Вклад В.А. Зысина в развитие парогазотурбостроения.

Введение
Доктор технических наук, профессор Владимир Аронович Зысин (1913—1978) — видный советский теплотехник, инженер и энергетик. Основная область его деятельности — энергетические установки для тепловых электростанций. Их работу он всегда рассматривал с точки зрения классической термодинамики и ни о какой «сверхединичности» нигде даже не намекал. Однако его разработки иногда упоминаются как примеры «сверхединичных» устройств. Прежде всего это так называемый «холодильник Зысина». Иногда в качестве потенциального «сверхединичника» рассматривают и описанную им реактивную  HYPERLINK "http://khd2.narod.ru/warm/zysin-t.htm" \t "_blank" гидропаровую турбину.Цель данной работы – рассмотреть биографию и вклад В.А. Зысина в развитие парогазотурбостроения.Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:- раскрыть биографию В.А. Зысина;- изучить вклад В.А. Зысина в развитие парогазотурбостроения.1. Биография В.А. ЗысинаЗысин Владимир Аронович (1913-1978 гг.) родился в Санкт-Петербурге. Окончил Ленинградский политехнический институт (в то время теплотехнический институт) в 1935 г. по специальности «Тепловые электрические станции». Трудовую деятельность начал, работая научным сотрудником Дома научно-технической пропаганды (1930 – 1935). После окончания института работал на ГРЭС-8 Ленэнерго – начальник смены (1935), в физико-техническом отделе Центрального котлотурбинного института –  научный сотрудник (1936 – 1941). В 1941 году переведён в ОКБ Кировского завода начальником бюро по проектированию теплообменных аппаратов. В период ВОВ (1941 – 1945) руководил строительством, эксплуатацией и восстановлением теплотехнического хозяйства на заводах Наркомата танковой промышленности: в г. Свердловске на заводе № 76, ныне Уральский турбомоторный завод (1941 – 1945) - начальник бюро, главный инженер ТЭЦ, зам. главного энергетика завода; в Ленинграде на заводе № 800, ныне  АО «Звезда» (1945) – начальник котельного цеха. С 1946 работал в Ленинградском политехническом институте: на кафедре «Теплофизика» - заведующим лабораторией (1946), на кафедре «Теоретические основы теплотехники» – ассистентом (1946 - 1947), доцентом (1947 –  1964), профессором (1964 –  1968), заведующим кафедрой (1968 – 1978 г). Кандидат (1940), доктор (1963) технических наук. Отличался сочетанием энциклопедических инженерных знаний и интуицией, основанной на виртуозном владением методом термодинамического анализа. Автор ряда новых и нетрадиционных идей в области теплоэнергетики, которые часто опережали своё время.  Выполнил теоретические  и экспериментальные исследования процессов кипения и деаэрации котловой воды (1940),  в результате которых  (совместно с С.С.Кутателадзе) предложил новую конструкцию малогабаритного смешивающего деаэратора и разработал метод его расчёта; исследовал рабочие процессы твёрдотопливных ракетных двигателей (1956); обосновал целесообразность применения в тепловых насосах газомоторного привода (1947); выдвинул (1958) и практически реализовал (1960) идею контактных газопаровых установок, заключающаяся в расширении газовых и паровых потоков в единой проточной части  (за рубежом этот метод начали широко применять только в конце 70-х годов); выдвинул идею использования водяного пара для охлаждения высокотемпературных газовых турбин; предложил и теоретически обосновал новый динамический цикл работы гидропаровой турбины; выдвинул принцип аккумуляции эксэргии и др. Около тридцати лет читал на энергомашиностроительном факультете Политехнического института курс технической термодинамики, в котором творчески развил методические принципы теоретической подготовки инженеров-теплоэнергетиков, одним из первых ввёл понятие технической термодинамики потока, основанное на сочетании методов термодинамики и принципа внешней кинетической энергии. Широкая эрудиция и большой практический опыт инженера делали его лекции интересными по содержанию и блестящими по форме, что снискало ему популярность у нескольких поколений выпускников энергомашиностроительного факультета. 2. Вклад В.А. Зысина в развитие парогазотурбостроения2.1. Устройства В.А. ЗысинаПрежде всего это так называемый «холодильник Зысина». Иногда в качестве потенциального «сверхъединичника» рассматривают и описанную им реактивную гидропаровую турбину.Считаем необходимым внести ясность в этот вопрос, поскольку эти конструкции вполне работоспособны, но ни в одной из них КПД даже не приближается к 100%.