Сильфонно-поршневой двигатель – тепловой двигатель без компенсации за преобразование тепла в работу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сильфонно-поршневой двигатель - тепловой двигатель без компенсации за преобразование тепла в работу

Со времён паровой машины Уатта, первого массового теплового двигателя, до сегодняшнего дня теория тепловых машин и совокупность технических решений по их реализации прошли длительный путь эволюции. Данное направление технической эволюции породило огромное количество конструктивных разработок и связанных с ними физических процессов, общей задачей которых было преобразование тепловой энергии в механическую работу. Неизменным за прошедший период эволюции для всего многообразия тепловых машин было понятие «компенсации за преобразование тепла в работу». Это понятие сегодня воспринимаются как абсолютное знание, каждодневно доказываемое всей известной практикой человеческой деятельности в данной сфере. Сразу отметим, что факты известной практики вовсе не являются базой абсолютного знания, а лишь базой знаний данной практики. Для примера и самолёты не всегда летали. Рассмотрим наиболее характерные этапы и направления эволюции тепловых двигателей.

Первым массовым тепловым двигателем была паровая машина Уатта - поршневой двигатель, в котором потенциальная энергия сжатого водяного пара преобразуется в механическую работу. Рабочий процесс паровой машины обусловлен периодическими изменениями упругости пара в полостях её цилиндра, объём которых изменяется в процессе возвратно - поступательного движения поршня, преобразуемого с помощью кривошипного механизма во вращательное движение вала. С конца 18 до конца 19 века паровая машина была единственным распространённым тепловым двигателем в промышленности и на транспорте. Паровая машина имеет хорошие тяговые характеристики, допускает большие перегрузки и реверсирование, надёжна, проста. Коэффициент полезного действия (КПД) от нескольких процентов на начальном этапе достигает к закату эпохи паровых машин 20-25%. (См. например, Новый политехнический словарь. Главный редактор А.Ю. Ишлинский. - М.: Большая Российская энциклопедия, 2003, с. 360.).

К недостаткам паровой машины относятся низкая экономичность, вызванная большой неизбежной передачей тела в окружающую среду, большой компенсацией и ограничение единичной мощности.

Следующим этапом развития теплотехники стал двигатель внутреннего сгорания (ДВС) - тепловой двигатель, в котором топливо в смеси с воздухом сжигается внутри рабочих цилиндров и выделяющееся при этом тепло частично преобразуется в механическую работу. ДВС делятся на карбюраторные, работающие по циклу с подводом тепла при постоянном объёме и дизельные, работающие по циклу с подводом тепла при постоянном давлении. (См. например, Теплотехника. Под общей редакцией И.Н. Сушкина. - М.: Металлургия, 1973, с. 414 - 420.).

Общими недостатками всех ДВС является отсутствие регенерации тепла выхлопных газов в цикл, что снижает их термический КПД до 40 - 50% и ограничение единичной мощности.

Вслед за ДВС широкое развитие получили паротурбинные и газотурбинные установки.

Паротурбинная (паросиловая) установка, состоит из парового котла с пароперегревателем, паровой турбины с системой регенерации, конденсатора и питательного насоса, работает по циклу Ренкина. (См. например, Техническая термодинамика. А.С. Ястржембский. - М.: Государственное энергетическое издательство, 1953, с. 365 -368.).

К недостаткам паротурбинных установок относятся потеря большого количества тепла из-за ограничений регенерации, вызванных свойствами влажного пара, а также сложность и дороговизна установок.

Газотурбинная установка (ГТУ), состоящая из компрессора, сжимающего воздух, направляющийся в камеру сгорания, камеры сгорания, в которой при постоянном давлении (цикл Брайтона) или при постоянном объёме (цикл Гемфри) происходит горение топлива и газовой турбины. ГТУ, работающие по циклу Брайтона, оснащаются регенераторами, обеспечивающими возвращение части тепла выхлопных газов в цикл. (См. например, Техническая термодинамика. А.С. Ястржембский. - М.: Государственное энергетическое издательство, 1953, с. 257 -267.).

К недостаткам ГТУ, работающим по циклу Брайтона относится то, что теплообмен в регенераторе ограничен. После сжатия в компрессоре температура воздуха резко повышается, что приводит к снижению возможности отбора тепла уходящих газов, т.е. снижает возврат тепла в цикл. Это снижает КПД и экономичность установки.

К недостаткам ГТУ, работающим по циклу Гемфри относится то, что, несмотря на принципиальную возможность работать без компрессора (по циклу Ленуара) и иметь более благоприятные условия для регенерации в этих установках на практике регенераторы отсутствуют вовсе. По этой причине у них КПД ниже, чем у ГТУ, работающих по циклу Брайтона.

