Тепловой двигатель для разницы в 2-6 град. при КПД 90-100%

Тепловой двигатель для разницы в 2-6 градусов при КПД 90-100%

Предлагается для обсуждения конструктивное решение теплового двигателя работающего на минимальной разнице перепада температур. Отличительная особенность - высокий КПД теплового двигателя, не достижимый в других типах тепловых двигателей (информация в открытых источниках не выявлена).

Ожидаемые параметры:
- разница температур (для номинальной мощности) 2-6 градусов
- оптимальные рабочие температуры среды теплоносителей - от -20 до +40 Цельсия
- возможность использования для работы двигателя низкопотенциальных тепловых источников
- достижимый КПД устройства 90-100%
- ожидаемая удельная мощность 1-5 кВт на 1 кг конструкции

Предпосылки.
Отправной точкой для развития идеи послужил "Фонтан Кулибина" ("кольцар Лазарева" <a class="postlink" href="http://erg.h17.ru/pub/info/oparin/oparin.htm" onclick="window.open(this.href);return false;">http://erg.h17.ru/pub/info/oparin/oparin.htm</a> ). Краткое описание кольцара Лазарева (рисунок "Кольцар"):

герметичная емкость (3) разделенная пористой перегородкой (2) на две части, в верхний и нижний объем емкости налита жидкость (1), две образованные полости соединены тонкой трубкой (4), которая нижней частью опущена в нижний объем жидкости, второй нависает над верхним мениском жидкости. Разница давлений в 2-х полостях кольцара следует из разницы давлений пара над ровной нижней поверхностью жидкости (конденсация) и над искривленными выпуклыми менисками в порах перегородки (испарение). Разница давлений приводит к постоянной "капели" из верхнего конца трубочки. Принцип работы устройств подобных кольцару более подробно рассмотрен у профессора Вейника в его книге "Термодинамика реальных процессов", глава "Нарушение теории фазовых превращений Томсона-Кельвина" ( http://www.allbeton.ru/bibliotek/термодинамика реальных процессов (вейник).doc ). Кольцар Лазарева противоречит 2-му началу термодинамики, для работы не требует перепада температур, работает за счет теплоты окружающей среды, в процессе работы самопроизвольно создает разницу температур в рабочем объеме. К сожалению мощность кольцара минимальна (по описаниям исполнивших кольцар Лазарева для объема устройства примерно в 0,5 литра - перегоняет несколько капель воды в 1-2 минуты, пример: <a class="postlink" href="http://x-faq.ru/index.php?topic=304.0" onclick="window.open(this.href);return false;">http://x-faq.ru/index.php?topic=304.0</a> ).

Рассмотренные возможные варианты снятия полезной мощности для кольцара: вращение лопастного колеса от падающих капель, использование пьезо-преобразователя для падающих капель (в инете есть разумная лабораторная идея преобразования энергии капель дождя, при этом можно получить до 10 мВт в импульсе с одной крупной капли), вращение турбины от паров жидкости, совмещение кольцара и капельницы Кельвина (капельница Кельвина <a class="postlink" href="http://watta.ru/opyityi/elektrichestvo-iz-vodyi-kapelnyiy-generator-kelvina.html" onclick="window.open(this.href);return false;">http://watta.ru/opyityi/elektrichestvo- ... lvina.html</a> ) и т.д. Даже при оптимизации конструктива, энергии скорее всего хватит лишь для запитывания небольших сувениров (как коммерческое устройство). Так N-ое время назад была предпринята неудачная попытка создания макета устройства на разнице давлений насыщенного водяного пара при комнатной температуре (при малом атмосферном давлении) и сконденсированного этого же пара (температура конденсации меньше на 5-10 градусов от первоначальной температуры пара). Разница давлений оказалась слишком мала (определяется энтальпией водяного пара для заданных температур), во что теоретически должны упираться испарительные устройства Гравио (но устройства сами по себе изящны и красивы по задумке) или аналогичные. Промышленно используемые решения на низкотемпературном паре стартуют от 70 Цельсия (пример геотермальная ГЭС "ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СЮРПРИЗ АЛЯСКИ: ТОК ИЗ-ПОД ЗЕМЛИ" <a class="postlink" href="http://www.popmech.ru/article/3023-energeticheskiy-syurpriz-alyaski/" onclick="window.open(this.href);return false;">http://www.popmech.ru/article/3023-ener ... z-alyaski/</a> ). В ТЭЦ обычного типа также могут быть низкотемпературные участки.

Возможный путь для развития устройств на принципе кольцара - переход от упругого пара к не сжимаемой рабочей жидкости (смена фазовых состояний), при этом снимаемую мощность можно значительно увеличить. В одном из форумов промелькнула идея, что кольцар можно использовать для очистки загрязненной воды (загрязненную воду наливать в верхнюю полость, в нижней получать дистиллированную воду). Идея была развита для случая, если вместо загрязненной воды использовать солевой раствор рабочей жидкости.

