Чем хороши тепломеханические гибриды?

Мы уже имеем современные, аэродинамических форм автомобили, оснащенные мощными экономичными двигателями внутреннего сгорания. КПД карбюраторных двигателей уже доведен до 30 — 35 %, дизелей — до 40 — 43%. Но помните великого Станиславского с его знаменитым: «Не верю!»? Давайте и мы проверим, так ли это на самом деле.

1 кг бензина или солярки при сгорании выделяет 46,1 МДж. А легковой автомобиль, прошедший 100 км со средней для городского движения скоростью 40−60 км/ч, расходует на механическую работу по своему перемещению 20 МДж. Выходит, при КПД двигателя около 40 % расход топлива на 100 км должен быть около 1 кг! Спросите даже у опытных таксистов, сколько они расходуют топлива на 100 км пути в городе, и вы узнаете, что реальный КПД двигателя не более 10%. В чем же дело? Почему КПД оказался отброшенным к временам Бенца и Даймлера и даже дальше?

Здесь хочется ответить вопросом на вопрос: а каков будет КПД крупной тепловой электростанции, если ее энергией питать… одну электролампочку? Еще меньше.

Любой тепловой двигатель рассчитан на определенную мощность, и КПД его максимален при мощности, близкой к максимальной. Если автомобиль, например легковой, будет эту мощность расходовать целиком, то ехать он должен со скоростью 150−200 км/ч. При этом почти вся энергия уйдет на «взбалтывание» воздуха — аэродинамические потери. Если же ехать со средней скоростью 60 км/ч (что для города даже много, она составляет для крупных городов 40- 20 и менее км/ч), то двигатель нс будет использовать даже десятой части своей мощности. Почти как лампочка, питаемая всей электростанцией. Вот и выходит КПД ниже Бенцовского.

Предположим, что КПД двигателя — это отношение механической энергии, выделенной для перемещения автомобиля, к тепловой энергии сгоревшего топлива. С КПД всего автомобиля сложнее, но давайте условно считать им отношение минимальной работы перемещения автомобиля к тепловой энергии сгоревшего топлива на этом же перемещении. Рассмотрим результаты зависимости этих КПД от скорости автомобиля. Что же мы получаем? Наиболее экономичное движение автомобиля наблюдается на скорости 40−50 км/ч для грузовиков и 60−70 км/ч для легковых автомобилей. Минимальный расход топлива при этом даже называется контрольным расходом, но КПД двигателя — ниже 10%.

А двигатель развивает максимальный КПД при полной или почти полной мощности. Как же быть, если двигатель эффективно работает только на своей полной мощности, которая почти никогда нс нужна? Может быть, не нужны автомобилям такие мощные двигатели? Нет, нужны, и эта мощность почти постоянно растет. Автомобиль с мощным двигателем становится динамичным, маневренным, безопасным, а стало быть, престижным…

А можно, чтобы было как в домашнем холодильнике: поработал, накопил холод — отключился? Накопленный холод делает свое дело, а как потеплеет, терморегулятор снова включит холодильник. Раньше, когда холодильники не имели терморегуляторов и «молотили» постоянно, они были очень неэкономичны.

Автомобильный двигатель вырабатывает механическую энергию, а мы знаем, что существуют накопители этой энергии — пружины, сжатый газ, маховики. Поработал двигатель на полной мощности с высоким КПД, передал энергию в накопитель — отключился, а автомобиль работает на этой накопленной энергии.

Реально ли это? Да, это реально, такие гибриды теплового двигателя и накопителей существуют, и расходуют они топлива в 2 с лишним раза меньше по сравнению с обычным двигателем. Накопитель гибрида помогает использовать энергию на спусках и торможениях, чтобы не гасить ее в тормозах. А это еще более повышает экономичность автомобиля.