В настоящее время наиболее перспективными признаны парогазовые установки (ПГУ). ПГУ состоит из ГТУ, работающей по циклу Брайтона и паротурбинной установки, в которой вместо парового котла используется котёл утилизатор, генерирующий пар за счёт тепла выхлопных газов ГТУ. ПГУ имеют самый высокий КПД в современной энергетике, превышающий 50%. (См. например, Теплотехника. Под общей редакцией И.Н. Сушкина. - М.: Металлургия, 1973, с. 380 - 383.).

К недостаткам ПГУ относятся значительные потери тепла, связанные с передачей его в окружающую среду, всё та же компенсация, а так же сложность и дороговизна установок.

Известны также реактивные (ракетные) тепловые двигатели. Главным недостатком этих двигателей является низкий КПД.

Говоря о КПД мы везде имели в виду термический КПД.

Таким образом, исследование уровня техники показывает, что общим технологическим недостатком выше перечисленных тепловых машин является необходимость передачи в окружающую среду значительной 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 и иные 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).

Природа компенсации за преобразование тепла в работу

Отметим ещё один, пусть тривиальный факт, что тепловые машины работают в воздушной атмосфере, находящейся под постоянным сжатием сил гравитации. Именно силы гравитации создают давление окружающей среды. Покажем, что компенсация за преобразование тепла в работу связана с необходимостью производить работу против сил гравитации или тоже 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. Рассмотрим Рис. - 1. Здесь - атмосферное давление, - удельный объём 1 кг. рабочего тела (воздуха) на входе в тепловую машину, - удельный объём 1 кг. рабочего тела на выхлопе тепловой машины в атмосферу. Для большей ясности физики компенсации будем понимать под тепловой машиной традиционную газотурбинную установку, работающую по циклу Рис. - 2а (циклу Брайтона). Хотя причина компенсации одна и та же и для паровой машины, и для газотурбинных и для паротурбинных установок, и для двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1

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

уатт двигатель тепловой сильфонный поршневой

(см. Рис. 1)

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 тоже атмосферное давление что и на входе в машину, но при большем объёме . 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. Таким образом, общие потери энергии за преобразование тепла в работу в пересчёте на 1 кг. рабочего тела и переданные окружающей среде составят:

(1)

Из этих двух составляющих и складывается природа компенсации. Обратим внимание на взаимозависимость двух составляющих компенсации. Чем больше объём рабочего тела на выхлопе из тепловой машины по сравнению с объёмом на входе, тем выше не только работа по расширению атмосферы, но и необходимая прибавка внутренней энергии, т.е. нагрев рабочего тела на выхлопе в сравнении с входом. И наоборот, если за счёт регенерации снижать температуру рабочего тела на выхлопе, то в соответствии с уравнением газового состояния будет снижаться и объём рабочего тела на выхлопе, 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 объём килограмма рабочего тела на выхлопе до объёма на входе в тепловую машину, то компенсация за преобразование тепла в работу будет равна нулю. Что реально мешает достичь этого результата рассмотрим на циклах и процессах традиционной квазиравновесной термодинамики. Рассмотрим идеальный цикл простейшей газотурбинной установки с подводом тепла при постоянном давлении (см. Рис. - 2а). Здесь 1-2 - адиабатный процесс сжатия в компрессоре; 2-3 - изобарный процесс подвода тепла к рабочему телу в камере сгорания; 3-4 - адиабатный процесс расширения в турбине; 4-1 - изобарный процесс отвода тепла от рабочего тела к холодному источнику с целью вернуть цикл в исходную точку 1.

Рис.-2а Рис.-2б

Используя температурную неравновесность между точками 4 и 2, мы организуем регенерацию тепла между процессами (4-1) и (2-3) при противотоке и снижаем количество тепла, передаваемое холодному источнику. Однако на пути процесса регенерации тепла встает процесс предварительного сжатия рабочего тела (1-2) и перепад температур в регенераторе . Это приводит к повышенным потерям тепла с уходящими газами на выходе из газотурбинной установки, которые вызваны двумя причинами, ограничивающими передачу тепла от уходящих газов к воздуху в регенераторе (см. Рис. 2а):

1) потери, вызванные сжатием воздуха в компрессоре. Так как нельзя охладить уходящие газы в регенераторе ниже температуры воздуха на входе в регенератор, то сжимая предварительно воздух в компрессоре и тем самым повышая температуру воздуха на входе в регенератор, мы ограничиваем передачу тепла от газов к воздуху и получаем первую потерю, принципиально не устранимую в циклах с предварительным сжатием рабочего тела.

