Сегодня весь мир озабочен проблемой оптимизации ресурсов и потребления энергии. Но ученые могут заглянуть в будущее: Валерий Майсоценко почти полвека назад разработал способ использования воздушных потоков для получения энергии. Сегодня, когда две трети потребляемой энергии переходят в бросовое тепло, термодинамический цикл Майсоценко становится все актуальнее. Именно он может предотвратить энергетический кризис в современности. «Хайтек» поговорил с ученым и выяснил, почему во многих странах идет противодействие экологичному теплу и как с помощью разницы температур можно создать высокоэффективный кондиционер.
М-цикл, или термодинамический цикл Майсоценко (Maisotsenko Cycle, M-Cycle — «Хайтек») — это способ использования энергетического потенциала направленного движения воздуха, возникающего в результате природного процесса испарения воды. Применяется в системах охлаждения и кондиционирования воздуха, в устройствах для получения питьевой воды, аппаратах для рекуперации тепла, в установках по производству электрической и тепловой энергии. Его создатель Валерий Майсоценко — доктор технических наук, профессор, автор около 200 научно-технических работ и трех десятков актуальных прорывных патентов. В советские годы его идеи считали если не безумными, то нереализуемыми. Он утверждал, что возможно получать энергию из воздуха, как об этом говорил еще Никола Тесла. Спустя 30 лет его разработками пользуются по всему миру. Испарительно-конденсационный тепловой насос на основе воды сейчас способен вытеснить центральное отопление и компрессионную климатическую технику, а М-цикл в будущем может реализовать принципиально новую термодинамическую концепцию для двигателей и турбин.
Человек, который не ждет милостей от природы
В современном мире, где остро стоит экологический вопрос, необходимо резко сократить потребление энергии и топлива. Валерий Майсоценко делал свои разработки с целью уменьшить негативное воздействие на окружающую среду посредством сокращения выбросов. Еще в Советском Союзе профессор обивал пороги государственных учреждений с попытками внедрить в производство свое открытие. Отовсюду получал отрицательный ответ. Его идея о добыче энергии из воздуха казалась научному сообществу того времени сумасшедшей: заявление о том, что тепло можно добывать из холода, вызывало бурю возмущения.
Валерий Майсоценко — ученый-практик, признанный международный авторитет в области термодинамики. Инженер-изобретатель окончил в 1963 году Одесский технологический институт холодильной промышленности. В 1970 году защитил диссертацию в области технологии и получил степень кандидата химических наук. В 1988 году после защиты диссертации в Московском инженерно-строительном институте стал доктором технических наук, профессором. В Одесской академии хладагента на Украине руководил коммерческими исследованиями по разработке экологически чистых технологий, является почетным профессором академии. В СССР был признан в числе 11 лучших изобретателей: имеет более 400 советских, российских и международных патентов. В технологиях опреснения воды Майсоценко — обладатель первого советского патента, имевшего глобальную международную защиту.
Почти 50 лет назад Валерий Майсоценко доказал, что, не нарушая законов термодинамики, можно существенно расширить пределы охлаждения, основанные на процессе испарения воды. Новый подход позволял с минимальными энергозатратами в одном устройстве охлаждать жидкость или газ до температуры «точки росы» внешнего воздуха. Практические разработки автора нашли применение в военной промышленности, однако официальная наука в СССР отказывалась признавать новый принцип, сравнивая его по реализуемости с вечным двигателем: «Этого не может быть. Это против законов термодинамики».
«Предлагая использовать свои изобретения на благо страны, я написал письмо Михаилу Горбачеву. Пришел ответ, в котором говорилось, что мои замыслы нереальны, предложения не подлежат обсуждению. Рекомендовалось никого не беспокоить ненаучными идеями. В рамке на стене это письмо висит рядом с другими отписками от американских чиновников и сейчас вдохновляет меня на новые изобретения и проекты», — делится Валерий Майсоценко.