Кроме того, иногда ссылаются на «треугольные» циклы Зысина как на обоснование возможности сверхъединичных тепловых устройств. Это также неверно. Говоря об идеальном «треугольном цикле» в координатах «энтропия-температура», Зысин имел ввиду лишь минимальное число стадий термодинамического процесса и отсутствие непроизводительных потерь тепла. Получение всей полезной работы предполагается за счёт подводимой внешней тепловой энергии — всё в строгом соответствии с классической термодинамикой.14274805396230Рисунок 1 - Идеальные циклы второй ступени бинарной газопаровой установки2.2. Холодильник В.А. ЗысинаНаиболее часто упоминаемое «сверхъединичное» устройство, связываемое с именем  HYPERLINK "http://khd2.narod.ru/warm/zysin.htm" В.А.Зысина — это так называемый «холодильник Зысина». И действительно, в авторском свидетельстве СССР SU 591667 от 5 февраля 1978 г. «Способ охлаждения рабочего тела», выданном на основании заявки №2302506 от 22.12.1975.Конструкция холодильника. В описании изобретения говорится, что оно предназначено для «охлаждения рабочих тел до температуры окружающей среды, начальная температура которых выше температуры окружающей среды», т.е. изначально горячее рабочее тело, поступающее в этот холодильник, на выходе имеет более низкую температуру по сравнению с окружающей средой. Именно этим и определяются особенности конструкции этого холодильника.На рис. 2 показана схема устройства, идентичная содержащейся в описании изобретения.6750054977765Рисунок 2 - Cхема «холодильника Зысина» в соответствии с описанием изобретения к авторскому свидетельству SU 591667Сразу бросается в глаза, что установка состоит из двух почти независимых частей, а охлаждение проходящего через неё рабочего тела осуществляется в два этапа.Верхняя часть, называемая в описании «расширительной», полностью работает при температуре выше температуры окружающей среды. Насос подаёт жидкий хладагент в первый («горячий») холодильник, где охлаждаемое рабочее тело отдаёт ему значительную часть своего тепла, охлаждаясь само и нагревая хладагент. Горячий хладагент, продолжая оставаться в жидком состоянии за счёт созданного насосом избыточного давления, поступает в детандер, где давление падает. В результате падения давления в детандере он частично испаряется, расширяется, охлаждается и совершает механическую работу, приводя в движение поршень или турбину детандера. Сепаратор подаёт жидкую часть хладагента из детандера непосредственно на вход насоса, который откачивает охлаждённый хладагент, обспечивая в детандере разрежение, необходимое для частичного испарения нагретого хладагента. Отделённые от жидкости пары (всё ещё более горячие, чем температура окружающей среды) поступают в конденсатор, где дополнительно охлаждаются, конденсируются и также подаются на вход насоса.Нижняя часть, названная в описании «холодильной», действительно представляет собой вполне обычный холодильник, изобретатели даже допускают там замену детандера дросселем, как в бытовых холодильниках. Тут охлаждение хладагента достигается его расширением в детандере (или дросселе), затем сепаратор направляет пар в компрессор на сжатие и последующую конденсацию, а жидкую холодную часть хладагента — через насос на окончательное охлаждение рабочего тела во втором («холодном») холодильнике. Несколько нестандартная компоновка, усложнённая по сравнению со схемой бытового холодильника (в котором есть только компрессор, а испарение хладагента происходит непосредственно в теплообменнике-испарителе), объясняется возможностью установки детандера для получения дополнительной механической мощности. Однако если пренебречь этой относительно небольшой мощностью в пользу простоты и надёжности и использовать не детандер, а дроссель, то схема нижней части вполне может быть идентична обычному бытовому холодильнику.От себя добавлю, что, поскольку каждая часть имеет свой замкнутый цикл перемещения хладагента, в них можно использовать разные хладагенты, оптимальные для условий работы соответствующей части установки. Более того, в зависимости от стоящей задачи, можно использовать ту или иную часть по отдельности, снимая избыток механической работы с детандера расширительной части или подводя необходимую дополнительную работу к насосу и компрессору холодильной части.О сверхъединичности холодильника Зысина. Есть ли в холодильнике Зысина «сверхъединичность»? На рисунке проставлены температуры, которые также взяты из описания изобретения. Взгляните на них, и многое станет ясно.Действительно, верхняя «расширительная» часть представляет собой классическую тепловую машину несколько непривычной конструкции. Рабочим телом для неё является хладагент, нагревателем служит теплобменник, холодильником — конденсатор паров, а детандер превращает тепло в механичесую работу. С точки зрения рабочего цикла хладагента всё происходит в рамках классической термодинамики для тепловых машин — механическую работу обеспечивает избыточное относительно окружающей среды тепло охлаждаемого рабочего тела (формулировка изобретателей, не путать с хладагентом!). «Изюминкой» является необычно низкий рабочий перепад температур — всего лишь 70°С, а также аномально низкая «горячая» температура — ниже температуры кипения воды. Это существенно (и принципиально!) ниже, чем даже те относительно невысокие температуры, которые необходимы для работы гидропаровой турбины Зысина.