Первичная концепция.
Суть - подвергать испарению насыщенный солевой водяной раствор (при низком атмосферном давлении для уменьшения температуры испарения), водяной пар конденсировать, сконденсированную дистиллированную воду подавать на одну из сторон осмотической мембраны, ко второй стороне которой подведен насыщенный солевой раствор. При низком атмосферном давлении жидкость может кипеть и испаряться при комнатной температуре (пример ролик "Кипение воды под куполом насоса" <a class="postlink" href="http://www.youtube.com/watch?v=eNego6C23PE" onclick="window.open(this.href);return false;">http://www.youtube.com/watch?v=eNego6C23PE</a> ). В процессе работы в камере испарителя солевой раствор будет повышать свою концентрацию, а в осмотической мембране он будет разбавляться, для выравнивания этого необходимо периодически производить перемешивание концентрата в системе. Осмотический напор можно использовать в полезных целях (рисунок "Концепция").

Создаваемое осмотическое давление может достигать сотен атмосфер. Пример масштабного использования осмотического давления - осмотическая электростанция (<a class="postlink" href="http://energosber.info/articles/technologies-sub/67508/" onclick="window.open(this.href);return false;">http://energosber.info/articles/technologies-sub/67508/</a> ).

Данное решение теплового двигателя по существу является разновидностью тепловой трубы (различные варианты тепловых труб: <a class="postlink" href="http://www.trizminsk.org/e/21102100.htm" onclick="window.open(this.href);return false;">http://www.trizminsk.org/e/21102100.htm</a> ), где в цепь возврата жидкости (конденсата) включено дополнительное устройство с осмотической мембраной. Первичное низкое давление в камере испарения/конденсации создается перед началом работы за счет откачки воздуха. В процессе работы сконденсированная вода не будет иметь возможность повторно испаряться (т.к. будет охлаждена), а будет всасываться через осмотическую мембрану (самоподдерживание вакуума). Глубину вакуума в испарителе можно регулировать через регулировку объема поступающей в испаритель жидкости.
При первичном приближении - нагревание испаряющегося концентрата производится теплом воздуха (лето) = 20 Цельсия (из справочных данных температура кипения воды при 17,2 Цельсия наступает при 2 кПа) или воды нагретой солнцем, охлаждение производится водой из скважины = 5 Цельсия или из открытого водного источника. Разница температуры в 15 градусов за глаза хватит для устойчивой конденсации водяного пара (в промышленных конденсаторах водяного пара для расчетов берут разницу в 6 градусов, для некоторых конструктивов тепловых труб разница между охлаждаемым и нагреваемым концом составляет 2 градуса). При смене рабочей жидкости устройство так же будет работоспособно - для плюс 5 Цельсия на испарителе (вода из скважины или сточные воды в городком коллекторе) и минус 10 Цельсия (воздух зимой) на конденсаторе. Наиболее оптимально использовать теплоноситель охлаждение/нагрев: вода-вода.
Примерный расчет основных показателей для данной реализации. Предположим концентрированный водяной рассол содержит 10 г/л поваренной соли (температура испарения и конденсации не на много отличается от дистиллированной воды). При температуре 293 Кельвина осмотическое расчетное давление будет равно 840 кПа. Работа при продавливании жидкости равна произведению давления на объем прокаченной жидкости. Предположим в устройстве удается перекачать (испарять) 1 литр воды (0,001 м.куб) в секунду, при начальном давлении 840 кПа и конечном 2 кПа, работа за секунду составит 837 Дж (или 837 Вт).
Казалось бы не плохо. Но не все так хорошо с точки зрения подводимой мощности и КПД. На испарение 1 л воды потребуется 2,2 МДж, КПД устройства (отношение полезной энергии к подводимой) при этом составит 0,04%. С одной стороны в общем это то не важно, т.к. утилизируемая энергия является возобновляемой и буквально в достатке "разлита" в природе. Но 2,2 МДж в секунду - это огромные тепловые потоки в системе, обязательно требующие мощнейших радиаторов для подвода и отвода теплоты (будет очень низкая удельная мощность на единицу веса, плюс высокие затраты на построение). Если взять насыщенный раствор поваренной соли (примерно 300г/л, для этой концентрации температуры испарения сместится вверх, температуру конденсации требуется уменьшать), то осмотическое давление составит 25 МПа, подводимая энергия в секунду примерно не изменится - 2,2 МДж, полезная мощность составит 25 кВт на 1 литр испаряемой жидкости, КПД 1,1%. Уже лучше, но 25 МПа это примерно 250 атм (а-ля минимойка Керхер), что так же усложнит техническое решение устройства (требуется грамотный конструкторский подход).


Возможные технические решения.