Рис. 291. Гибридный автомобиль с маховиком и тепловым двигателем:

1 — двигатель; 2 — сцепление; 3 — бесступенчатая трансмиссия; 4 — карданная передача; 5 — привод к ведущим колесам; 6 — маховик Несмотря на то что встречаются гибриды и с электрическим накопителем, экономичнее, конечно, накапливать механическую энергию движения без преобразований. На рис. 291 показана компоновочная схема такого гибрида с тепловым двигателем и маховиком на легковом автомобиле. Это одно из исполнений на опытном образце, таких вариантов существует много. Здесь роль бесступенчатого звена может выполнять и гидростатическая или электрическая передача, и вариатор. В наших, отечественных гибридах, в частности, разработанных и испытанных автором, эту роль выполнял механический вариатор. Конечно же, экономичнее всего та передача, которая не преобразует механическую энергию двигателя в другие виды, а именно вариатор.

Ну, а как же другие накопители механической энергии — пневматические, гидропневматические, пружинные? Годны ли они для гибридов? К сожалению, ни пружины, ни резина для этого дела не подходят — слишком малы их накопительные возможности.

Рис. 292. Гибридный силовой агрегат с гидропневматическим накопителем:

1 — двигатель; 2 — гидрогазовый накопитель; 3 — распределитель; 4 — бак; 5 — гидронасос-мотор; б — ведущий мост автомобиля; 7 — редуктор; 8 — карданные валы; 9 — коробка передач, А вот газ — пожалуйста! Особенно с гидравликой — гидрогазовые или гидропневматические накопители.

Схема гибридного силового агрегата с функцией и рекуператора энергии представлена на рис. 292. Подобный гибрид, изобретенный с участием автора для городского автобуса, был изготовлен и испытан. Гидрогазовый накопитель вмещал 80 л масла, а гидромашина была мощностью 140 кВт. Особенно хорошо работала система в режиме рекуператора. При торможении автобуса соединенная с его трансмиссией гидромашина, работая в режиме насоса, закачивала в накопитель масло, сжимая газ. Автобус сбавлял скорость и останавливался. Для последующего разгона масло из накопителя направлялось в гидромашину, которая на сей раз работала в режиме мотора и разгоняла автобус. При торможении с 40 км/ч автобус при отключенном двигателе разгонялся до 30 км/ч, вызывая восторг и удивление всех присутствующих зевак. Представьте себе, что многотонная машина тихо и плавно трогается с места и разгоняется при остановленном двигателе (что было видно всем присутствующим через открытый задний двигательный отсек).

Аналогичные опыты были проведены фирмой «Вольво» (Швеция) и показали почти тот же результат — экономилось от 30 до 50 % топлива и значительно снижалась токсичность выхлопных газов. Но система была слишком сложной для серийного производства.

Баллоны со сжатым газом.

Рис. 293. Пневмокар, питающийся потенциальной энергией газа, сжатого в баллонах

Отчасти можно считать гибридной установку с газом, сжатым в баллонах и питающим привод автомобиля — пневмокара (рис. 293).

Рис. 294. Схема пневмокара с подогревом воздуха горелками:

1 — горелка; 2 — змеевик; 3 — баллон со сжатым воздухом; 4 — цилиндр двигателя Дело в том, что воздух при расширении сильно охлаждается, и подогрев его сильно повышает внутреннюю энергию газа, а следовательно, и пробег машины. Подобная схема изображена на рисунке 294. Если подогревать газ достаточно сильно, то установка выдаст больше энергии, чем в нее «закладывали». Таким образом, получается нечто вроде гибрида теплового двигателя и пневматического накопителя.

Автор еще в молодые годы изготовил для себя и ездил на подобном гибриде, показанном на рис. 295. Устройство настолько просто, что его легко построить самому. Баллон с углекислотой — от огнетушителя; пневматическии гайковерт — с заводского конвейера (официально — из магазина); змеевик в емкости — от соседского самогонного аппарата. Остальное — из велосипеда и металлических труб. В емкость змеевика заливается кипяток, вентиль баллона открывается — и поехали!

