Больше десяти лет инженеры разрабатывали механизм и принцип действия машины, которая сможет обеспечить целый дом теплом, светом, горячей и чистой питьевой водой. Расскажем, что получилось в итоге
С теплом, светом и водой теперь не будет проблем. И все это без использования котельных, линий электропередачи и прочих коммуникаций. Такой "коммунальный рай без хлопот и забот", как поется в песне, уже в ближайшем будущем может появиться в России благодаря уникальной разработке псковских ученых. В лабораториях Псковского госуниверситета они сконструировали автономный модуль жизнеобеспечения, "сердце" которого — роторно-лопастной двигатель с внешним подводом тепла.
Все начиналось с мечты Начиналось с мечты
Автор модуля — Юрий Лукьянов, инженер-электроник ПсковГУ, главный конструктор научной группы. Говорит, что модуль жизнеобеспечения появился благодаря юношеской идее. В далеком 1978-м Юрий работал на заводе тяжелого электросварочного оборудования и мечтал создать летающий автомобиль.
"Есть такой эффект — "экран Земли", когда самолет заходит на посадку, он барражирует, то есть воздушный поток от крыльев не дает самолету опуститься. Поэтому он на этом потоке, на "экране Земли", движется долгое время. Тогда и возникла идея сделать легковую машину, которая бы летала на высоте 5−6 метров на эффекте "экрана Земли", — вспоминает Лукьянов.
Но для такой машины требовался компактный двигатель в 300 лошадиных сил. Постепенно ученые выяснили, что роторно-лопастная схема позволит создать двигатель, по объему равный трехлитровой банке. Мощность такого двигателя — примерно 200 лошадиных сил. Тогда вес машины будет небольшой, и можно сделать такую машину.
"Так и зародилась идея создания компактного двигателя, способного выдавать большую мощность на базе роторно-лопастной машины, с этого и началась вся история", — говорит Лукьянов.
Сейчас, спустя более 40 лет, журналисты и коллеги-инженеры называют созданное им устройство не иначе как "двигатель будущего".
Компоненты внутреннего устройства автономного модуля жизнеобеспечения © Алексей Семенов/ТАСС
"На самом деле все просто, — говорит ученый, рассказывая о принципе действия модуля. — Парогенератор вырабатывает пар, он раскручивает роторно-лопастную машину. Она в свою очередь крутит электрический генератор, мы получаем электричество".
Оставшийся пар конденсируется в теплообменнике и охлаждается, при этом получается горячая вода 90 градусов для отопления. Она отправляется в бак промежуточного накопителя, из которого выходит чистая горячая вода, подаваемая в краны потребителей.
"Также из этого бака мы насосом подаем горячую воду в парогенератор, она вскипает, получается снова пар — и вот он, замкнутый цикл", — говорит Лукьянов.
Кроме того, добавляет ученый, вся вода, поступающая в модуль, проходит тщательную очистку.
"Мы очищаем сетевую воду с помощью технологии обратного осмоса (технология очистки воды, при которой жидкость проходит через специальную мембрану, избавлясь от химических примесей и бактерий — прим. ТАСС), и когда вода кипит, то отложений солей в системе нет. В итоге мы получаем питьевую воду, и осмос нам нужен, чтобы не использовать химические реагенты. В любой котельной существует подготовка воды, чтобы ее вскипятить, а у нас нет реагентов", — говорит Лукьянов.
Работает на всем, что горит
Для работы модуля жизнеобеспечения нужны вода и топливо. Воду можно использовать любую: водопроводную или из скважины. А "заправлять" устройство можно практически всем, что горит: солярка, газ, минеральное отработанное масло или спирт. Подойдут даже опилки и солнечная энергия. С помощью топлива вода в установке нагревается и превращается в пар, который и вращает "двигатель будущего".
Он принципиально отличается от тех, которые сейчас есть под капотом у каждого автомобиля. В "движке" Лукьянова нет клапанов, которые в двигателе внутреннего сгорания работают буквально на износ — при высоких температурах и больших нагрузках. Псковский мотор — это хитроумная система лопастей и механизмов, которые равномерно распределяют нагрузку по всему двигателю. За счет этого устройство оказалось в три раза легче при той же мощности, и самое главное — оно не вырабатывает выхлопных газов, как в автомобиле.
Юрий Лукьянов возле автономного модуля жизнеобеспечения
© Алексей Семенов/ТАСС
По словам ученого, похожий по конструкции двигатель использовался при создании "Ё-мобиля".