2) Вторая причина потерь с уходящими газами вызвана тем, что для передачи тепла в регенераторе (q_рег) от горячих газов на выхлопе из турбины к холодному воздуху, входящему в регенератор, необходим перепад температур (DТ_рег). Эта потеря тем меньше, чем меньше перепад температур DТ_рег (см. Рис. 2а и 2б). Но эту вторую потерю можно сделать сколь угодно малой, увеличивая теплопередающую поверхность регенератора и тем самым, снижая DТ_рег в соответствии с основной формулой теплопередачи:

q_рег = k F ­DТ_рег Ї = const. (2)

где: q_рег - тепло, переданное в регенераторе от газов к воздуху; k - коэффициент теплопередачи; F - теплопередающая поверхность от газов к воздуху в регенераторе; DТ_рег - теплоперепад в регенераторе между газом и воздухом.

Главным образом из-за адиабаты 1-2 (процесса предварительного сжатия) мы не можем осуществить полную регенерацию тепла и вынуждены отдавать тепло холодному источнику. Потери тепла в окружающую среду за счет можно в пределе свести к нулю, увеличивая площадь поверхности регенератора (см. (2)). Причина появления процесса предварительного сжатия (1-2) в том, что из практики замечено: для получения газового потока необходимо сжатие газа, необходим перепад давлений. Необходимо получить неравновесность, запасти потенциальную энергию (между точками 1 и 2), которую вновь можно превратить в энергию кооперативного движения в процессе расширения и далее в механическую работу. Однако если сразу использовать эту неравновесность, то никакого эффекта не будет даже в идеале, а на практике, по причине релаксации (трения), будут потери кооперативной кинетической энергии, возникшей при преобразовании потенциальной (внутренней) энергии. Поэтому необходимо усиление неравновесности, полученной в точке 2. Для этого производится подогрев рабочего тела до точки 3 и в системе накапливается, за счет подведенного тепла, дополнительная потенциальная энергия (эксергия), дополнительная неравновесность. Благодаря процессу подогрева 2 - 3 точка 3, в сравнении с точкой 2, получила второй уровень неравновесности, дополнительную потенциальную энергию. Это и дает нам возможность в процессе адиабатного расширения 3-4 получить выигрыш в работе по сравнению с процессом сжатия 1-2.

Но у нас еще остается неравновесность точки 4 по отношению к точке 2 и, используя эту температурную неравновесность, мы частично используем (регенерируем) тепло отходящих газов в процессе 4-1 на подогрев рабочего тела в начале процесса 2-3. На пути полной регенерации встал процесс предварительного сжатия 1-2, который поднял температуру рабочего тела в точке 2. Обратим внимание на то, что процесс предварительного сжатия 1-2 является обязательным элементом всех используемых ныне тепловых циклов: и газотурбинных, и ДВС, и Ренкина. Предлагается отказаться от процесса предварительного сжатия. Это становится возможным при работе газотурбинной установки по циклу изображенному на Рис.-2б. Это цикл Ленуара. Цикл Ленуара есть предельный цикл Гемфри. По такому циклу работают газотурбинные установки пульсирующего типа без компрессора. Отсутствие процесса предварительного сжатия в компрессоре (1-2) устраняет причину №1 потерь тепла с уходящими газами. Подвод тепла и повышение давления производится в изохорном процессе 1-3. Для осуществления регенерации в таком цикле предлагается регенератор специальной конвейерной конструкции. [Л-2, 13]. Предложенный регенератор для цикла Гемфри (для ГТУ пульсирующего типа) позволяет за счёт увеличения поверхности теплопередачи регенератора сколь угодно уменьшать и тем самым сводить потери тепловой энергии на выхлопе к минимуму.

Как показывает опыт общения, наибольшие трудности для восприятия вызывает регенеративный теплообмен между изобарным процессом 4-1 и изохорным процессом в цикле Гемфри (1-3 в цикле Ленуара, частный случай цикла Гемфри). Дело в том, что при равных перепадах температур, тепло изобарного процесса больше тепла изохорного процесса, т.к. изобарная теплоёмкость больше изохорной. (закон Майера). По этой причине мне вменяют в вину нарушение 1-го закона термодинамики. Более сурового приговора по меркам сегодняшнего естествознания трудно придумать. Но нарушения 1-го закона здесь нет. Рассмотрим это на примере цикла Гемфри (рисунок 2б, цикл Ленуара, частный случай цикла Гемфри). При регенерации тепло от изобарного процесса 4 - 4а (пл. b-4а-4-e) передаётся изохорному процессу 1 - 1а (пл. а-1-1а-c). Тепло подведенное в изохорном процессе пошло на увеличение внутренней энергии рабочего тела и равно теплу отнятому в изобарном процессе.