1 вариант (максимальный КПД).
Один из путей увеличения КПД - использование сверхкритического состояния жидкости, как рабочего тела. Сверхкритическая жидкость (сверхкритический флюид) - состояние вещества, при котором исчезает различие между жидкой и газовой фазой. Для перехода в сверхкритическое состояние требуемые условия - превышение определенного уровня температуры и давления, зависящих от вещества. У данного состояния очень много удивительных свойств, в данном случае применимо уменьшение теплоты парообразования при приближении к сверхкритической точке (пример для углекислоты сверхкритическое состояние наступает при 31,4 Цельсия и давлении 74,96 атм и теплота парообразования становится равной нулю - таблица 1.3 по ссылке <a class="postlink" href="http://krkgi.ru/glav/co2tech/index.htm" onclick="window.open(this.href);return false;">http://krkgi.ru/glav/co2tech/index.htm</a> ). Для разных веществ есть экспериментальные данные по наступлению сверхкритического состояния, например для ксенона оно наступает при 16,5 Цельсия и 58,4 атм, для этилена при 9,4 Цельсия и 49,7 атм http://ru.wikipedia.org/wiki/Сверхкритический_флюид . Сводная таблица для хладонов (фреонов) <a class="postlink" href="http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/5025.html" onclick="window.open(this.href);return false;">http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/5025.html</a> . При уменьшении теплоты парообразования, общий КПД устройства вырастает и он будет определяться в основном механическими потерями, при этом теоретически достижимо значение 100%. Техническое решение для этапа макетирования - устройство целиком помещается в общий герметичный корпус, внутри которого создаются требуемое давление, подвод/отвод теплоты наиболее целесообразно осуществлять через тепловые трубы.

Не решено (требуются эксперименты с высоким рабочим давлением):
- выбор рабочей жидкости (в сверхкритическом состоянии многие вещества становятся сверхрастворителями, например <a class="postlink" href="http://www.chem.msu.su/rus/journals/chemlife/2000/krit.html" onclick="window.open(this.href);return false;">http://www.chem.msu.su/rus/journals/che ... /krit.html</a> ),
- выбор растворимого вещества для рабочей жидкости.
Не до конца с точки зрения теории проработано - что эффективней (с учетом сложности конструкции): жидкость в предкритическом состоянии или сверхкритическая жидкость.

2 вариант (легче реализовать).
Промежуточный вариант - рекуперация тепла внутри системы.
Исходные аналоги-прототипы:
- опреснение воды методом флеш-дистилляции <a class="postlink" href="http://www.o8ode.ru/article/planetwa/oprecnenie/oprecnenie_vody.htm" onclick="window.open(this.href);return false;">http://www.o8ode.ru/article/planetwa/op ... e_vody.htm</a>
- "Процессы выпаривания и кипячения" <a class="postlink" href="http://www.teplonasosu.ru/" onclick="window.open(this.href);return false;">http://www.teplonasosu.ru/</a>
- "Выпарные установки с тепловым насосом" <a class="postlink" href="http://along-drive.narod.ru/process/evapor/teplonasos.html" onclick="window.open(this.href);return false;">http://along-drive.narod.ru/process/eva ... nasos.html</a>
- дистилляция термокомпрессионная <a class="postlink" href="http://ru.wikipedia.org/wiki/%C4%E8%F1%F2%E8%EB%EB%FF%F6%E8%FF_%F2%E5%F0%EC%EE%EA%EE%EC%EF%F0%E5%F1%F1%E8%EE%ED%ED%E0%FF" onclick="window.open(this.href);return false;">http://ru.wikipedia.org/wiki/%C4%E8%F1% ... D%ED%E0%FF</a>
- "Устройство и способ перегонки и очистки жидкости" патент RU94045274 (текст в приложении к сообщению)

После попыток оптимизации протекающих процессов получается примерная конструкция, приведенная на рисунке "Возможный вариант реализации воздух-вода".


Схема работы.