В 1992 году Валерий вместе с семьей уехал работать сначала в Сингапур, а затем в США, где в настоящее время проживает и по-прежнему активно работает в городе Денвер, штат Колорадо. На рубеже XXI века совместно с партнерами создал две компании — Coolerado Co и Idalex. Изобрел тепломассообменные аппараты Coolerado TMX и HAR, разработал выпускаемые кондиционеры, работающие на воде и охлаждающие воздух до температуры «точки росы». Сейчас собственником технологий и бизнеса является компания Seeley International, головной офис которой расположен в Австралии. Четыре года назад они купили американскую компанию, которая выпускала новые кондиционеры на М-цикле, Coolerado. А до этого, как только закончилось действие советских патентов, они начали выпуск кондиционеров Climate Wizard — это первое поколение технологий, еще советских.
В Индии, Малайзии, на Филиппинах строятся заводы по выпуску климатического оборудования. В Гонконге под научным руководством Майсоценко была создана научная лаборатория для разработки систем по опреснению воды на основе М-цикла, кондиционированию во влажном климате, созданию принципиально новых двигателей и получению альтернативной энергии.
Сейчас в США создана собственная, семейная компания Майсоценко M-Cycle Corporation, на которую оформлены все его актуальные патенты. Во всех предыдущих компаниях в Штатах Валерий Майсоценко был учредителем, партнером, сотрудником, но не собственником.
«В 1992 году я вынужденно покинул страну и продолжил свою научную деятельность в США, где получил положительный отклик на свою работу. Несколько компаний начали выпуск экономичных и экологичных кондиционеров», — признается Валерий Майсоценко.
Направленный ветер Майсоценко
Как говорил Никола Тесла, чтобы развитие человечества стремительно двинулось вперед, надо научиться получать энергию из окружающей среды. Валерий Майсоценко нашел способ извлечения энергии из воздуха через природные экологически чистые процессы увлажнения воздуха, испарения и конденсации воды.
Термодинамический цикл Майсоценко основан на действии известных физических законов. Пространство, где образуется влажный охлажденный воздух, является областью пониженного давления. Теплый сухой воздух находится в зоне повышенного давления. Воздух всегда движется от области высокого давления к низкому. До тех пор, пока слои воздуха различаются по температуре, влажности, давлению, существует направленный ветер. И дует тем сильнее, чем больше разница между исходными параметрами.
Ранее считалось, что разница потенциалов атмосферного воздуха слишком мала для практического использования и ограничена психрометрической разностью температур, фиксируемой в данной точке пространства одновременно сухим и влажным термометрами. Более низкие показания влажного термометра обусловлены тем, что при испарении вода отбирает тепло, вызывая эффект охлаждения.
Психометрическая разность температур — разность между сухим и влажным воздухом, которую измеряют посредством так называемых сухого и влажного (мокрого) термометров. Если градусник обернуть влажной тканью, температура понизится. В ванной комнате занавеска в душе отклоняется в сторону горячего влажного воздуха, давление которого меньше (а влажность и температура — выше), чем у холодного и сухого.
Майсоценко смог изменить предел показаний влажного термометра, впервые в мире достигнув «точки росы», существенно увеличив разницу потенциалов. В результате появилась возможность эффективного преобразования одного вида энергии в другие.
Все, что касается сухого и влажного воздуха, разности температур и давлений, Валерий Майсоценко создал искусственно в своем аппарате. В природе воздух прохладный, когда идет дождь; роса выпадает, когда влажный воздух охлаждается. В М-цикле это все делает сам человек в аппаратах Майсоценко за счет сильного испарения воды и увлажнения воздуха происходит интенсивно и с большей разностью температур. Из этой разности энтальпий теперь можно получать энергию.
Точка росы — это температура, при которой влажность воздуха составляет 100% и из воздуха влага в виде пара начинает конденсироваться в виде капель воды, то есть выпадает роса, как утром из тумана на траву, когда теплый туман сталкивается с холодным воздухом.