Рис. 295. Самодельный автомобиль-гибрид, работавший на подогретой углекислоте: / - баллон с жилкой углекислотой; 2 — накопитель тепла со змеевиком; 3 — пневматический гайковерт; 4 — цепная передача, А совсем недавно, уже в начале XXI в., такие автомобили, работающие на энергии сжатого воздуха, подогреваемого на входе в пневмодвигатель, стали выпускать во Франции. Автомобиль, рассчитанный на 5 человек, проходит около 20 км с одной заправкой баллонов воздухом под давлением 30 МПа.

Скорость такого автомобиля — до 100 км/ч. Заправка всего за 3 минуты от специальной станции сжатого воздуха.

Гибриды могут быть не только для автомобилей. Электростанции, работая ночью с малой загрузкой, тоже требуют накопителей энергии. Обычно это водохранилище, поднятое на гору; ночью вода закачивается в него мощными насосами, а в час пик сливается обратно по трубам на турбины. Но такое может быть только в гористой местности.

Рис. 296. Горячее озеро под пластиковым одеялом.

Иногда ночью закачивают воздух в отработанную шахту под давлением до 75 атмосфер; выпуская его на воздушные турбины, получают дополнительную энергию в часы пик. Есть даже проект горячего озера, где предполагается покрыть водоем одеялом из пенопластовых шаров и нагревать воду в нем по ночам, а в часы пик или зимой использовать эту горячую воду для получения энергии или отопления (рис. 296).

Странно, что этот проект появился в современной Германии, где так пекутся об экологии. Ведь рыба, живущая в этом озере, будет очень недовольна повышением в нем температуры до 75 °C!

Почем килограмм энергии?

А. Эйнштейн (1879−1955).

Речь пойдет о столь необычных вещах, что они с первого взгляда покажутся сказкой. Что больше весит — чайник с горячей водой или с таким же количеством холодной? Неподвижный маховик или вращающийся? Вопросы эти имеют прямое отношение к теории относительности, связанной с именем А. Эйнштейна (1879−1955), важны они и для ядерной энергетики.

Да, горячий чайник весит (вернее, имеет массу) больше холодного. Да, вращающийся маховик с накопленной в нем энергией имеет массу больше неподвижного. Потому что добавочную массу дает… энергия, заключенная в горячем чайнике и вращающемся маховике!

Сколько же весит энергия? Если разогнать ракету до скорости 10 км/с, то прибавка в массе будет примерно на десять порядков меньше массы самого тела в покое. Да ракету в полете и не взвесишь! Можно взвесить вращающийся маховик, но он способен иметь окружную скорость, лишь раз в 10 меньшую, чем ракета, и прибавки в его массе не заметят даже самые чувствительные весы.

Но все меняется, если тело разогнано до больших, близких к свету, скоростей. Электрон, например, можно разогнать до скорости, которая лишь на 35−40 км/с меньше скорости света; масса электрона при этом возрастает в 2 000 раз и становится даже больше массы неподвижного протона. Но до скорости света никакое тело нельзя разогнать, потому что для этого потребуется бесконечно большое количество энергии, да и само тело «вберет» в себя массу всей Вселенной, оно станет телом бесконечно большой массы! Поэтому и нельзя реально это сделать.

Только «частица света», или фотон, может мчаться со скоростью света. И то потому, что в покое фотон ничего не весит, или имеет массу покоя, равную нулю. А вот в разогнанном виде фотон имеет вполне конкретную массу. Она, правда, очень мала. Так, например, «частичка» — фотон зеленого света имеет энергию 4 • 10~¹⁹ Дж, и это соответствует массе всего в 4,4 • 10~³⁶ кг!

В миллиграммах это, конечно, было бы побольше, но сейчас массу принято измерять в килограммах. Этот фотон имеет массу почти в 200 000 раз меньшую, чем электрон! Правда, с уменьшением длины волны масса фотона растет, и у гамма-лучей она может приблизиться к массе электрона, но все равно это очень мало!