Первоначально все вентили закрыты, в Накопительную емкость-1 наливается рассол (концентрат с температурой воздуха 25 Цельсия = раствор поваренной соли 10г/л). В рабочем объеме создается вакуум с постоянной откачкой воздуха (менее 2 кПа). Открывается Вентиль-2, Вентиль-3 и Вентиль-4, концентрат под разностью давлений втягивается в рабочий объем мембраны и далее до распылительной форсунки, где распыляется в вакуум (в идеале распыляемся жидкость имеет температуру охлаждающей жидкости). Капли распыленной жидкости в вакууме испаряются, не испарившиеся попадают на Радиатор-испаритель и в итоге испаряются (полное испарение жидкости недопустимо). Радиатор-испаритель забирает тепло из окружающего воздуха (должна быть мощная поверхность оребрения, физический принцип показан в ролике "Замерзание кипящей воды" <a class="postlink" href="http://www.youtube.com/watch?v=8KnJNBgKOyU" onclick="window.open(this.href);return false;">http://www.youtube.com/watch?v=8KnJNBgKOyU</a> ). При начале испарения распыляемой жидкости из форсунки, откачка воздуха прекращается, Вентиль-2 перекрывается, Вентиль-1 открывается, полученный более сильный концентрат на Радиаторе-испарителе самотеком сливается в Накопительную емкость-1. Водяные пары в Рабочем объеме с вакуумом в пределе имеют температуру Радиатора-испарителя (25 Цельсия), они конденсируются на Теплообменнике-конденсаторе (его температура будет равна температуре охлаждающей жидкости). При конденсации будет выделяться теплота парообразования, которая передастся Теплообменнику-конденсатору и соответственно распыляемой жидкости (рекуперация теплоты). Сконденсированная жидкость (дистиллят) самотеком стекает в Накопительную емкость-2 и поступает на осмотическую мембрану. При диффузии через мембрану от дистиллята к концентрату создается осмотическое давление, которое вращает турбину. Цикл замыкается. При работе устройства - на стороне концентрата, концентрация раствора будет понижаться, для выравнивания необходимо периодически производить остановку устройства и перемешивать раствор (для выравнивания давления и регулировки работы устройства - вспомогательные Вентили 3 и 4).
В качестве осмотической мембраны наиболее оптимально взять промышленно выпускаемую обратноосмотическую мембрану для бытовых фильтров (пример устройства обратно - осмотической мембраны <a class="postlink" href="http://www.myvodichka.ru/index011%20membrana.html" onclick="window.open(this.href);return false;">http://www.myvodichka.ru/index011%20membrana.html</a> ). Обратно -осмотическая мембрана обратима и может использоваться как осмотическая. Отличительная особенность обратно - осмотических бытовых фильтров на мембранах от других фильтров, например механических или на абсорбентах (угольных и т.д.): 1 вход, 2 выхода (1 для слива в дренаж). Для макетирования наиболее удобен разборный корпус для мембраны например Raifil H-35SW ( <a class="postlink" href="http://es-market.ru/?mode=product&product_id=251410801" onclick="window.open(this.href);return false;">http://es-market.ru/?mode=product&product_id=251410801</a> ), теоретически он совместим с мембранами типоразмера 1812 (огромное количество производителей).


Возможные практические реализации.
На бытовом уровне для изготовления конструкции в качестве исходных материалов наиболее подходят бытовые "водопроводные решения". Но при этом ожидается ряд ограничений. Так при концентрации соли 10г/л, осмотическое давление составит 840 кПа, что будет являться пределом для многих бытовых обратноосмотических фильтров. При этом потенциально с литра испаренной жидкости можно получить 837 Дж, потери на охлаждение при этом для воды грубо составят 4 кДж/кг*К помноженные на 6 градусов = 24 кДж, КПД = 3,5%. Дополнительно мощность устройства будет ограничиваться пропускной способностью мембраны (для бытовых мембран начального уровня пропускная способность примерно составляет 200 л/сутки при примерной стоимости 1000 руб.). Отдельный вопрос - объем испарения жидкости в секунду (влияет на мощность). Теоретическое ограничение свободного испарения воды в вакууме при 20 Цельсия составляет 1,8 кг/м.кв.*с ("задача №2" <a class="postlink" href="http://www.distedu.ru/mirror/_math/virlib.eunnet.net/mif/text/n0299/7-3.html#r2" onclick="window.open(this.href);return false;">http://www.distedu.ru/mirror/_math/virl ... -3.html#r2</a> ). Что бы испарить 1 литр воды в секунду - надо очень постараться (скорость испарения повлияет на массу устройства в целом).
При переходе к альтернативным растворителям, можно ожидать увеличение итогового КПД (снижение массы устройства), например хлороформ (трихлорметан = хлорацетон = хладон-20), имеет теплоемкость близкую к 1 кДж/кг*К, температуру кипения при атмосферном давлении 61 Цельсия. Хлороформ относится к прекурсорам (вещество, которое можно использовать в производстве наркотических средств), так же при неосторожном обращении может нанести вред здоровью (в инете встречались простые схемы синтеза). Для хлороформа в качестве растворимого вещества можно использовать многие медицинские препараты, например Димексид (диметилсульфоксид http://wmda.mobi/ru/Диметилсульфоксид ), смешивается в любых соотношениях с хлороформом, температура плавления 18,5 Цельсия, температура кипения 189 Цельсия. Путем подбора мембран можно увеличить рабочее давление, при этом необходимо учитывать, что увеличении давления сверх рабочего - происходит не восстанавливаемое ухудшение качества мембраны. Для отечественного производителя мембран "Владипор" например <a class="postlink" href="http://www.vladipor.ru/catalog/show/&cid=006&id=1" onclick="window.open(this.href);return false;">http://www.vladipor.ru/catalog/show/&cid=006&id=1</a> заявляемое рабочее давление 5 МПа. В инете так же встречается заявляемое рабочее давление в пределах 150 атм (15 МПа) для промышленных опреснительных установок морской воды (высокие давления требуют грамотного конструкторского подхода).
При растворении 280 г димексида в литре хлороформа (создаваемое давление в 5 МПа, изотонический к-т принят =1), и разнице температур между холодильником и нагревателем в 6 градусов, достижим КПД в 37%. Для давления 15 МПа (димексид - 850 г/л, необходимо учитывать смещение температурных точек испарения и конденсации), и разнице температур в 2 градуса, достижим КПД 91%, при этом можно получить до 15 кДж энергии с 1 литра испаряемого-прокачиваемого хлороформа. При этом абсолютная мощность установки (Дж/сек) в основном будет определяться связкой: подводимая и рекуперируемая мощность (радиаторы) - объем испаряемого вещества (площадь мембраны).

