Тепловой двигатель на новом термодинамическом принципе

Краеугольным камнем теории тепловых двигателей является понятие компенсации за преобразование тепла в работу.

Согласно теории Карно, мы обязаны передать часть подведенной в цикл тепловой энергии окружающей среде, и эта часть зависит от перепада температур между горячим и холодным источниками тепла.



Секрет черепахи

Особенностью всех тепловых двигателей, подчиняющихся теории Карно, является использование процесса расширения рабочего тела, позволяющего в цилиндрах поршневых двигателей и в роторах турбин получать механическую работу. Вершиной сегодняшней теплоэнергетики по эффективности преобразования тепла в работу являются парогазовые установки. В них КПД превышает 60 %, при перепадах температур свыше 1000 С.

В экспериментальной биологии еще более 50 лет назад установлены удивительные факты, противоречащие устоявшимся представлениям классической термодинамики. Так, КПД мышечной деятельности черепахи достигает эффективности в 75 80 %. При этом перепад температур в клетке не превышает долей градуса. Причем и в тепловой машине, и в клетке энергия химических связей сначала в реакциях окисления превращается в тепло, а затем тепло превращается в механическую работу. Термодинамика по этому поводу предпочитает молчать. По ее канонам для такого КПД нужны перепады температур, несовместимые с жизнью. В чем же секрет черепахи?



Традиционные процессы

Со времен паровой машины Уатта, первого массового теплового двигателя, до сегодняшнего дня теория тепловых машин и технические решения по их реализации прошли длительный путь эволюции. Это направление породило огромное количество конструктивных разработок и связанных с ними физических процессов, общей задачей которых было преобразование тепловой энергии в механическую работу. Неизменным для всего многообразия тепловых машин было понятие «компенсации за преобразование тепла в работу». Это понятие сегодня воспринимается как абсолютное знание, каждодневно доказываемое всей известной практикой человеческой деятельности. Отметим, что факты известной практики вовсе не являются базой абсолютного знания, а лишь базой знаний данной практики. Для примера – и самолеты не всегда летали.

Общим технологическим недостатком сегодняшних тепловых машин (двигатели внутреннего сгорания, газовые и паровые турбины, ракетные двигатели) является необходимость передачи в окружающую среду большей части тепла, подведенного в цикл тепловой машины. Главным образом, поэтому они имеют низкий КПД и экономичность.

Обратим особое внимание на тот факт, что все перечисленные тепловые машины для преобразования тепла в работу используют процессы расширения рабочего тела. Именно эти процессы позволяют преобразовывать потенциальную энергию тепловой системы в кооперативную кинетическую энергию потоков рабочего тела и далее в механическую энергию движущих деталей тепловых машин (поршней и роторов).

Отметим еще один, пусть тривиальный, факт, что тепловые машины работают в воздушной атмосфере, находящейся под постоянным сжатием сил гравитации. Именно силы гравитации создают давление окружающей среды. Компенсация за преобразование тепла в работу связана с необходимостью производить работу против сил гравитации (или, то же самое, против давления окружающей среды, вызванного силами гравитации). Совокупность двух выше отмеченных фактов и приводит к «ущербности» всех современных тепловых машин, к необходимости передачи окружающей среде части подведенного в цикл тепла.



Природа компенсации

Природа компенсации за преобразование тепла в работу заключается в том, что 1 кг рабочего тела на выходе из тепловой машины имеет больший объем – под воздействием процессов расширения внутри машины, – чем объем на входе в тепловую машину.

А это означает, что, прогоняя через тепловую машину 1 кг рабочего тела, мы расширяем атмосферу на величину, для чего необходимо произвести работу против сил гравитации – работу проталкивания.