Изобретатель сконструировал тепломассообменник, в котором перемежаются разделенные перегородками сухие и искусственно увлажняемые каналы, где движутся несмешивающиеся воздушные потоки. В установке за счет разности энтальпий образуется постоянный искусственный ветер, способный совершать определенную работу. Устройства, использующие М-цикл, могут применяться при производстве холода, тепла, энергии, пресной воды, при рекуперации тепла и энергии и в принципиально новых двигателях и турбинах. Более 30 применений М-цикла имеют концептуальные технологии, международные патенты, тестирования и прототипы.
Энтальпия — тепловая функция, теплосодержание или термодинамический потенциал системы, определяемый внутренней энергией, давлением и объемом. Разность потенциалов в электричестве создает ток, а в термодинамике — движение газа или жидкости.
Инженерные решения и области применения М-цикла в разных странах, включая Англию, Канаду, Россию, США, Японию, защищены более чем 200 актуальными патентами. Кондиционеры, использующие цикл Майсоценко, эффективнее традиционных устройств на 90%, что подтверждено исследованиями NREL — Национальной лаборатории источников возобновляемой энергии США. Энергия, полученная через М-цикл, по данным Министерства энергетики США, в восемь-десять раз дешевле, чем из других источников.
Долгий путь к признанию
С 1992 года, после эмиграции в США, Валерий Майсоценко занимался внедрением своих разработок. Десять лет понадобилось изобретателю, чтобы найти инвесторов, которые не побоялись вложиться в идею, на первый взгляд, противоречащую общепринятым законам физики и термодинамики.
Собрав из подручных материалов опытную модель, работающую по новому принципу без компрессора и хладагента-фреона, Майсоценко демонстрировал ее бизнесменам. Простое на вид устройство: картонная коробка, заполненная пластинами испарительного материала с пластиковыми листами. Вентилятор нагнетает через вход воздух, из выходного отверстия выбрасывается насыщенный влагой воздух, а потребителю подается прохладный сухой воздух, прошедший через М-цикл, с температурой «точки росы». Сейчас прототип тепломассообменного аппарата с третьим поколением технологий М-цикла при демонстрации охлаждает воздух от 160 °F (71 oC) до 55 °F (13 oC), то есть охлаждение превышало 100 градусов по Фаренгейту или 58 — по Цельсию. При этом не используется хладагентов, химикатов, движущихся частей и практически не потребляется электричество из сети.
Удивленные и вдохновленные идеей, три брата-фермера решили стать инвесторами технологий М-цикла. Они продали свою ферму и вложили $15 млн в компанию по разработке и производству климатического оборудования Coolerado Co, в которой Майсоценко был основным исследователем и разработчиком. У них было университетское техническое образование, и они хорошо разбирались в термодинамике. Братья даже стали соавторами патентов и публикаций Майсоценко, они же управляли бизнесом, привлекали инвесторов. Майсоценко познакомился с ними на технологической выставке.
Кондиционеры Coolerado на втором поколении технологий М-цикла доказали свои преимущества в сравнении с другими охладительными устройствами:
- экологичность: для охлаждения и очистки используется только наружный свежий воздух, в качестве хладагента используется вода, фреон отсутствует;
- экономичность: энергопотребление ниже в восемь-десять раз;
- технологичность: нужен только вентилятор, компрессор отсутствует, нет необходимости использовать материалы, выдерживающие высокое давление и вакуум.
В 2004 году кондиционеры Майсоценко были удостоены престижной международной награды журнала Research & Development как прорыв в области низкотемпературных технологий и кондиционирования. В 2006 году Coolerado Cooler за энергоэффективность был награжден высшей наградой ежегодного конкурса Parade of Homes — The Built Green Colorado Award of Excellence.
Департамент энергии США после тестирования установил, что энергоэффективность кондиционеров Coolerado в пять раз выше, а потребление энергии — до десяти раз меньше, чем у аналогичных традиционных охладителей воздуха. В настоящее время кондиционеры с применением технологии цикла Майсоценко рекомендованы к широкому использованию National Renewable Energy Laboratory.