Для примерного практического расчета параметров устройства - можно применить основные положения из курсовой работы "Расчет установки для выпаривания водного раствора Са(NO3)2" <a class="postlink" href="http://referatwork.ru/refs/source/ref-18743.html" onclick="window.open(this.href);return false;">http://referatwork.ru/refs/source/ref-18743.html</a>

Не до конца с точки зрения теории проработано (требуется практическое подтверждение):
- подтверждение практикой всех ожидаемых физических процессов в системе
- совместимость растворителя и материала мембраны
- правильность выбора растворителя и растворимого вещества (параметры, доступность, цена), их поведения при высоких давлениях
- фактический подбор мембраны (параметры, доступность, цена) и её способностью пропускать (фильтровать) выбранный растворитель
- не решен вопрос с отъемом мощности - турбиной (напрашивается турбина Пелтона дающая максимальный кпд для малых прокачиваемых объемов и высоком давлении, как вариант - турбина Тесла)
- нет хорошего решения для простого перемешивания раствора на стороне концентрата (при разбавлении дистиллятом)
- не сделан расчет радиаторов, требуемых прочностных характеристик элементов
- не проведен расчет удельной мощности на кг веса конструкции




Изложенные выше положения, принцип работы устройства не противоречит классическим законам физики. Для перевода в целом устройства на сверхединичность (в пределе это должен быть монотерм - тепловой двигатель, который производит полезную работу, при этом ему не требуется перепад температур) можно применить решения:
- Функциональное встраивание в устройство - принципа работы кольцара Лазарева, при этом требуется оптимизация протекающих процессов путем увеличения рабочих испарительных поверхностей, выравнивании градиентов температур внутри устройства, возможное увеличение интенсивности испарения и конденсации с помощью электростатических полей.
- Отказ от охлаждения для конденсации рабочей жидкости или нагревания для испарения. Испарение-конденсацию производить электростатическими полями высокого уровня.

Испарение, возможные решения-прототипы:
- "Экспериментальное изучение взаимодействия коронного разряда и испарения воды" <a class="postlink" href="http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2005/227.pdf" onclick="window.open(this.href);return false;">http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2005/227.pdf</a>
- "Испарение капель водных растворов натрий - хлор в электрическом поле" <a class="postlink" href="http://www.phys.onu.edu.ua/files/journals/fas/articles/39/fas39_chesnokov.pdf" onclick="window.open(this.href);return false;">http://www.phys.onu.edu.ua/files/journa ... snokov.pdf</a>
- принципы испарения/конденсации электрическим полем "АВТОИОНИЗАЦИЯ И АВТОИОННАЯ МИКРОСКОПИЯ" <a class="postlink" href="http://ufn.ru/ru/articles/1962/7/c/" onclick="window.open(this.href);return false;">http://ufn.ru/ru/articles/1962/7/c/</a>
- метод "Приводимое диффузией опреснение" <a class="postlink" href="http://www.profiltr.ru/news/16.html" onclick="window.open(this.href);return false;">http://www.profiltr.ru/news/16.html</a>
- опосредованная интенсификация испарения при воздействии на жидкую среду ультразвуковыми колебаниями

Конденсация, возможные решения-прототипы:
- использовать принципы осаждения частиц в электрофильтрах (в электростатических фильтрах расход энергии ориентировочно 6 Вт на м.кв.) <a class="postlink" href="http://www.youtube.com/watch?v=3KUFH9v_5tA" onclick="window.open(this.href);return false;">http://www.youtube.com/watch?v=3KUFH9v_5tA</a>
- использование принципа изложенного в патенте RU2187354 "Способ конденсирования водяного пара" <a class="postlink" href="http://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/originalDocument?CC=RU&NR=2187354C2&KC=C2&FT=D&ND=3&date=20020820&DB=EPODOC&locale=ru_ru" onclick="window.open(this.href);return false;">http://worldwide.espacenet.com/publicat ... cale=ru_ru</a>
- принцип электроконденсации изложенный в главе "Конденсация электрическим полем - книга Исаченко В. П. "Теплообмен при конденсации" <a class="postlink" href="http://heatpp.narod.ru/lib/Isachenko.html" onclick="window.open(this.href);return false;">http://heatpp.narod.ru/lib/Isachenko.html</a>
- использование принципа конденсации в тонких капиллярах, например " Капиллярная конденсация " <a class="postlink" href="http://ru.wikipedia.org/wiki/%CA%E0%EF%E8%EB%EB%FF%F0%ED%E0%FF_%EA%EE%ED%E4%E5%ED%F1%E0%F6%E8%FF" onclick="window.open(this.href);return false;">http://ru.wikipedia.org/wiki/%CA%E0%EF% ... 0%F6%E8%FF</a>
- абсорбция водяного пара на химических веществах, например хлориде лития или хлориде кальция <a class="postlink" href="http://www.lennox.ua/html/sprav/head6.php" onclick="window.open(this.href);return false;">http://www.lennox.ua/html/sprav/head6.php</a> (испарение происходит при нагреве)