На это затрачивается часть механической энергии, полученной в машине. Однако работа по проталкиванию – это только одна часть затрат энергии на компенсацию. Вторая часть затрат связана с тем, что на выхлопе из тепловой машины в атмосферу 1 кг рабочего тела должен иметь то же атмосферное давление, что и на входе в машину, но при большем объеме. А для этого, в соответствии с уравнением газового состояния, он должен иметь и большую температуру, т. е. мы вынуждены передать в тепловой машине килограмму рабочего тела дополнительную внутреннюю энергию. Это вторая составляющая компенсации за преобразование тепла в работу.

Из этих двух составляющих и складывается природа компенсации. Обратим внимание на взаимозависимость двух составляющих компенсации. Чем больше объем рабочего тела на выхлопе из тепловой машины по сравнению с объемом на входе, тем больше не только работа по расширению атмосферы, но и необходимая прибавка внутренней энергии, т. е. нагрев рабочего тела на выхлопе. И наоборот, если за счет регенерации снижать температуру рабочего тела на выхлопе, то в соответствии с уравнением газового состояния будет снижаться и объем рабочего тела, а значит, и работа проталкивания. Если провести глубокую регенерацию и снизить температуру рабочего тела на выхлопе до температуры на входе и тем самым одновременно сравнять объем килограмма рабочего тела на выхлопе до объема на входе, то компенсация за преобразование тепла в работу будет равна нулю.

Но есть принципиально иной способ преобразования тепла в работу, без использования процесса расширения рабочего тела. При этом способе в качестве рабочего тела используется несжимаемая жидкость. Удельный объем рабочего тела в циклическом процессе преобразования тепла в работу остается постоянным. По этой причине не происходит расширения атмосферы и, соответственно, затрат энергии, свойственных тепловым машинам, использующим процессы расширения. Необходимость в компенсации за преобразование тепла в работу отпадает. Это возможно в сильфоне. Подвод тепла к постоянному объему несжимаемой жидкости приводит к резкому увеличению давления. Так, нагрев воды при постоянном объеме на 1 С приводит к увеличению давления на пять атмосфер. Этот эффект и используется для изменения формы (у нас сжатия) сильфона и совершения работы.



Сильфонно-поршневой двигатель

Предлагаемый к рассмотрению тепловой двигатель реализует отмеченный выше принципиально иной способ преобразования тепла в работу. Данная установка, исключая передачу большей части подведенного тепла окружающей среде, не нуждается в компенсации за преобразование тепла в работу.

Для реализации этих возможностей предлагается тепловой двигатель, содержащий рабочие цилиндры, внутренняя полость которых объединена с помощью перепускного трубопровода, имеющего регулирующую арматуру. Она заполнена в качестве рабочего тела кипящей водой (влажным паром со степенью сухости порядка 0,05 0,1). Внутри рабочих цилиндров расположены сильфонные поршни, внутренняя полость которых объединена с помощью перепускного трубопровода в единый объем. Внутренняя полость сильфонных поршней соединена с атмосферой, что обеспечивает внутри объема сильфонов постоянное атмосферное давление.

Сильфонные поршни соединены ползуном с кривошипно-шатунным механизмом, преобразующим тяговое усилие сильфонных поршней во вращательное движение коленчатого вала.

Рабочие цилиндры расположены в объеме сосуда, заполненного кипящим трансформаторным или турбинным маслом. Кипение масла в сосуде обеспечивается подводом тепла от внешнего источника. Каждый рабочий цилиндр имеет съемный теплоизоляционный кожух, который в нужный момент или охватывает цилиндр, прекращая процесс теплопередачи между кипящим маслом и цилиндром, или освобождает поверхность рабочего цилиндра и при этом обеспечивается передача тепла от кипящего масла к рабочему телу цилиндра.

Кожуха по длине делятся на отдельные цилиндрические секции, состоящие из двух половинок, скорлуп, при сближении охватывающих цилиндр. Особенностью конструкции является расположение рабочих цилиндров по одной оси. Шток обеспечивает механическое взаимодействие сильфонных поршней разных цилиндров.