Холодильная же часть с точки зрения получения «свободной энергии» не представляет никакого интереса. Даже детандер там сами авторы предлагают заменить дросселем, поскольку располагаемый температурный перепад в соответствии с рисунком в разы меньше, чем в расширительной части (27°C → 20°C против 90°C → 20°C), стало быть и механической работы с него в самом лучшем случае можно получить во столько же раз меньше (а в реальности не будет и того).Итак, «холодильник Зысина» представляет собой тепловую машину, работающую на «бросовом» тепле (обычно не используемом в «большой энергетике»), которая приводит в действие вполне обычный холодильник. Поэтому приведу в полном виде ту самую формулировку из патента, выделив пропущенные мною ранее ключевые слова: «Предлагаемый способ позволяет значительно снизить затраты энергии на привод холодильных установок, предназначенных для охлаждения рабочих тел с температурой выше окружающей среды, вплоть до создания установок, работающих без подвода энергии». Для полной ясности можно бы добавить: без подвода энергии за исключением избыточной относительно окружающей среды тепловой энергии, содержащейся в самом охлаждаемом рабочем теле.Другими словами, «холодильник Зысина» легко сможет охладить ниже комнатной температуры только что вскипевший чай. Но если этот чай уже остыл до комнатной температуры сам по себе, то без подвода внешней энергии такой холодильник не остудит его даже на долю градуса! Между тем краткая формулировка «без подвода энергии» является исчерпывающей именно для последней ситуации. К сожалению, чуда не произошло, впрочем, авторы изобретения его и не обещали...Значит ли это, что «холодильник Зысина» — специализированние изобретение, интересное лишь узкому кругу специалистов? По большому счёту, да. Но если у Вас есть достаточное количество бросового тепла с перепадом в 60—70°С, которое Вы хотели бы преобразовать в механическую работу (скажем, крутить генератор), вспомните о расширительной части «холодильника Зысина». Если же Вы хотите использовать это тепло для обогрева, то в большинстве случаев гораздо проще и эффективнее будет подать его непосредственно в теплообменник или радиатор отопления!Тем не менее, холодильник Зысина действительно способен отобрать у предварительно нагретого «рабочего тела» больше тепла, чем оно могло бы отдать в окружающую среду путём естественного теплообмена, и в этом смысле он, безусловно, сверхъединичен, как, впрочем, и любой тепловой насос, работающий на обогрев.2.3. Гидропаровая турбинаВ качестве потенциально «сверхъединичного» устройства иногда называют гидропаровую турбину, которую В.А.Зысин описал в своей работе в параграфе с интригующим названием «О возможности автономного осуществления оптимального треугольного цикла» монографии «Комбинированные парогазовые установки и циклы.Конструкция гидропаровой турбины. В своей книге В.А.Зысин отмечает, что реализация оптимального треугольного цикла возможна только в двигателе, способном «работать на капельной жидкости, вскипающей в процессе расширения». Подача потока такой жидкости на лопатки турбинного колеса из неподвижного сопла неэффективна, поскольку канал для движения двухфазного потока в таких конструкциях неизбежно оказывается криволинейным, а это вызывает необратимые потери и порождает износ обтекаемых поверхностей.В качестве альтернативы была предложена реактивная турбина с вращающимися соплами Лаваля, из которых истекает вскипающий поток перегретой воды. Этот поток создаёт реактивную тягу, разгоняющую сопло и раскручивающую турбину. При этом Зысин обращает внимание на необходимость соблюдения следующих условий:a) процесс парообразования должен осуществляться только в расширяющейся части сопла Лаваля;б) до минимального сечения сопла давление и форма канала потока должны быть такими, чтобы не было ни кавитации, ни парообразования при локальных падениях давления;в) за соплом Лаваля двухфазный сверхзвуковой поток не должен встречать движущихся частей, подверженных износу.