Крупнейший авторитет в области термодинамики доктор Майрон Трайбус, говоря о новой технологии Валерия Майсоценко, отметил, что люди, увидев работу М-цикла, резко меняют мнение, превращаясь из критиков в защитников. Однако внедрение М-цикла продолжает сталкиваться в Америке и во всем мире с противодействием. Использование возобновляемых природных энергетических ресурсов выгодно для потребителей технологических устройств, но усиливает конкуренцию производителей старых моделей и органического топлива. Поэтому представители традиционных автомобилестроительных, газо- и нефтедобывающих компаний не заинтересованы в продвижении и внедрении более энерго- и ресурсоэффективных технологий Майсоценко.
Майрон Трайбус — американский специалист по теории организации. Работал директором Центра перспективных инженерных исследований Массачусетского технологического института в 1974–1986 годах. Был известным сторонником популяризации байесовских методов и работ Эдвардса Деминга, ввел в обращение термин «термоэкономика».
В странах, где нет собственной нефти — Австралии, Индии, Китае, Японии, странах Европы, отсутствует явное противодействие внедрению новых технологий. Здесь закупаются патенты на производство устройств с технологией М-цикла. Бонусом для покупателей является уникальное свойство охладительных систем этого типа: повышение эффективности работы при росте температуры внешней среды «чем жарче, тем лучше». Обычные компрессионные кондиционеры в жарком климате снижают эффективность работы.
Принцип действия теплового насоса
Основа теплового насоса — тепломассообменный, ТМО-аппарат, состоящий из двух типов ячеек, через которые проходит сухой и влажный воздух. Сухой прохладный воздух позволяет охлаждать и конденсировать влагу из влажного теплого. При конденсации влаги выделяется все тепло, которое было затрачено на испарение, и его достаточно, чтобы отапливать помещение или использовать для работы и получения энергии. Конденсат, образуемый при работе аппарата, стекает вниз и повторно поступает во влажные каналы. В сухих зонах циркулирует атмосферный воздух.
Разность температур атмосферы и конденсата служит источником энергии, что позволяет регулировать температуру в помещении: летом — охлаждать, зимой — отапливать. Кроме кондиционеров, технология М-цикла применяется для опреснения воды, в двигателях, турбинах, тепловых машинах. Выгода от применения установки очевидна — просто, дешево, не требует энергии и специальных материалов и не загрязняет окружающую среду планеты.
«На основе М-цикла производятся уникальные тепловые насосы, которые могут использоваться в жилых домах и промышленных помещениях. Аппарат выполняет две функции: нагревание воздуха зимой и охлаждение летом. Оба процесса выполняются за счет взаимодействия сухого воздуха и воды и выделения тепла при конденсации. Один такой кондиционер потребляет в десять раз меньше энергии, чем обычный, и требует только треть тепла для нормального обогрева», — рассказывает Валерий Майсоценко.
Тепловой насос совмещает функции обогрева и охлаждения, рекуперации тепла и увлажнения воздуха, после его установки больше не потребуется платить огромные суммы за отопление и электроэнергию. Для его работы нужно минимум электричества и тепла. Одно из главных дополнительных достоинств аппарата — фильтрация от пыли, сохранение чистого, натурального и здорового воздуха в помещении. Благодаря отсутствию компрессоров — минимальный шум. Стоимость гигакалории теплового насоса около $6, что в десять раз меньше, чем нынешние городские тарифы на отопление. Этой суммы хватит, чтобы месяц обогревать трехкомнатную квартиру. Затраты на приобретение М-теплового насоса окупятся за год, что позволит в будущем экономить до 80% на оплате за коммуналку.