; (3)

Это тепло отобрано у изобарного процесса 4 - 4а. Запишем тепло изобарного процесса 4 - 4а, обозначенного площадкой b-4а-4-e:

; (4),

где - давление окружающей среды. В (3) и (4) перепады внутренней энергии равны. Именно это тепло передаётся через стенку регенератора. Куда же девается составляющая ? Выше мы уже отмечали взаимосвязь между двумя составляющими переданного окружающей среде тепла (1). Так вот, когда мы отнимаем в процессе регенерации тепло , мы снижаем объём выхлопных газов с до . Тем самым мы снижаем работу по расширению атмосферы (работу против сил гравитации) на величину . Эта работа уже не растрачивается на выхлопе, а остаётся на валу машины как полезная нагрузка. Баланс энергии соблюдён, 1-й закон термодинамики не нарушен.

Таким образом, регенерация позволяет самым существенным образом сократить передачу тепла в окружающую среду (в холодильник), сократить компенсацию за преобразование тепла в работу. Это снижает относительную долю переданного в холодильник тепла и, следовательно, повышает термический КПД. Однако отмеченные выше две причины (процесс предварительного сжатия рабочего тела и теплоперепад в регенераторе) накладывают ограничения на глубину регенерации. 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 объём рабочего тела в циклическом процессе преобразования тепла в работу остаётся постоянным. По этой причине не происходит расширение атмосферы и соответственно затрат энергии, свойственных тепловым машинам, использующим процессы расширения. Необходимость в компенсации за преобразование тепла в работу отпадает. Это возможно в сильфоне.

Сильфонно-поршневой двигатель

Понимание природы компенсации позволило определить технологические причины, которые в современных тепловых машинах приводят к неизбежности тепловых потерь. В дальнейшем усилия автора были направлены на устранение технологических причин, которые приводят тепловую машину к необходимости производить работу по расширению атмосферы, производить работу против сил гравитации. Были запатентованы две установки [Л-2 и Л-3]. Первая позволяет резко сократить компенсацию за преобразование тепла в работу, вторая исключает её полностью. Общим технологическим недостатком этих установок был процесс теплопередачи в регенераторах в условиях газовой конвекции. В условиях газовой конвекции коэффициент теплопередачи имеет очень низкое значение, что приводит к большим габаритам регенератора. Предлагаемый к рассмотрению тепловой двигатель реализует отмеченный выше принципиально иной способ преобразования тепла в работу. Данная установка, исключая передачу тепла окружающей среде, исключая компенсацию за преобразование тепла в работу, позволяет осуществлять процессы теплопередачи в условиях кипящей жидкости (в условиях влажного пара с очень низкой степенью сухости). Это увеличивает коэффициент теплопередачи, а, следовательно, и интенсивность процесса теплопередачи на два, три порядка в сравнении с условиями газовой конвекции, что обеспечивает относительную компактность установки.

Для реализации этих возможностей предлагается тепловой двигатель, содержащий рабочие цилиндры, внутренняя полость которых объединена с помощью перепускных трубопроводов, имеющих регулирующую арматуру, и коллектора. Внутренняя полость рабочих цилиндров 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 перепускных трубопроводов и коллектора. Внутренняя полость сильфонных поршней заполнена трансформаторным или турбинным маслом.

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

Рабочие цилиндры расположены в объёме сосуда, заполненного кипящим трансформаторным или турбинным маслом. Кипение масла в сосуде обеспечивается подводом тепла от внешнего источника. Каждый рабочий цилиндр имеет съёмный 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.

Принципиальная конструктивная схема теплового двигателя изображена на рисунках 3а и 3б. Чертежи имеют следующие цифровые позиции: 1 и 2 - рабочие цилиндры. Поперечное сечение рабочих цилиндров может иметь любую удобную форму (круг, прямоугольник); 3 и 4 - сильфонные поршни; 5 - коллектор, соединяющий воедино внутренние полости сильфонных поршней; 6 - коллектор, соединяющий воедино внутренние полости рабочих цилиндров; 7 - запорная арматура на трубопроводе, соединяющем внутреннюю полость рабочего цилиндра и коллектора - 6; 8 - сальниковые уплотнения в месте прохода через стенку цилиндра ползуна - 9, передающего тяговое усилие от сильфонного поршня на шатун кривошипно - шатунного механизма; 10 шатун; 11 - коленчатый вал; 12 - маховик кривошипно - шатунного механизма; 13 - сочленение между ползуном и шатуном; 14 - сосуд, заполненный кипящим маслом, в котором находятся рабочие цилиндры; 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22 - отдельные цилиндрические секции, состоящие из двух половинок, скорлуп, при сближении охватывающих цилиндр. Из этих скорлуп набираются съёмные теплоизоляционные кожуха рабочих цилиндров;

Сильфонный поршень, выполненный в форме сильфона, одной стороной неподвижно закреплён с трубопроводом, соединяющим внутреннюю полость сильфонного поршня с коллектором - 5 и с корпусом рабочего цилиндра, другая сторона, прикреплённая 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. (см. например, Новый политехнический словарь. Главный редактор А.Ю. Ишлинский. - М.: Большая Российская энциклопедия, 2003, с. 486.).

