кузнецов». Она работала на метане — и вполне успешно, как показали испытания. Основными достоинствами газотурбовоза были повышение мощности и экологичность, но по тем же причинам исследования были свернуты. Возрождаются они только сейчас.
— Куда будет двигаться дальше криогеника в университете?
— В рамках нашей кафедры теплотехники и тепловых двигателей направление, связанное с криотехнологиями, вопросами повышения эффективности систем охлаждения, в том числе и бортовых, сформировалось давно. У нас существует целая школа под руководством Владимира Бирюка по вихревому эффекту — вихревые технологии обязательно найдут свое применение в криогенике.
Отдельно хочу отметить большое и многообещающее направление по газовым криогенным машинам Стирлига. Криогенные машины Стирлинга позволяют получить холод до 20 К, то есть температуры жидкого водорода. Применение этих экологически чистых и высокоэффективных машин — наиболее перспективный тренд развития криогенной техники в XXI веке, решающий проблему экономии топливных ресурсов и снижения загрязнения окружающей среды. Однако чтобы спроектировать такую машину, необходимо создать ее адекватную математическую модель и соответствующий метод расчета. Эти расчеты весьма сложны.
Создание подобных машин — очень наукоемкое направление, которое промышленным предприятиям трудно осилить без тесной связи с университетской наукой. Еще одно трендовое направление исследований нашей лаборатории — создание инновационных систем охлаждения на принципах термокаустики.
— Что такое термоакустика и зачем нужны такие системы?
— Это новое, возникшее совсем недавно направление в термодинамике. Основная идея в том, чтобы использовать акустическую энергию для преобразования ее в работу.
Например, когда работает акустический динамик, он вырабатывает акустическую энергию, которая рассеивается в пространстве. Однако если соединить этот динамик с акустическим резонатором и установить в нем соответствующий преобразователь, то можно получить или механическую энергию и далее электрическую, или получить низкопотенциальное тепло, то есть холод.
Это перспективное направление интересно для разных технологий: получения энергии, системы охлаждения, шумоглушения с утилизацией акустической энергии, процессов горения и др.
— Что вы имеете в виду под «умеренным холодом»?
— Умеренный холод включает в себя бытовые и промышленные системы охлаждения, системы кондиционирования. Целый пласт связан с пищевой промышленностью, где задачи охлаждения, хранения продуктов являются приоритетными. Поэтому исследования нашей лаборатории будут полезны не только на уровне энергетики, авиации, космонавтики и промышленности, но и в обыденной жизни для каждого из нас. Более того, в Поволжье есть потребность в специалистах в области холодильной техники, поэтому будет востребовано и образовательное направление — подготовка кадров по криогенной и холодильной технике, — которое, думаю, со временем у нас тоже появится. Вопросы этой области актуальны на любом производстве, и уж тем более в аэрокосмической отрасли.
Следует особо отметить тот факт, что в мировом рейтинге специальностей специальности, касающиеся холодильной и криогенной техники, по востребованности находятся на пятом месте.
— Сейчас ведутся какие-то конкретные работы в лаборатории?
— Лаборатория еще в процессе создания, требуется ее оснащение необходимым оборудованием, но на базе нашей кафедры уже начат проект, который мы будем в дальнейшем «доводить» в лабораторных условиях. Мы разрабатываем криогенный двигатель. Он будет работать на жидком азоте (или на жидком воздухе). Мы уже создали его прототип, и установка прошла первые испытания. Принцип действия следующий: в поршневой двигатель подается жидкий азот. Он вскипает, совершая фазовый и температурный переход из 77 К в 300 К, как следствие, давление возрастает, происходят процессы расширения, благодаря чему начинает работать двигатель. Такой двигатель не производит выбросов вредных веществ в атмосферу, он экологически чистый. При этом по затратам на «топливо» двигатель на азоте хоть и уступает бензиновым, но показывает себя не хуже других экологичных устройств.
Сейчас на этой действующей установке мы отрабатываем саму технологию, методы расчетов и поведение вещества (азота), а когда прототип будет готов, предложим его для реализации.
Современные и перспективные технологии требуют совершенствования и повышения эффективности использования энергии холода. Наши исследования закладывают фундамент для развития в нашем регионе новейших энергоэффективных, экологичных, низкотемпературных систем и устройств, позволяющих применять их не только в энергетике и аэрокосмической области, но и в повседневной жизни, а также в заботе об окружающей среде.