К слову, несмотря на такую ничтожность энергии и массы, человек способен воспринимать уже несколько, всего 3−4 кванта, или фотона света. Трудно представить, что глаз может быть таким чувствительным прибором, даже гордость берет за наше зрение!

Ну, а почем будет 1 кг энергии? Это очень легко вычислить по формуле Эйнштейна:

где т — масса энергии, кг;

с — скорость света в вакууме, или 3 • 10® м/с.

Итого получается, что 1 кг энергии эквивалентен 9 • 10¹⁶ Дж. Много это или мало?

Если 1 кг бензина, сгорая в 15 кг воздуха, выделяет 46,1 • 10⁶ Дж, то 1 кг чистой энергии соответствует примерно 32 000 000 т бензовоздушной смеси! Впечатляет, не правда ли? Такой энергией, если взорвать эту смесь, можно стереть с лица Земли крупный мегаполис. Вот почем кило энергии!

Как же ее выделить? Теоретически очень просто: нужно соединить соответствующее количество частиц с античастицами, например, электронов с позитронами или протонов с антипротонами. Можно даже соединить атомы вещества с атомами антивещества (например, водород с антиводородом) и получить аннигиляцию, или просто уничтожение вещества с образованием фотонов, или лучистой энергии. Желательно только не проделывать этого опыта самостоятельно, так как свет, полученный при этом, может быть очень ярок!

Шутка, конечно, потому что получить античастицы или антиматерию, хотя и можно, но очень сложно и дорого. Пока, по крайней мере. А чтобы получить более скромные количества энергии, уничтожая вещество, можно использовать атомную или термоядерную энергию. Проще всего это сделать в атомных или термоядерных бомбах.

U^as з.

Рис. 297. Принципиальная схема атомной бомбы:

1 — отражатель нейтронов; 2 — устройство для запала с задержкой; 3 — заряд взрывателя Атомная бомба (рис. 297) представляет собой толстостенный стальной сосуд, в котором раздельно находятся два или более куска урана-235 или плутония-239.

При поджигании запала заряд обычного взрывчатого вещества взрывается и быстро сближает куски урана или плутония, так что их суммарная масса становится больше так называемой критической. Если масса меньше критической, то образовавшиеся в ней нейтроны вылетают из куска металла, так и не вызвав цепной реакции деления остальных ядер. Но если масса, например, урана-235 оказывается больше критической, или равной примерно 50 кг, то нейтроны достигают своей цели, разрушают остальные атомы, и наступает цепная реакция. Эту-то реакцию мы называем атомным взрывом и хорошо представляем ее по многочисленным фотографиям и телепередачам. Из 50 кг урана-235 только 1 кг ядер испытывают деление, но и при этом выделяется 8,4 • 10¹³ Дж энергии, что эквивалентно взрыву 20 000 т тринитротолуола.

Сравним с энергией аннигиляции 1 кг вещества и найдем, что последняя примерно в 1 000 раз больше; следовательно, при взрыве атомной бомбы с массой урана в 50 кг, только 1 г вещества уничтожится, перейдя в энергию. А сколько бед может принести этот грамм вещества!

Не следует думать, что 50 кг урана — это очень много. Уран — достаточно тяжелый металл, немногим легче золота, и эта его масса умещается в шаре радиусом 8,5 см!

Более мощным источником энергии служит так называемый термоядерный процесс, или процесс слияния, синтеза ядер. Например, можно образовать одно ядро гелия (два протона, два нейтрона) путем слияния ядер тяжелого водорода (дейтерия) и сверхтяжелого его изотопа (трития). При таких реакциях синтеза 1 кг массы выделяет примерно в 10 раз больше энергии, чем при реакции деления, например, урана. Главное, что здесь нет критической массы, и количество дейтерия и трития может быть как угодно велико. То есть разрушительная сила термоядерной бомбы теоретически не имеет пределов.