"Двигатель в "Ё-мобиле" — это такая же конструкция, как у нас, там используется принцип роторно-лопастной машины. Механизм они придумали свой, но на этом провозились. А мы использовали другой механизм, который запатентован, который распределяет нагрузку равномерно", — поясняет ученый.
"Старая добрая" паровая машина
В основе принципа действия модуля жизнеобеспечения, говорит Лукьянов, — старая добрая паровая машина, которая известна человечеству аж с XVII века. Используя проверенную временем технологию, ученые смогли сделать так, чтобы топливо в "устройстве будущего" сгорало при пониженных температурах и при избытке кислорода. А это означает, что такой двигатель не дымит: выбросы вредных веществ в атмосферу практически нулевые.
"Разработанный двигатель сравним по экологичности с домашней кухней, со сгоранием газа на газовой плите. В основе — паровая машина с низкими параметрами пара, там давление всего 10 атмосфер, а значит, температура пара не выше 196 градусов по Цельсию", — говорит ученый.
Чтобы получить такие параметры, высокие температуры сжигания топлива не нужны, поэтому горелка, используемая для создания пара, поддерживает температуру не более 400 градусов. В результате получается, что при избытке сгорания воздуха, как и на кухне, мы не получаем вредных выбросов, они минимальны по окисям азота и угарному газу.
Юрий Лукьянов (пятый слева) с коллегами на территории учебных корпусов Псковского государственного университета
© Личный архив Юрия Лукьянова
А еще, добавляет Лукьянов, созданная машина оказалась весьма экономичной, потери на трение у нее в семь раз меньше, чем у остальных двигателей. "Поскольку нет возвратно-поступательного движения, то потери на трение в нашей конструкции всего лишь 5%, это как у турбины. При этом, представьте, у других двигателей только на трение потери составляют 35%", — говорит ученый.
Прототип за свой счет
Изобретением, вспоминает Лукьянов, в 2006 году заинтересовались в правительстве страны: ученые получили грант на 7,6 млн рублей от Федерального агентства по науке и инновациям.
На эти средства провели научно-исследовательские работы, успешно их защитили, а вот на создание опытного образца конкурс выиграть не смогли. В итоге первый прототип устройства псковские инженеры изготовили за свой счет.
"Мы своими силами создали прототип, года три создавали в лабораториях ПсковГУ, трудилась вся команда, около 15 человек. Университет помог нам приобрести парогенератор, поставили его в нашу машину, сделали систему, и в итоге появился модуль жизнеобеспечения с внешним подводом тепла (пара) из парогенератора", — говорит Лукьянов.
К массовому производству
Сейчас, говорит Лукьянов, к нему поступают сотни заявок от желающих купить модуль жизнеобеспечения. Наибольший интерес устройство вызывает у жителей отдаленных территорий.
"Вот сейчас обращаются с Дальнего Востока, там раздали "дальневосточный гектар", а энергетики нет, оттуда звонят и говорят: "Если твой контейнер привезти сюда, то появится цивилизация".
Предложения поступают со всей России, все хотят купить модуль, а кто бы мог вложить деньги в опытно-конструкторскую разработку и заняться производством — таких мало", — рассказывает ученый.
А еще, добавляет инженер, есть и те, кто готов запустить серийное производство без тестовых испытаний.
"Много тех, кто говорят, мол, давайте чертежи и мы поехали, то есть минуя опытно-конструкторские разработки. А я всегда отвечаю, что ОКР нужно пройти обязательно, важно испытать образец, проверить на перегрузку, в разных режимах работы, провести климатические испытания. Он, конечно, функционирует, но мы его еще не испытывали, а это нужно обязательно сделать, вопрос — где и кем", — говорит Лукьянов.
Наглядная схема функционирования модуля жизнеобеспечения Личный архив Юрия Лукьянова
Наглядная схема функционирования модуля жизнеобеспечения
© Личный архив Юрия Лукьянова
По оценке ученого, чтобы испытать модуль, придется потратить порядка 90 млн рублей. И эту сумму готовы выделить инвесторы. Но пока реальных договоров у Лукьянова ни с кем нет.
Серьезная экономия
Если модуль удастся поставить на конвейер, то псковское изобретение поможет серьезно сэкономить на "коммуналке".