В предлагаемой конструкции сильфонный поршень напротив выполнен из не теплопроводящего материала. Возможно выполнение сильфонного поршня из названных выше теплопроводных материалов, но покрытых слоем не теплопроводного материала. В предлагаемой конструкции сильфонный поршень не обладает и пружинными свойствами. Его сжатие и растяжение происходит только под воздействием перепада давлений по сторонам сильфона.

На Рис. 3а и 3б изображена принципиальная конструктивная схема, на Рис. 4 изображён термодинамический цикл сильфонно поршневого двигателя.

а) б)

Рис. 3

Тепловой двигатель работает следующим образом.

Описание рабочего цикла заявленного теплового двигателя начнём с ситуации, изображённой на Рис. 3а. Сильфонный поршень первого цилиндра (на Рис. 3а позиция 3) полностью растянут, а сильфонный поршень второго цилиндра (на Рис. 3а позиция 4) полностью сжат. Теплоизоляционные кожуха (15 - 22, Рис. 3б) на цилиндрах 1 и 2 (Рис. 3б) плотно прижаты к цилиндрам. Арматура - 7 (Рис. 3а) на трубопроводах, соединяющих внутренние полости рабочих цилиндров с коллектором - 6 закрыта. Температура масла в сосуде - 14 (Рис. 3б) доводится до кипения. Давление кипящего масла в полости сосуда - 14, рабочего тела внутри полостей рабочих цилиндров и давление масла внутри полостей сильфонных поршней равно атмосферному. Состояние рабочего тела цилиндров (кипящая вода) соответствует точке 1 на Рис. 4. В этот момент арматура - 7 на обоих цилиндрах и теплоизоляционный кожух на первом цилиндре открываются. Скорлупы 1522 теплоизоляционного кожуха отодвигаются от поверхности обечайки цилиндра - 1. (см. Рис. 3б). В этом состоянии обеспечена теплопередача от кипящего в сосуде - 14 масла, к рабочему телу первого цилиндра. Теплоизоляционный кожух на втором цилиндре, напротив плотно облегает поверхность обечайки цилиндра. Скорлупы 1522 теплоизоляционного кожуха прижаты к поверхности обечайки цилиндра - 2. (см. Рис. 3б). Тем самым передача тепла от кипящего масла к рабочему телу цилиндра - 2 не возможна. Так как температура кипящего при атмосферном давлении масла (примерно 350) в полости сосуда - 14 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.

Рис. 4

Коэффициент теплоотдачи от поверхности металла к кипящей жидкости составляет величину порядка 2200 - 11000 . (см. например, Лариков Н.Н. Теплотехника. - М.: Стройиздат, 1985, с. 228). Принимая коэффициент теплоотдачи от кипящего масла к металлической поверхности рабочего цилиндра, на выше отмеченном уровне и учитывая разность температур между кипящим маслом с внешней стороны цилиндра и кипящей водой с внутренней стороны, получаем, что мощность теплового потока, подводимого к рабочему телу цилиндра, составит величину порядка 200 - 1000 . Рабочее тело (кипящая вода) в цилиндрах 1 и 2 и масло внутри сильфонных поршней 3 и 4 находятся в процессе работы теплового двигателя при постоянном объёме. Интенсивно подводимое тепло к первому цилиндру вызывает повышение давления его рабочего тела до точки 2 (Рис. 4). При этом температура и давление масла внутри сильфонного поршня - 3 первого цилиндра не изменяется, так как поверхность сильфонного поршня не теплопроводна. В результате создаётся перепад давлений по сторонам сильфонного поршня первого цилиндра. Этот перепад давлений между точками 2 и 1 (Рис. 4) определяется внешней нагрузкой на валу машины. Как только давление в точке 2 (Рис. 4) достигнет величины достаточной для преодоления внешней нагрузки, то сильфонный поршень первого цилиндра начинает сжиматься, возникает тяговое усилие, которое через ползун - 9 передаётся на кривошипно - шатунный механизм. Происходит преобразование энергии теплового потока подводимого к рабочему телу первого цилиндра в механическую энергию на коленчатом валу. При сжатии сильфонного поршня состояние рабочего тела в первом цилиндре не меняется и определяется точкой 2 на Рис. 4. Сжатие сильфонного поршня - 3 приводит к тому, что масло из его внутренней полости выдавливается и по коллектору - 5 перетекает во внутреннюю полость сильфонного поршня - 4. Сильфонный поршень - 4 растягивается и выталкивает рабочее тело из полости второго рабочего цилиндра через коллектор - 6 в полость первого рабочего цилиндра, которая освобождается при сжатии сильфонного поршня - 3. Таким образом, рабочее тело в цилиндрах и масло внутри сильфонных поршней перетекая, постоянно находятся при постоянном объёме. Покажем, что доля подведенной к цилиндру тепловой энергии, пошедшей на перемещение масла из сильфонного поршня - 3 в сильфонный поршень - 4 и рабочего тела из полости цилиндра - 2 в полость цилиндра - 1, может быть очень малой в сравнении с тепловой энергией, превращённой в механическую энергию на коленчатом валу. Тепловой поток q подводимый к первому цилиндру за период сжатия его сильфонного поршня для конкретных температурных условий и размеров цилиндра величина постоянная. Эта величина равна работе производимой первым цилиндром при сжатии сильфонного поршня - 3.