Высокие электростатические напряжения / поля можно получить: электретами, путем совмещения кольцара Лазарева и капельницы Кельвина (напряжение до 15 кВ, для дальнейшего увеличения напряжения потребуется какая-либо оптимизация конструкции из за особенностей работы капельницы Кельвина), использованием Замбониева столба (высокое напряжение при малых токах <a class="postlink" href="http://www.eduspb.com/node/590" onclick="window.open(this.href);return false;">http://www.eduspb.com/node/590</a> одна из исторических репликаций работает с 1840 года) или адаптированной под задачу батарею Карпена ( <a class="postlink-local" href="http://zaryad.com/forum/viewtopic.php?f=66&t=373&hilit=%D0%BA%D0%B0%D1%80%D0%BF%D0%B5%D0%BD" onclick="window.open(this.href);return false;">viewtopic.php?f=66&t=373&hilit=%D0%BA%D0%B0%D1%80%D0%BF%D0%B5%D0%BD</a> ).

При использовании электростатических полей, в устройстве можно получить эффект теплового насоса без прямых первичных затрат энергии.

Проект на текущий момент заброшен из за:
- окончательного понимания, что "вечняки" не являются экзотикой, "существуют в металле" в виде разнообразных конструкций, они забиваются мощным информационным и экономическим противодействием, при этом найденное техническое решение не является самым простым
- переключения на другие изыскательские работы в направлении альтернативной энергетики (ищутся более простые решения)
- значительного объема работ для доведения устройства до промышленного производства (ориентировочный срок доводки 1-2 года при плотной работе в домашних условиях)
- отсутствие производственной базы для практической проверки (реализации) устройства, его возможного тиражирования

Изложенные выше цифры приведены лишь для демонстрации потенциальной возможности решения, могут содержать ошибки, т.к. цифры восстанавливались по памяти из за давности произведенных выкладок (ранее сохранялись лишь ключевые моменты, по ним делалось данное восстановление логики работы устройства).

Для удобства считывания к сообщению прикреплена сжатая копия текста с поясняющими рисунками.

 

Re: Тепловой двигатель для разницы в 2-6 град. при КПД 90-10

Вячеслав, спасибо за оценку!
К сожалению все изложенное - только в теории, работающего образца и видео нет.
Прорабатывал эту тему, потому что "бежал" от теорий противоречащих классической науке.
Сейчас "шоры" полностью спали, под воздействием кучи фактов не укладывающихся в рамки "классики" (в том числе благодаря проекту "Заряд", спасибо коллективу авторов проекта!).

Работы были остановлены (без экспериментов) после приобретения осмотической мембраны и корпуса для неё (из за ненадобности будет использовано для бытового фильтра для воды).
Есть понимание, что данное решение не является простым, поэтому не вижу целесообразности развивать в металле это направление (время...).

 

Re: Тепловой двигатель для разницы в 2-6 град. при КПД 90-10

Идея оригинальная, особенно в части использования сверхкритички, однако отмечу сразу допущенное упущение: автор не учел в своих расчетах того обстоятельства, что, в отличие от конденсата, концентрированный раствор необходимо будет ЗАКАЧИВАТЬ под рабочим давлением в систему разбавления! А это расходы и не маленькие. Попытка сделать работу циклической приведет к резкому снижению производительности мембран, поскольку она зависит от концентрации насыщенного раствора, которая быстро будет падать , и овчинка станет дороже выделки. Второй отрицательный момент- протекание испарения- конденсации при низком давлении. Довольно габаритная и дорогая штуковина получится. Учитывая то, что работать придется с солевыми растворами, потребуется еще и применение химстойких сплавов.
Положительный не учтенный автором момент- скрытая теплота растворения/концентрирования. Для большинства солей при растворении происходит поглощение теплоты (охлаждение раствора) а при концентрировании- выделение.
Используя соли с большой скрытой теплотой растворения можно добиться большой доли рекуперирования энергии во внутренних процессах.

Куда более перспективным видится направление со сверхкритичкой. Благодаря высоким давлениям в системе (и плотности паров) можно добиться больших удельных мощностей. В общем- повозиться можно, не "пустышка".

 

Re: Тепловой двигатель для разницы в 2-6 град. при КПД 90-10

Сложность в реализации опытного образца - не могу его сделать собственными усилиями (на балконе не повоюешь), целесообразности заказывать работы по металлу на стороне - не вижу смысла (по прикидкам если заниматься "тихой сапой", займет по времени до 2-х лет).
По затратам - не могу оценить, так как нет понимания (расчета) механических нагрузок (прочности), требуемых параметров теплообменников (опять же это упирается во время).

Возможно кто то из участников форума по аналогии с имеющимися промышленными аппаратами сможет оценить затраты плюс-минус километр?