Сильфонный поршень, выполненный в форме сильфона, одной стороной неподвижно закреплен с трубопроводом, соединяющим внутренние полости сильфонных поршней с разделительной стенкой корпуса рабочих цилиндров. Другая сторона, прикрепленная к ползуну, подвижна и перемещается (сжимается) во внутренней полости рабочего цилиндра под воздействием повышенного давления рабочего тела цилиндра.

Сильфон – тонкостенная гофрированная трубка или камера из стали, латуни, бронзы, растягивающаяся или сжимающаяся (как пружина) в зависимости от разности давлений внутри и снаружи или от внешнего силового воздействия.

Сильфонный поршень, напротив, выполнен из нетеплопроводящего материала. Возможно изготовление поршня и из названных выше материалов, но покрытых нетеплопроводным слоем. Поршень не обладает и пружинными свойствами. Его сжатие происходит только под воздействием перепада давлений по сторонам сильфона, а растяжение – под воздействием штока.



Работа двигателя

Тепловой двигатель работает следующим образом.

Описание рабочего цикла теплового двигателя начнем с ситуации, изображенной на рисунке. Сильфонный поршень первого цилиндра полностью растянут, а сильфонный поршень второго цилиндра полностью сжат. Теплоизоляционные кожуха на цилиндрах плотно прижаты к ним. Арматура на трубопроводе, соединяющем внутренние полости рабочих цилиндров, закрыта. Температура масла в сосуде с маслом, в котором расположены цилиндры, доводится до кипения. Давление кипящего масла в полости сосуда, рабочего тела внутри полостей рабочих цилиндров, равно атмосферному. Давление внутри полостей сильфонных поршней всегда равно атмосферному – так как они соединены с атмосферой.

Состояние рабочего тела цилиндров соответствует точке 1. В этот момент арматура и теплоизоляционный кожух на первом цилиндре открываются. Скорлупы теплоизоляционного кожуха отодвигаются от поверхности обечайки цилиндра 1. В этом состоянии обеспечена теплопередача от кипящего масла в сосуде, в котором расположены цилиндры, к рабочему телу первого цилиндра. Теплоизоляционный кожух на втором цилиндре, напротив, плотно облегает поверхность обечайки цилиндра. Скорлупы теплоизоляционного кожуха прижаты к поверхности обечайки цилиндра 2. Тем самым передача тепла от кипящего масла к рабочему телу цилиндра 2 невозможна. Так как температура кипящего при атмосферном давлении масла (примерно 350 С) в полости сосуда, содержащего цилиндры, выше температуры кипящей при атмосферном давлении воды (влажного пара со степенью сухости 0,05 0,1), находящейся в полости первого цилиндра, то происходит интенсивная передача тепловой энергии от кипящего масла к рабочему телу (кипящей воде) первого цилиндра.



Как осуществляется работа

При работе сильфонно-поршневого двигателя проявляется существенно вредный момент.

Происходит передача тепла из рабочей зоны сильфонной гармошки, где осуществляется преобразование тепла в механическую работу, в нерабочую зону при циклическом перемещении рабочего тела. Это недопустимо, так как подогрев рабочего тела вне рабочей зоны приводит к возникновению перепада давлений и на неработающий сильфон. Тем самым будет возникать вредная сила против производства полезной работы.

Потери от охлаждения рабочего тела в сильфонно-поршневом двигателе не носят столь принципиально неизбежного характера, как потери тепла в теории Карно для циклов с процессами расширения. Потери от охлаждения в сильфонно-поршневом двигателе могут быть снижены до сколь угодно малой величины. Отметим, что в данной работе речь идет о термическом КПД. Внутренний относительный КПД, связанный с трением и другими техническими потерями, остается на уровне сегодняшних двигателей.

Парных рабочих цилиндров в описываемом тепловом двигателе может быть сколько угодно – в зависимости от требуемой мощности и прочих конструктивных условий.