"Чтобы, например, обеспечить ресурсами двухэтажный индивидуальный дом, вполне хватит модуля 30 кВт. При условии массового производства он будет стоить около 1 млн рублей. По сути, это стоимость легкового автомобиля, и вы обеспечены теплом, электричеством, горячей и чистой питьевой водой. Такая установка может окупиться за год-полтора", — делится расчетами Лукьянов.
Модуль даст еще более серьезную экономию, если поступит на вооружение предприятий.
"Сейчас предприятия, которые хотели бы получить этот автономный модуль, просят 1 МВт мощности, такая установка будет стоить 20 млн рублей, но она окупается за полгода. Подсчет простой: в году 8 тыс. часов, если установка 1 МВт работает в течение года, производится 8 млн кВт⋅ч электроэнергии, если посчитать по розничной цене, то в год предприятие только на энергию тратит 40 млн рублей", — поясняет инженер.
А еще одно преимущество, добавляет ученый, — это что модуль можно применять везде, даже в больницах.
"Модуль не вибрирует и не шумит. У нас симметричная конструкция двигателя, поэтому механизм уравновешенный, и вибрация всего 300 микрон, по шуму это сравнимо со звуком работы системного блока компьютера или холодильника", — рассказывает Лукьянов.
Для сравнения: в больницах нормы по шуму — 50 децибел, шум модуля как раз удерживается около этого уровня.
"А поскольку в нем есть пар, то в частных домовладениях, например, можно баню прогреть паром за 5 минут и не нужно печку топить. Достаточно подвести пар из парогенератора, температура его под 200 градусов: и огня нет, то есть баня не сгорит", — улыбается инженер.
Сжигание мусора без выбросов
По словам Лукьянова, автономный модуль жизнеобеспечения может дать не только тепло, воду и свет. На основе устройства можно возводить передвижные мусоросжигающие заводы, которые не будут дымить и выбрасывать в атмосферу вредные вещества.
Если усовершенствовать изобретение, добавив к нему плазматроны, то получится что-то наподобие машины из голливудского фильма "Назад в будущее", работающей на чем угодно, включая жестяные банки и банановую кожуру.
"Есть способ, называется плазмо-химический, когда весь мусор не разбирая подвергают очень высокой температуре в плазматроне, порядка 6 тыс. градусов, как на Солнце, чтобы весь этот мусор перешел в окисное состояние. Воздух в плазмохимическом реакторе замещают на пар, который дает парогенератор из нашего автономного модуля. При уничтожении мусора внизу этого реактора образуется жидкий расплав металла, сверху будет стекольный шлак. А атмосфера — водяной пар. Он горячий, 960 градусов по Цельсию, его можно направить в наш парогенератор для того, чтобы подогреть цикловую воду. Мы получаем чистый пар для машины, и она вырабатывает нам электричество. Оно, в свою очередь, необходимо для работы плазматрона, а избыток электричества направляем в сеть, то есть получаем снова замкнутую установку", — делится идеей Лукьянов.
И самое главное, добавляет он, что при таком способе сжигания мусора не нужна труба, так как в атмосферу выбрасывать просто нечего.
"После того как мы отобрали температуру 960 градусов у пара в нашем парогенераторе и потом еще сконденсировали эту пароводяную смесь, то трубы нет, горения в воздухе нет и выбросов в воздух нет никаких", — поясняет ученый.
Контейнер, в который помещается модуль жизнеобеспечения перед транспортировкой или началом работы Алексей Семенов/ТАСС
Контейнер, в который помещается модуль жизнеобеспечения перед транспортировкой или началом работы
© Алексей Семенов/ТАСС
По расчетам Лукьянова, модуль можно привезти в любое место, где находятся залежи мусора, и уничтожать их с производительностью 10 тонн в час.
"Все просто — привезли модуль на свалку и уничтожили мусор. И главное — его не нужно высушивать. При любых других способах нужно весь мусор высушивать, он мокрый, имеет 100-процентную влажность, а для этой установки влажный — и хорошо. У нас на арктических территориях столько бочек с остатками масла и мазута, все это можно уничтожить, прямо железо можно бросать, потому что температура плавления железа — 1,5 тыс. градусов, а температура плазматрона — 6 тыс. градусов", — заверяет инженер.
Сейчас псковские ученые раздумывают над тем, как реализовать эту идею на практике.
"Будем дальше двигаться в этом направлении, надеемся на поддержку со стороны государства и что на этот проект обратят внимание", — добавляет Лукьянов.
Алексей Семенов
02.04.2019, 00:08