. (5).

В (5): - тепловой поток, подведенный к первому цилиндру в процессе сжатия сильфонного поршня - 3; - перепад давлений между подогреваемым в первом цилиндре рабочим телом и маслом внутри сильфонного поршня - 3, находящимся при атмосферном давлении; - площадь поверхности сильфонного поршня (площадь гармошки); - длина, на которую сокращается при сжатии сильфонный поршень, обеспечивая тяговое усилие.

При заданной длине рабочего цилиндра площадь поверхности сильфонного поршня можно изменять в очень широких пределах, изменяя число гармошек сильфона. Из (5) видно, что если увеличивать площадь поверхности сильфонного поршня, то при постоянном тепловом потоке в рабочий цилиндр и постоянной работе сжатия сильфонного поршня будет уменьшаться перепад давлений между внешней и внутренней сторонами сильфона.

Работа, производимая при сжатии сильфонного поршня - 3, полученная из (5), затрачивается на производство механической энергии (полезной работы) на коленчатом валу и на работу проталкивания масла из сильфонного поршня - 3 в сильфонный поршень - 4 и рабочего тела из полости цилиндра - 2 в полость цилиндра - 1. Затратами энергии на перетекание масла пренебрегаем, так как давление масла в обоих сильфонных поршнях одинаково, а гидравлические потери при перетоке масла можно сделать сколь угодно малыми. Работу по перемещению рабочего тела (кипящей воды) из цилиндра - 2 в цилиндр -1 при сжатии сильфонного поршня - 3 и растяжении сильфонного поршня - 4 определяется из выражения:

(6).

В (6): - работа перемещения рабочего тела;

- перепад давлений между давлением подогретого рабочего тела в цилиндре - 1 и давлением теплоизолированного рабочего тела цилиндра - 2, находящемся при атмосферном давлении. Принимаем перепад давлений в (6) равным перепаду давлений в (5); - объём перемещаемого рабочего тела из цилиндра - 2 в цилиндр - 1. Эта величина постоянная. На самом деле в (6) меньше в (5). Давление в цилиндре - 1 за областью сильфона, куда перемещается жидкость из цилиндра - 2, меньше чем в зоне подогрева сильфона за счёт дросселирования при перетоке через зазор между областью сильфона и областью цилиндра без сильфона. К тому же в этом зазоре можно установить уплотнение.

Выше мы уже показали, что, увеличивая поверхность сильфона, можно значительно уменьшить перепад давлений в (5) и (6). Тем самым значительно снижается работа (6) по перемещению рабочего тела из цилиндра - 2 в цилиндр - 1. В принципе эту работу можно сделать сколь угодно малой. Таким образом, в предлагаемом тепловом двигателе почти вся подведенная тепловая энергия преобразуется в механическую энергию на валу машины. Та небольшая часть тепловой энергии, которая потрачена на перемещение рабочего тела, также не теряется, а остаётся в цикле.

По мере сжатия сильфонного поршня - 3 в цилиндре - 1 происходит прижатие скорлуп теплоизоляционного кожуха к поверхности цилиндра - 1. Происходит это последовательно снизу вверх, сначала скорлупы - 15 и так далее до - 22. Это необходимо для того, что бы подводить тепло и поднимать давление рабочего тела только в рабочей зоне цилиндра - 1, в зоне гармошки сильфона. Этим исключается подогрев рабочего тела и повышение его давления вне рабочей зоны, что в свою очередь не вызывает увеличение работы проталкивания. Последовательное прижатие скорлуп - 15 - 22 нужно производить даже с некоторым опережением сжатия сильфонного поршня - 3, что исключит постепенный перегрев рабочего тела от работы проталкивания и обеспечит полное преобразование энергии теплового потока в механическую энергию на валу машины.