Возвращение
Валерий Майсоценко мечтает вернуть свои изобретения на родину — в Россию и на Украину. Создана международная группа по продвижению экологичных технологий М-цикла, в которую входят более 50 единомышленников. Представитель в России — соучредитель Совета по экологическому строительству (RuGBC) Алексей Поляков; на Украине — заведующий отделом Института технической теплофизики Национальной АН Украины академик НАНУ Артем Халатов.
Халатов восторженно отзывался об изобретении ученого: «Валерий Майсоценко сделал крупный вклад в термодинамику, открыв термодинамический цикл, создав на этой основе технические устройства с рекордными показателями по эффективности и коэффициенту полезного действия. С использованием М-цикла уже совершен технологический «прорыв» в создании кондиционеров воздуха и создана фундаментальная база для «прорыва» в тепловой энергетике, двигателестроении, энергосбережении, химической технологии».
В приоритете разработка комбинированных (или гибридных) устройств, использующих принцип М-цикла в качестве основного процесса, а традиционные — в качестве дополнительных. Например, в Киевском институте технической теплофизики НАНУ получили сверхэффективный тепловой насос, соединив М-цикл с обычным тепловым насосом малой мощности. В нем на каждый киловатт потребленного электричества образуется до 10 кВт тепла, что в два раза превышает энергоэффективность установок подобного типа.
Расчеты показывают, что из-за высоких тарифов на теплоэнергию оборудование или переоборудование помещения суперэффективными тепловыми насосами окупается за год. Установка суперэффективных тепловых насосов для отопления или нагрева горячей воды в общественных зданиях и индивидуальных домах позволяет существенно снизить затраты на содержание помещения.
Применение М-цикла для получения энергии
Сейчас в атмосферу выбрасывается тепло от нагретых выхлопные газов (70%) и от корпусов двигателей машин и турбин (30%). Кроме того, использование энергии в двигателях и рекуперация (возврат, повторное использование) бытового и промышленного тепла осуществляется механическими устройствами с невысокой эффективностью, действующими на устаревших и даже ошибочных принципах цикла Карно.
По оценкам Lawrence Livermore National Laboratory:
- вся потребляемая в мире энергия на 2/3 превращается в бросовое тепло и только треть используется для полезной работы;
- основные выбросы приходятся на низкопотенциальное тепло, имеющее низкую температуру или энергию;
- рекуперация тепла — частичное возвращение бросовой энергии в производственный процесс, позволяет значительно снизить потери.
Тепломассообменный аппарат HAR — рекуператор увлажненного воздуха на основе технологий третьего поколения М-цикла. Используя альтернативные методы натурального охлаждения, устройство позволяет вернуть в систему до 98% энергии низкопотенциального тепла. Высокая производительность процесса рекуперации документально подтверждена тестированием HAR, проведенным в 2015 году в Институте газовых технологий (Чикаго, США). Эксперименты показали, что М-цикл позволяет с эффективностью 92–97% использовать для утилизации даже невысокую температуру выхлопных газов (не выше 50 оС). Независимыми исследователями установлено, что применение цикла Майсоценко при пониженном давлении и с использованием солнечного (или рекуперацией бросового) тепла дополнительно повышает эффективность процесса.
Первое, что увидел Валерий Майсоценко после вынужденной эмиграции в США, было его изобретение на обложке американского журнала Time: фото термоэлектрического кондиционера, ТЭК в кабине разбитого танка Т-72 во время вторжения Ирака в Кувейт. Сейчас Майсоценко мечтает о фото своих новых мирных изобретений на обложке российского журнала о технологиях.
«Кроме кондиционеров, сейчас командой Майсоценко разрабатываются тепловые насосы, делаются прототипы для получения воды из воздуха, опреснение воды было пилотно реализовано в СССР, проводилось авторитетное тестирование охлаждения воды и рекуперации тепла, самые большие перспективы подтверждены независимыми исследователями в новой концепции для двигателей и турбин и в получении альтернативной энергии. Горизонт внедрения при наличии инвестора и индустриального партнера (по этому списку) — от двух до десяти лет», — делится представитель М-цикла в России Алексей Поляков.