На малых перепадах температур

В окружающей нас природе постоянно существуют различные перепады температур.

Например, перепады температур между различными по высоте слоями воды в морях и океанах, между массами воды и воздуха, перепады температур у термальных источников и т. п. Покажем возможность работы сильфонно-поршневого двигателя на естественных перепадах температур, на возобновляемых источниках энергии. Проведем оценки для климатических условий Арктики.

Холодный слой воды начинается от нижней кромки льда, где его температура равна 0 °С и до температуры плюс 4 5 °С. В эту область будем отводить то небольшое количество тепла, которое отбирается из перепускного трубопровода, для поддержания постоянного уровня температур рабочего тела в нерабочих зонах цилиндров. Для контура (теплопровода), отводящего тепло, выбираем в качестве теплоносителя бутилен цис-2 Б (температура кипения – конденсации при атмосферном давлении составляет +3,7 °С) или бутин 1 Б (температура кипения +8,1 °С). Теплый слой воды в глубине определяем в диапазоне температур 10 15°С. Сюда опускаем сильфонно-поршневой двигатель. Рабочие цилиндры непосредственно контактируют с морской водой. В качестве рабочего тела цилиндров выбираем вещества, которые имеют температуру кипения при атмосферном давлении ниже температуры теплого слоя. Это необходимо для обеспечения теплопередачи от морской воды к рабочему телу двигателя. В качестве рабочего тела цилиндров можно предложить хлорид бора (температура кипения +12,5 °С), бутадиен 1,2 Б (температура кипения +10,85 °С), виниловый эфир (температура кипения +12 °С).

Имеется большое количество неорганических и органических веществ, отвечающих этим условиям. Тепловые контура с таким образом подобранными теплоносителями будут работать в режиме тепловой трубы (в режиме кипения), что обеспечит передачу больших тепловых мощностей при малых перепадах температуры. Перепад давления между внешней стороной и внутренней полостью сильфона, помноженный на площадь гармошки сильфона, создает усилие на ползун и порождает мощность двигателя, пропорциональную мощности подведенного тепла к цилиндру.

Если температуру нагрева рабочего тела снизить в десять раз (на 0,1 °С), то перепад давления по сторонам сильфона тоже снизится примерно в десять раз, до 0,5 атмосфер. Если при этом площадь гармошки сильфона также увеличить в десять раз (увеличивая число секций гармошек), то усилие на ползун и развиваемая мощность останутся неизменными при неизменном подводе тепла к цилиндру. Это позволит, во первых, использовать очень малые естественные перепады температур и, во вторых, резко снизить вредный разогрев рабочего тела и отвод тепла в окружающую среду, что позволит получить высокий КПД. Хотя здесь стремление к высокому. Оценки показывают, что мощность двигателя на естественных перепадах температур может составить до нескольких десятков киловатт на квадратный метр теплопроводящей поверхности рабочего цилиндра. В рассмотренном цикле нет высоких температур и давлений, что значительно удешевляет установку. Двигатель при работе на естественных перепадах температур не дает вредных выбросов в окружающую среду.

В качестве заключения автор хотел бы сказать следующее. Постулат о «компенсации за преобразование тепла в работу» и непримиримая, далеко выходящая за рамки полемического приличия позиция носителей этих заблуждений связали творческую инженерную мысль, породили туго затянутый узел проблем. Следует отметить, что инженерами уже давно изобретен сильфон и его широко используют в автоматике в качестве силового элемента, преобразующего тепло в работу. Но сложившаяся в термодинамике ситуация не позволяет провести объективное теоретическое и экспериментальное исследование его работы.

Вскрытие природы технологических недостатков современных тепловых машин показало, что «компенсация за преобразование тепла в работу» в ее устоявшемся толковании и те проблемы и негативные последствия, с которыми столкнулся по этой причине современный мир, есть не что иное, как компенсация за неполноту знания.

Александр КОСАРЕВ, инженер