 

Re: Тепловой двигатель для разницы в 2-6 град. при КПД 90-10

Михаил, тему сверхкритических жидкостей отложил, потому, что не мое (нет возможности реализовать в металле). Пришлось выкручиваться через рекуперацию. Первое, что пришлось решить - принцип перемешивания. В приложении к сообщению рисунок поясняющий принцип (ранее для простоты часть деталей в сопровождающих рисунках опустил).

Для перемешивания концентрата видилась схема работы: перекрывается Вентиль-1, 4 (и если потребуется Вентиль-3, при его перекрытии падает давление по концентрату). При открывании вентиля прокачки, требуемая разница давлений на входе-выходе мотора прокачки будет минимальна (рассматривал какое либо устройство обеспечивающее перемешивание под действием силы тяжести - как вариант). После открывания вентиля прокачки, включается насос прокачки (если ставить в паре аналогичные конструкции, то привод насоса можно запитать от второй конструкции).

По вопросу

- если существует возможность, убедительная просьба дать какие либо материалы по этому вопросу (не встречался с этой информацией, скорее всего погрузился в вопрос не глубоко, постараюсь восполнить пробел...). Или Вы имели введу энергетическую эффективность (не физическое ухудшение состояние мембраны, так как буквально понял сообщение, что быстро износятся мембраны).

По вопросу испарения-конденсации при низком давлении, вот тут видел минимум проблем, так как разницу давлений между вакуумом внутри испарительной установки и атмосферным давлением ожидал увидеть в 1 атмосферу (водяные трубы легко выдерживают такую разницу давлений при минимальной адаптации: аналог термосифон сделанный на коленке умельцами из куска водопроводной трубы и крана Маевского для охлаждения процессора компьютера, ссылку готов поискать). Для распрыскивания жидкости практически не потребуется избыток давления (скорее всего минимальный). Возможно имелось ввиду разница давлений на мембране?

Возможно здесь достаточно будет только химически стойкого покрытия? Опять же не могу спрогнозировать поведение химических веществ, например хлороформа или димексида, их агрессивность к элементам конструкции. Нужны технологиеские описания (карты, таблицы?) применяемые для производства выбранного растворителя и растворимого вещества (дял себя видел, что проще возможно отмакетировать, потому что не представляю где взять информацию по их производству).

По вопросу скрытой теплоты растворения (концентрации) - учел, была попытка даже встроить в процесс, что бы не делать рекуперацию. Получалось что энергетические потоки внутри конструкции намного превосходят теплоту растворения (концентрации). Не нашел решения для использования скрытой теплоты растворения, если это удасться, это упростило бы конструкцию.

К сожалению сверхкритические жидкости для меня это не выход (нет технической возможности реализовать "на коленке" высокие давления, решение с рекуперацией - еще как то со скрипом возможно...). Дополнительно ранее очень сильно насторожила информация о сверхкритических жидкостях как сверхрастворителях (мембрана с большой степенью вероятности "потечет").

Чесслово, делал ставку именно на отказ от паров как среды съема энергии
Дополнительно не совсем понятно что будет происходить в системе при докритическом и сверхкритическом состоянии (не смог до конца осмыслить, потом плюнул, так как нашел решение с рекуперацией)...

 

Re: Тепловой двигатель для разницы в 2-6 град. при КПД 90-10

Уважаемый post0951.
Начнем с того, что включение насоса по указанной Вами схеме ровным счетом ничего не дает, кроме потерь! Концентрированный раствор должен поступать на мембрану, а не в испаритель. Дальше: похоже, Вы смутно представляете себе что такое тепловые потоки мощностью 2,5МВт (при низком давлении скрытая теплота конденсации- испарения увеличивается) и какого размера будет Ваш испаритель- конденсатор для этих мощностей. При том что полезный выхлоп... ну, Вы помните сколько... . Таким образом можно сразу сказать: "наколенное" исполнение с домашними условиями (низкие давления и концентрации) приведет к строительству мастодонта. Гора родила мышь.
Реально возможен только режим работы в околокритической области. Почему околокритической? Потому, чтобы избежать проблем со сверхрастворимостью в закритическом состоянии. Достаточно всего на несколько градусов понизить температуру или сбросить давление ниже критички- и данные волшебные свойства практически исчезают, в то время как скрытая теплота испарения находится около нуля!
Идеальным рабочим телом мне видится углекислый газ (нужно уточнить данные по растворимости различных солей в жидком СО2) - критическое давление около 80 атм, температура- 31град. Вполне приемлемые для промизделия параметры.Рабочее давление на турбине будет, безусловно, выше, но не в запредельных величинах. При этом он дешев, инертен, безопасен.
Дальше. Использовать нужно раствор с максимальным насыщением- в этом случае потребуется минимум затрат на прокачивание небольшого объема концентрированного раствора в полость между мембранами. Почему Вас смутило высокое осмотическое давление? Это потенциал, выше его нельзя "прыгнуть",- а ниже- пожалуйста, насколько ограничивают условия...