Последовательное прижимание теплоизоляционных скорлуп к поверхности рабочего цилиндра можно обеспечить с помощью кинематической схемы, соединённой с коленчатым валом. В момент полного сжатия сильфонного поршня - 3, полного закрытия теплоизоляционным кожухом цилиндра - 1, при полном растяжении сильфонного поршня - 4 цилиндра - 2, полностью раскрывается теплоизоляционный кожух на цилиндре - 2. Начинается подвод тепла к рабочему телу цилиндра - 2, происходит сжатие сильфонного поршня - 4. Далее все процессы протекают в той же последовательности, что и описаны выше, но от цилиндра - 2 к цилиндру - 1. Цикл замкнулся.

Парных рабочих цилиндров в описываемом тепловом двигателе может быть сколь угодно в зависимости от требуемой мощности и прочих конструктивных условий. Попарно отключая рабочие цилиндры с помощью арматуры - 7 и теплоизоляционных кожухов, можно в широких пределах осуществлять грубую регулировку мощности теплового двигателя. Самой различной может быть и пространственная компоновка цилиндров.

На Рис. 5 изображён другой вариант принципиальной конструктивной схемы сильфонно поршневого двигателя.

Рис. 5

Рисунок имеет следующие цифровые позиции: 1 и 2 - рабочие цилиндры. Поперечное сечение рабочих цилиндров может иметь любую удобную форму (круг, прямоугольник); 3 и 4 - сильфонные поршни; 11 - коллектор, соединяющий воедино внутренние полости рабочих цилиндров; 10 - запорная арматура на трубопроводе, соединяющем внутренние полости рабочих цилиндров; 6 - сальниковые уплотнения в месте прохода через стенку цилиндра ползуна - 9, передающего тяговое усилие от сильфонного поршня на шатун кривошипно - шатунного механизма; 7 - сочленение между ползуном и шатуном; 8 - кривошипно шатунный механизм; 12 - съёмные теплоизоляционные кожуха рабочих цилиндров. Кожуха делятся на отдельные цилиндрические секции, состоящие из двух половинок, скорлуп, при сближении охватывающих цилиндр. 5 - шток, обеспечивающий взаимодействие сильфонных поршней 3 и 4. Особенностью данной конструкции является совмещение рабочих цилиндров по одной оси. Дополнительный шток - 5, обеспечивает механическое взаимодействие сильфонных поршней разных цилиндров. Это позволяет не заполнять, постоянное по объёму внутреннее пространство сильфонов, маслом, а соединить его с атмосферой, обеспечивая внутри сильфонов постоянное атмосферное давление.

В обоих вариантах конструкции теплоизоляционные кожуха на цилиндрах можно изготовить не в виде множества последовательно прижимаемых скорлуп, а в виде единого цилиндра, разделённого вдоль оси на две скорлупы. Такой теплоизоляционный кожух будет надвигаться на подогреваемый цилиндр по мере укорочения сильфонного поршня. Для обеспечения теплообмена кожух раздвигается и отводится от рабочего цилиндра.

Самым существенным для конструкции является то, что рабочее тело в цилиндрах, перетекая, постоянно находятся при постоянном объёме. Отметим этот принципиальный момент. Рабочее тело в процессе преобразования тепловой энергии в работу не изменяет своего объёма и, следовательно, исключается необходимость расширения атмосферы в процессе работы двигателя, исключается компенсация.

Этот двигатель позволяет снять противоречие между теоретической термодинамикой и экспериментальной биофизикой. Биофизиками, уже более полувека как установлены экспериментальные факты, совершенно не понятные и необъяснимые с позиций классической термодинамики. Так Хилл на основании экспериментальных данных получил КПД мышечной деятельности порядка 40%. Сегодняшние исследования мышечной деятельности черепахи дают КПД мышечной деятельности этого животного порядка 75-80%. При этом разность температур в мышечной клетке в процессах сокращения изменяется на доли градусов. Классическая термодинамика требует для этих условий перепады температур не совместимых с жизнью. КПД последней моды теплотехники, парогазовых установок, составляет 55-60%, при перепадах температур превышающих 1000 градусов. Современная термодинамика не способна объяснить это очевидное противоречие.

