Тепловая циркуляция рабочего тела с низкотемпературным перепадом

Основу существующей теплоэнергетики составляют высокотемпературные источники тепла (уголь, нефть, природный газ и т. д.).
Альтернативой высокотемпературной энергетике реально является гидроэнергетика, энергия ветра, волн, приливов и солнца, но пока нет тепловых двигателей использующих тепло низкотемпературных источников.
Ветры, ураганы, смерчи, морские и океанские течения, перенос влаги облаками и т.д., как метеорологические явления, – результат вечной циркуляции (тепловой конвекции) воздуха и воды.Эта циркуляция происходит в условиях поля земного тяготения при сравнительно небольшой разности температур между нагретыми и холодными объёмами воздуха или воды.
Образно говоря, метеорологические двигатели на земле работают на тепле с низкотемпературным перепадом, а источником этого тепла является солнце и тепло земных недр. При конвекции силы объёмного расширения воздуха и воды легко преодолевают силу земного тяготения. Если бы земное тяготение было в несколько раз больше существующего, то и метеорологические явления были бы намного мощнее.
Суть нашего альтернативного способа получения электроэнергии заключается в создании с помощью неподвижного теплообменника(см. рис.1) тепловой циркуляции рабочего тела с низкотемпературным перепадом в условиях искусственного поля тяготения намного превышающего земное. В качестве рабочего тела мы выбрали сжиженный углекислый газ.
Способ запатентован (патент Украины № 67697) .

Рис. 1.​

​

1 – неподвижный теплообменник;
2 – вращающийся барабан;
3 – лопасти барабана;
4 – проточная камера;
5 – вал барабана;
Fх иFн – центробежные силы, действующие соответственно на холодные и нагретые объёмы рабочего тела;
w - угловая скорость барабана;

Работа теплообменника​

Теплоноситель подводится к верхней части неподвижного теплообменника 1 по проточной камере 4. В теплообменнике 1 вращающийся барабан 2 с лопастями 3заставляет вращаться рабочее тело в зазоре между стенками теплообменника 1 и ротора 2 сугловой скоростьюw.При вращении на объемы рабочих тел в радиальныхучастках зазора будут действовать центробежные силы Fх и Fн.
Поскольку в нижние радиальные участки зазора теплообменника 1поступает холодное рабочее тело с более высокой плотностьюпо сравнению с плотностью в верхних, нагреваемых участках, то центробежные силы Fх будут больше Fн. Под действием разности центробежных сил (∆F = Fх – Fн) нагретое рабочее тело под давлением будет выжиматься из теплообменника 1.
А так как вращающийся поток является симметричным и равноудаленным от оси вращения, а сечения входного и выходного каналов теплообменника 1 одинаковые, то работа барабана 2 в режиме центробежного насоса по законам механики исключена(масса жидкости, идущей от центра вращения равна массе приходящейк центру вращения). Разность центробежных сил ∆F – результат теплового расширения рабочего тела при его нагревании. Моменты от сил Кориолиса в радиальных каналах уравновешивают друг друга.
С точки зрения механики барабан 2 совместно с рабочим теломпредставляет собой маховик, вращающийся с постоянной угловой скоростью. В этомслучае энергия привода барабана будет расходоваться только на преодоление сил трения рабочего тела о стенки теплообменника и в подшипниках вала 5 барабана 2 (на рисунке подшипники непоказаны).

Общее устройство установки.
На рис.2 изображён один из вариантов компоновки установки с описанным выше узлом теплообменника и с учётом того, что углекислота в жидком состоянии может находиться только под давлением до 75 атм.

Рис.2.​

​

1 – неподвижный теплообменник;
2 – барабан;
3 – лопасти барабана;
4 – проточная камера теплоносителя;
5 – вал барабана;
6 – герметичный контур;
7 – вал генератора;
8 – радиатор;
9 – проточная камера охладителя;
10 и 11 – расширители;
12 – гидромотор;
13 – электродвигатель;
14 – электрогенератор;
15 – уплотнители электропроводов;

По этой причине узел теплообменника соединён с замкнутым герметичным контуром 6, в который входят два расширителя 10, 11 и радиатор 8. Внутри контура 6 установлен гидромотор 12.
Подача теплоносителя к теплообменнику 1 и охладителя к радиатору 8 осуществляется соответственно через проточные камеры 4 и 9.
В расширителе 10, кроме газа под давлением, помещён электродвигатель 13, соединённый с валом 5 барабана 2, а в расширителе 11 – электрогенератор 14, соединённый с валом 7 гидромотора 12.
Подвод тока к электродвигателю 13 и отвод тока в сеть от электрогенератора 14 производится проводами, проходящими через уплотнители 15 в стенках расширителей 10 и 11.
Предложенная компоновка установки с двумя расширителями 10 и 11 обеспечивает не только надежность герметизации углекислоты в контуре 6, но так же исключает её контакт с подшипниковыми узлами валов 5 и 7, не препятствуя осуществлению замкнутых термодинамических циклов (циркуляции) рабочего тела.