Перегретая вода должна поступать в ротор турбины через полый вал и двигаться сначала вдоль его оси, а затем к соплам на периферии.1550670291655500Рисунок 3 - Cхема движения потока в гидропаровой турбинеТермодинамический процесс, происходящий в такой установке, показан на рисунке в координатах «давление-объём». По большому счёту, он является разновидностью классического процесса для тепловых машин.12655558255Рисунок 4 - Идеальный процесс в гидропаровой турбинеУчасток  1' → 1  соответствует сужающейся части сопла Лаваля (падение давления при ускорении потока из-за сужения сечения канала в соответствии с законом Бернулли), а участок  1 → 2  — его расширяющейся части, где происходит интенсивное парообразование, на участке  2 → 3  происходит конденсация образовавшегося пара, участок  3 → 4  — это повышение давления воды и её перегрев перед ротором турбины до состояния, близкого к равновесию между паром и жидкостью (с сохранением жидкого агрегатного состояния), участок  4 → 4'  — повышение давления воды за счёт центробежных сил при её движении от оси ротора к периферийным соплам.Таким образом, вся полезная работа турбины совершается за счёт внешней энергии, затраченной на повышение давления и нагрев воды на участке  3 → 4. В самом конце параграфа Зысин оценивает «возможный к.п.д.» в 40-50% и отмечает, что в таком случае это будет «перспективный элемент схем производства электроэнергии».О сверхъединичности гидропаровой турбиныОткуда же возникли предположения о возможной «сверхъединичности» гидропаровой турбины Зысина? Помимо необычности конструкции реактивной турбины, этому способствует и интригующее название параграфа — «о возможности автономной работы...». Однако под «автономностью» Зысин понимает совсем не то, что обычно имеют в виду разработчики «генераторов свободной энергии».Дело в том, что вся книга посвящена именно комбинированным энергетическим установкам, т.е. установкам, первая ступень которых рассчитана на использование высокотемпературного тепла (как правило, с помощью газовых турбин), а другая предназначена для утилизации более «холодного» тепла на выходе первой ступени (обычно с помощью паровых турбин). Поэтому, говоря об «автономной работе», Зысин имеет в виду возможность использования гидропаровой турбины в качестве не вспомогательного, а основного и единственного турбинного элемента энергетической установки.Наконец, следует сказать, что сам принцип подобных турбин отнюдь не нов. Ещё во II веке до н.э. Герон изобрёл её паровой вариант под названием « HYPERLINK "http://www.iro.yar.ru:8101/resource/distant/physics/dozorov/semin14.htm" \t "_blank" эолипил», а жидкостной вариант, известный под названием « HYPERLINK "http://slovari.yandex.ru/dict/bse/article/00069/72900.htm" \t "_blank" сегнерово колесо», в 1750 г. изобрёл венгерский учёный Янош Сегнер. Однако Зысин одним из первых предложил использовать наиболее энергоэффективный вариант, когда рабочее тело почти весь путь проходит в форме жидкости, а в сопле превращается в пар.В наши дни подобные турбины изготавливаются в Калуге ООО «Турбокон». Однако их КПД также намного меньше 100%. Тем не менее, подобные установки весьма перспективны, — ведь они позволяют использовать относительно «холодное» тепло с температурой порядка 110–125°С, которое в «большой» энергетике считается «бросовым» и обычно «отапливает небо» через градирни, ведь большинству тепловых машин для хоть сколько-нибудь эффективной работы требуется гораздо больший перепад температур.Следует заметить, что при некотором внешнем сходстве с конструкциями Виктора Шаубергера, и прежде всего его «домашнего генератора», в эолипиле и гидропаровых турбинах используются совсем другие принципы: Шаубергер никогда не предполагал нагрев в качестве основного источника полезной работы и всегда подчёркивал важность вихревого и пульсирующего движения рабочего тела в отличие от стремления к постоянному и как можно более ламинарному потоку у конструкторов гидропаровых турбин.
Заключение
Таким образом, среди важнейших научных работ В.А. Зысина: комплексное термодинамическое исследование комбинированных парогазовых циклов, предвосхитившее развитие данной области теплоэнергетики почти на сорок лет вперёд; исследования в области динамики вскипающих адиабатных потоков, в ходе которых  создан термодинамический метод инженерных расчётов двухфазных течений. Его научные идеи развиты в трудах многочисленных учеников, среди которых более 30 кандидатов и докторов наук. Автор более 100 научных статей и монографий.
Список использованной литературы
1. Зысин В.А. - Вскипающие адиабатические потоки. - https://studizba.com/files/show/pdf/15679-1-zysin-v-a--vskipayuschie.html (дата обращения: 15.01.2022).2. Зысин В.А. Комбинированные парогазовые установки и циклы. - https://www.studmed.ru/zysin-va-kombinirovannye-parogazovye-ustanovki-i-cikly_7812547d08d.html (дата обращения: 15.01.2022).3. Устройства В.А. Зысина. - http://khd2.narod.ru/warm/zysin.htm (дата обращения: 15.01.2022).