Противоречие легко устраняется, если исходить из выше изложенного. В мышечной клетке в качестве рабочего тела используется биологический раствор, состоящий на 90% из воды и являющийся не сжимаемой жидкостью, объём которой не меняется. В процессах преобразования тепла в работу мышечная клетка не производит расширения атмосферы, не производит работу против сил гравитации.

Природа в процессе биологической эволюции нашла более разумный способ преобразования тепла в работу. Человек же изначально, со времён древнегреческого инженера Герона Александрийского стал использовать процесс расширения, обрекая себя на не разрешимые проблемы.

В качестве рабочего тела в цилиндрах сильфонно поршневого двигателя возможно использовать агент, имеющий низкую температуру кипения при атмосферном давлении. Например: жидкий азот, жидкий радон, жидкий фторид бора и т.д. Имеется большое количество неорганических и органических веществ, отвечающих этим условиям. Это позволит иметь температурный перепад с низко потенциальными источниками тепловой энергии и использовать их как источник тепла. В этих условиях в качестве рабочего агента, заполняющего внутренние полости сильфонных поршней необходимо использовать вещества, имеющие жидкое состояние при температурах кипения рабочего тела.

Сегодня под вторым законом термодинамики объединяются два, совершенно различных физических явления: закон роста энтропии, являющийся следствием эффекта вырождения результирующего импульса, который приводит к диссипации потоков энергии и порождает внутренний относительный КПД и «компенсация за преобразование тепла в работу», являющаяся следствием работы проталкивания против сил гравитации и которая порождает термический КПД. Дополнительным аргументом в пользу сказанного служит тот факт, что компенсация существует даже в обратимых циклах, в которых отсутствует производство энтропии за счёт диссипации. Современная термодинамика не мыслима без учения Умова о потоках энергии и учения Пригожина о диссипативных структурах. В соответствии с этими учениями нужно говорить не о преобразовании тепла в работу в тепловых машинах, а о преобразовании потенциальной энергии неравновесных тепловых систем в кооперативные потоки кинетической энергии. А уж потоки кинетической энергии позволяют получать полезную для человека работу.

Ниже представлен перечень опубликованных работ автора по теории и конструктивным решениям тепловых машин принципиально нового поколения. Эти машины лишены технологических недостатков своих предшественников. Тупиковая ветвь развития современных тепловых машин связана с непониманием природы «компенсации за преобразование тепла в работу». Вскрытие природы технологических недостатков современных тепловых машин показало, что «компенсация за преобразование тепла в работу» в её 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.

Литература

1. Патент на изобретение №2131156 Термоэлектрический преобразователь. Бюл. №15 от 27.05.1999 г.

2. Патент на изобретение №2154181 Газотурбинная установка. Бюл. №22 от 10.08.2000 г.

3. Патент на изобретение №2184255 Газотурбинная установка. Бюл. №18 от 27.06.2002 г.

4. Патент на полезную модель RU №68067 Тепловой двигатель (варианты). Бюл. №31 от 10.11.2007 г.

5. Динамика эволюции неравновесных диссипативных сред. - г. Оренбург, ИПК «Оренбурггазпромпечать», 2001 г. - 144 стр.

6. Природа компенсации за преобразование тепла в работу. // Доклады 4 Российской научной конференции «Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах», Балаково, 2001 г. - с. 34-42. http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/4287.html

7. Тонкоплёночная термопарная поверхность - термоэлектрический преобразователь нового поколения. http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/4372.html

8. Косарев А.В. Доказательство и механизм реализации второго закона термодинамики. http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/4852.html

9. Закон роста энтропии как следствие эффекта вырождения результирующего импульса и двойная природа второго закона термодинамики. // Вестник Оренбургского гос. университета. - 2003, №7. - с. 177-181. http://vestnik.osu.ru/2003_7/39.pdf

10. Пределы формулы Карно при оценке термодинамической эффективности циклов тепловых машин. // Доклады 7 Российской научной конференции «Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах», Балаково, 2004 г. - с. 45 - 51.

11. Тепловой расчёт регенеративного цикла Ленуара. // Доклады 7 Российской научной конференции «Векторная энергетика в технических, биологических и социальных системах», Балаково, 2004 г. - с. 52-63.

12. Условие применения цикла Карно в качестве мерила эффективности преобразования тепла в работу. http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/8074.html

13. Конвейерные регенераторы - шаг к новому качеству теплоэнергетики. http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/8004.html

14. Теоретические основы энергоинверсионных циклов. http://www.invur.ru/index.php? page=proj&cat=neob&doc=teor_osnov2

15. Вечный двигатель второго рода как следствие двойственной природы второго закона термодинамики. www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/8724.html

Размещено на Allbest.ru