Работа установки
Электродвигателем 13 раскручивается барабан 2 в теплообменнике 1, к которому через проточную камеру 4 подводится теплоноситель.
На выходе из теплообменника, как было доказано выше, давление нагретого рабочего тела будет больше чем холодного на входе, эта разность давлений в десятки атмосфер и вызывает циркуляцию рабочего тела в контуре 6.
Перед гидромотором 12 давление углекислоты будет равняться Р атм., а после – Р1 атм. Так как Р> Р1 , то гидромотор 12 начнёт вращать посредством вала 7 электрогенератор 14 с угловой скоростью w1 .
После гидромотора 12 рабочее тело направляется в радиатор 8 для охлаждения охладителем, движущимся по проточной камере 9. После радиатора 8 охлаждённое рабочее тело снова поступает в теплообменник 1, совершая тем самым замкнутый термодинамический цикл. Всё происходит так, как и требуется по второму закону термодинамики.
Габаритные размеры и вес установки в сотни раз меньше по сравнению с ветровыми.
Возможны и другие схемы компоновки установки.

Почему в качестве рабочего тела выбран сжиженный СО2?​

Как известно, величина центробежной силы зависит не только от квадрата угловой скорости и радиуса, но и от массы тела, а, значит, и от его плотности.

Рис. 3​

Сжиженный СО2 обладает свойством резкого изменения плотности при перепадах
температур в пределах существующих в естественных земных условиях (см. график зависимости плотности жидкого СО2 от температуры на рис. 3).
Чем больше разность плотностей рабочего тела в радиальных каналах теплообменника, тем меньше требуется угловая скорость вращения барабана для получения требуемого давления рабочего тела на выходе из теплообменника.
В этом случае будет и меньше давление на стенки теплообменника, если учитывать тот факт, что углекислота в контуре сама по себе должна находиться под давлением до 75 атмосфер, а сам теплообменник должен изготавливаться из сплавов с высокой теплопроводностью. Такими сплавами являются сплавы на основе Сuили Al, имеющие меньшую прочность, чем стали. Кроме этого, для нагревания углекислоты требуется меньше тепла, так как её удельная теплоёмкость С = 2, 7 кДж/кг*град, для сравнения: теплоемкость воды С = 4,187 кДж/кг*град. Углекислота пожаробезопасная, неядовитая и дешёвая.
С помощью графика (см. рис. 3) легко подсчитать, что нагрев жидкого СО2 от 0°С до 30°С приводит к уменьшению его плотности на 16,5%.
При таком же нагреве уменьшатся плотности следующих веществ:
– воздуха на 6,8%;
– воды на 0,29% (!);
– диэтилового эфира на 3,15%.
А если нагревать жидкий СО2 от 21°С до 31°С (разность всего в 10 °С), то его плотность уменьшится на 38,6%.
Углекислый газ в сжиженном состоянии может находится в интервале температур от -50°С до 31°С при давлении соответственно от 20 до 75 атм. (см. рис.4).

Рис. 4
В естественных условиях, от полюсов и до экватора, круглогодично можно найти разность температур от нескольких единиц градусов до нескольких десятков в указанном выше интервале температур.
Рассмотрим примеры.
В зимний период теплоноситель – подледная вода с температурой + 4°С, а охладитель – воздух с температурой ниже 0°С. Например, при температуре воздуха
– 6°С плотность жидкого СО2 равна 1000 г/л, а при температуре +4°С – 900 г/л (см. рис. 3). Разница плотностей очевидна.
В теплый период,в дневное время, теплоноситель – воздух, а охладитель – вода из рек и водоемов.В ночное время охладитель – воздух, а теплоноситель – нагретая днём в бассейне под плёнкой (тепличный эффект) вода.
В тёплое время для интервала температур от 0°С до 31°С соответствуют плотности жидкого С02 от 929 г/л до 468 г/л (см. рис. 3).Примеры этим не ограничиваются.
Круглогодично можно использовать бросовое тепло, например, конденсат ТЭЦ, продукты горения природного газа в газотурбинных установках и т. д.
Наша установка может работать и под капотом автомобилей с двигателями внутреннего сгорания, используя тепло выхлопных газов.
Наиболее эффективной, с наибольшим КПД, будет работа теплообменника в интервале температур от 21°С до 31°С, участки ІІ и ІІІ (см. рис. 3).
Особый интерес представляет собой участок ІІI(интервал температур от 30 °С до 31°С). Это участок резкого падения плотности рядом с критической точкой (31°С), за которой углекислота находится в закритическом флюиде (рис. 4). При нагреве углекислоты от 30 °С до 31 °С, т. е. при разности температур всего в 1°С(!), плотность её падает от 600 г/л до 468 г/л (см. рис. 3)
Если с помощью автоматики поддерживать разность температур в 1°С , в нижней части теплообменника 30 °С, а в верхней – 31°С, то при угловой скорости барабана в 300 рад/сек и радиусе теплообменника 0,5м, как показывают расчёты, КПД достигает 50%. Не все тепловые двигатели на высокотемпературных источниках тепла имеют такой КПД, тем более, на существующих установках альтернативных источников энергии, типа ветродвигателей, гидротурбин и т. д.
Добавим, что чем больше доля электроэнергии, получаемая альтернативными источниками, тем меньше выбросов углекислого газа в атмосферу. В нашем случае уменьшение выбросов углекислого газа происходит с помощью... углекислого же газа, только сжиженного.