Рис. 298. Принципиальная схема термоядерной (водородной) бомбы:

1 — атомная бомба; 2 — заряды Схема термоядерной бомбы показана на рис. 298. Она имеет прочнейшую металлическую оболочку, в которой помещаются вещества, содержащие дейтерий и тритий. В качестве запала здесь — атомная бомба 1, состоящая, как и положено, из кусков урана или плутония, вместе составляющих критическую массу. Сближают эти куски заряды 2. При взрыве атомного запала развивается температура в миллионы градусов, при которых и происходит реакция синтеза. Прочный корпус бомбы необходим для того, чтобы активное вещество бомбы успело прореагировать, и его не раскидало вокруг в самом начале взрыва.

Ну, а если энергию нужно получить не в виде взрыва, а постепенно, используя ее, например, для получения электроэнергии? С термоядерной энергией, наиболее емкой и безопасной с точки зрения радиоактивного заражения, пока дела обстоят неважно: денег и сил истрачено столько, сколько уже хватило бы, чтобы полностью освоить другие виды экологической энергии — ветра, солнечную или глубинного тепла Земли. Но пока задача людям не под силу.

Атомная же энергия давно служит для получения электроэнергии, причем в некоторых странах атомными электростанциями получают большую часть электроэнергии.

Устройство, в котором поддерживают управляемую реакцию деления ядер, называется атомным, или ядерным, реактором (рис. 299). Основными элементами атомного реактора являются: ядерное горючее, замедлитель нейтронов (вода тяжелая или обычная, графит и т. д.), теплоноситель для вывода тепла, образующегося при работе реактора (вода, жидкий натрий и др.), и устройство для регулирования скорости реакции (вводимые в рабочее пространство реактора стержни, содержащие кадмий или бор — вещества, которые являются хорошими поглотителями нейтронов).

Уменьшение скорости нейтронов, которое происходит при столкновении их с ядрами замедлителя, выгодно потому, что вероятность захвата медленных нейтронов ураном с сотни раз больше, чем быстрых. Лучшим замедлителем нейтронов является тяжелая вода. Обычная же вода сама в значительном количестве захватывает нейтроны.

Рис. 299. Принципиальная схема ядерного реактора:

I — отражатель; 2 — регулирующие стержни; 3 — турбина; 4 — генератор; 5 — конденсатор; 6 — парогенератор и превращается в тяжелую воду. Хорошим замедлителем является также графит, ядра которого не поглощают нейтронов.

Возможны реакторы, работающие без замедлителя на быстрых нейтронах, что очень существенно при использовании реакторов в качестве источников энергии на судах или подводных лодках. Однако в реакторах на быстрых нейтронах не может быть использован в качестве горючего естественный уран, обогащенный изотопом 235. Реакторы же на медленных нейтронах могут работать и на естественном уране.

Управление реактором осуществляется вдвиганием и выдвиганием стержней. Вдвигая стержни реактора полностью, можно вообще приостановить цепную реакцию. Но это теоретически.

Опыт эксплуатации атомных реакторов показал, что вопрос использования атомной энергии неоднозначен. Безусловно, атомная энергия оказывается дешевле и, при отсутствии аварий, экологичнее, например, энергии, полученной на угольных электростанциях. Но цепная реакция относится к числу тех редчайших процессов, которые никогда не реализовывались в природе, по крайней мере, на Земле. Поэтому к последствиям таких процессов живая природа пока не приспособилась, и в том их опасность.

Авария в Чернобыле 26 апреля 1986 г., вызвавшая много споров о ее причинах, привела к гибели большого количества людей и радиоактивному заражению обширных территорий. Последствия этой катастрофы будут сказываться еще десятки и сотни лет, так как некоторые из радионуклидов, разбросанных по территории (например, стронций, плутоний), имеют большие периоды полураспада. Поэтому перспективы ядерной энергетики, по-видимому, должны быть пересмотрены по сравнению с весьма оптимистическими, существовавшими до 1986 г.

Вот вам и ответ на вопрос: «Почем килограмм энергии?».