​

 

И чем оно отличается от обычного Т.Н. с обычным компрессором?

 

Вы ищите инвестора который будет вас кормить?

 

Т.Н. с предложенным устройством не имеет ничего общего ни по назначению, ни по конструкции.

Т.Н. предназначен для переноса тепловой энергии от источника низкопотенциальной тепловой энергии (с низкой температурой) к потребителю (теплоносителю) с более высокой температурой.

Предложенное устройство предназначено для преобразования низкопотенциальной тепловой энергии в электрическую. Кроме этого, в устройстве нет ни конденсатора, ни испарителя, ни компрессора, а рабочим телом является жидкая углекислота (в Т. Н. в качестве хладагента жидкая углекислота не применяется). Здесь разные термодинамические циклы.

Общим является использование низкопотенциальной тепловой энергии, но наше устройство может работать и с источниками высокопотенциальной тепловой энергии.

 

Разность векторов можно определить, зная конкретно размеры каналов теплообменника, т. е., зная объёмы рабочих тел (объёмы жидкой углекислоты). Это можно сделать в том случае, если проектировать установку конкретной мощности.

Определять эффективность существующих тепловых машины (к.п.д.) удобно, зная разность температур рабочих тел в начале термодинамического цикла и в конце. В нашем случае это легко определяется по графику зависимости плотности углекислоты от температуры.

Кроме того, для определения полезной работы необходимо знать ещё и разность давлений в каналах.

Разность давлений:

Dр = р1 – p2 =(r1-r2 )*ω2*r2/2[Па] = 10-5 (r1- r2 )*ω2*r2/2 атм (1).

Где:

- r - радиус барабана, м ;

- ω - угловая скорость вращения барабана, сек-1;

-r1 – плотность охлаждённой углекислоты, кг/м3 ;

- r2 – плотность нагретой углекислоты, кг/м3 ;

r1 и r2выбираются по графику, как и температуры рабочих тел.

Задавая различные значения указанных выше параметров, Вы сами убедитесь, какая может быть разность давлений.

 

Не все такие.

Конкретный пример расчёта η установки при работе зимой
(наихудшие условия работы)
У низкотемпературных источников и низкая энтальпия, особенно проблематично это для зимнего периода. В зимний период в естественных условиях единственным источником тепла является подлёдная вода.
Исходные данные:
- радиус барабана r = 0,4 м ;
- угловая скорость вращения барабанаω = 600 сек-1;
- теплоноситель – подлёдная вода (t = +4°C);
-охладитель - воздух с t = – 6°С, такую же температуру имеет и углекислота на входе в теплообменник, плотность её при этой температуре r1 = 1000 кг/м3 (см. рис. 3).
Режим работы теплообменника:
– нагрев углекислоты подлёдной водой от t = – 6°С до 0°С,
– плотность углекислоты при 0°С r2 = 929 кг/м3(см. рис. 3).
Подставив указанные значения в формулу (1) получимDр = 2044800 Па » 20,5 атм. Определяем η установки.
Давление в 20,5 атм эквивалентно столбу воды (напору) Н = 205 м, значит, теплообменник способен поднять 1кг углекислоты на высоту 205 м, т. е. совершить работу равную 2011 Дж, примерно 2 кДж (полезная работа).
Для нагрева 1кг углекислоты от –6°С до 0°С необходимо затратить 10,8 кДж теплоты. Сопоставляем полезную работу с затраченным теплом, получаем η = 18,5%. Учитывая все потери, уменьшаем η до 7%, чтосопоставимо с η ветровых установок. При такой же разности температур (работа установки в летнее время ) на ІІ участкеη установки будет больше (см. ІІ участок графика на рис. 3).
Используя бросовое тепло, например, тепло отработанного пара тепловых электростанций (источник с высоким теплосодержанием) η предложенной установки будет сравним с η ДВС.

Мы свои идеи патентуем только в том случае, если они подтверждаются расчетами, или проверенными «в металле».