Высокое давление насыщенных паров подразумевает высокую плотность пара и высокие удельные тепловые нагрузки на теплообменниках, а не использование парового цикла- разность давлений в "котле" и конденсаторе ведь нулевая практически... Реально самым сложным будет именно узел концентрирования- нужно хорошенько помозговать, чтобы сделать его компактным и высокопризводительным. По сути он- главный регламентирующий узел (наравне с мембранным узлом). Но в любом случае "неколенное" производство здесь не прокатит. Сделать для демонстрации принципа можно, получить рентабельное в эксплуатации издение- никогда!

...Кстати, 1л/сек воды- это струя из полудюймовой трубы, летящая со скоростью 6,5м/сек...

 

Re: Тепловой двигатель для разницы в 2-6 град. при КПД 90-10

Здравствуйте, уважаемый Михаил!
Спасибо за сообщения!


Постарался более детально разрисовать схему перемешивания раствора (все лишнее на рисунке удалил) - в приложении к сообщению.

К сожалению понимаю, что такое 2,5 МВт, но интуитивно (еще не дошел до расчетов). Поэтому на уровне ощущений чувствую - довести конструкцию до промышленного решения не могу (не успеваю - что бы поделиться уже какими либо данными подтвержденными экспериментально). Как вариант для уменьшения массы теплообменников рекуператора - рассматривал как концептуальное решение в том числе конденсацию пара в массе жидкости ("пробулькивание", готового решения нет).
Радиатор для испарителя будет определяться тепловым потоком полезной работы + потери (КПД). Если брать "пробулькивание" для теплообменника как узла при рекуперации (если удасться найти решение) - требования к этому узлу скорее всего будут облегченными.

По докритическому состоянию - согласен, чем меньше разница температур (до сверкритического состояния), тем лучше должны получаться параметры. Вот здесь как раз должны вылезти теплота растворения, перепады температуры на элементах (возможные эффекты дросселирования…) - скорее всего потребуется очень тонкое регулирование (если не найти решения по саморегулированию процессов внутри системы). Как промежуточные решения рассматривал ввод рабочей жидкости в сверхкритическое или околокритическое состояние только на участке испарения (но что и как будет происходить в целом по системе - до конца не понятно, например может выпасть осадок растворимого вещества..., примерный физический аналог <a class="postlink" href="http://www.youtube.com/watch?v=Y6S7bZbx4-s" onclick="window.open(this.href);return false;">http://www.youtube.com/watch?v=Y6S7bZbx4-s</a> ).

По вопросу что растворять в жидком углекислом газе (или других сжиженных газах) - не нашел решения. В основном встречаются справочные данные по растворению сжиженного газа (фреона) в веществе (необходимо как раз наоборот)… По выбору рабочей жидкости, скорее всего её необходимо увязывать с температурами среды носителя нагрев - охлаждение (для минимизации потерь), то есть чем нагревать/охлаждать, температуры...


К вопросам высоких давлений отношусь очень аккуратно (очень верно Вы отметили - это не "наколенное" решение). При этом даже проверить в металле все ли учтено - хотя бы сам принцип с чудовищно низким КПД - практически нет возможности. Вполне может оказаться, что вся идея, заложенный принцип - "пшик". Остаются сомнения в процессах засасывания дистиллята в осмотическую мембрану при высокой разнице давлений (возможно потребуется как то нивелировать отсечками давлений?). По мембранам есть очень хорошие материалы РХТУ им. Менделеева, включая - испарение через мембрану в условиях вакуума <a class="postlink" href="http://www.membrane.msk.ru/books/?id_b=3&id_bp=2" onclick="window.open(this.href);return false;">http://www.membrane.msk.ru/books/?id_b=3&id_bp=2</a> (двигаться по сайту лучше всего - листанием страниц через указатели внизу страницы, иначе слетает навигация). То есть через мембрану в вакуум может происходить испарение растворителя концентрата <a class="postlink" href="http://www.membrane.msk.ru/books/?id_b=3&id_bp=8" onclick="window.open(this.href);return false;">http://www.membrane.msk.ru/books/?id_b=3&id_bp=8</a> . Уперся в то, что тупо необходимо проводить эксперименты (на данном этапе нет практического наработанного опытного материала подтверждающих или опровергающих выдвинутые идеи)…
По экспериментам - являюсь сторонником минимализма (первично - подтвердить основные положения идеи, её работоспособности, потом если все правильно, наращивать металл). По душе примерно такой подход (ожидаемый итог от эксперимента: да / нет / в мусорку / доработать / отложить): <a class="postlink" href="http://www.youtube.com/watch?v=QkPy1eyVT1U&feature=player_embedded" onclick="window.open(this.href);return false;">http://www.youtube.com/watch?v=QkPy1eyV ... r_embedded</a> . Как пример отрицательного подкрепления, то есть того чего бы хотелось избежать - <a class="postlink" href="http://rdvs.narod.ru/index.html" onclick="window.open(this.href);return false;">http://rdvs.narod.ru/index.html</a> .


По турбине (если рассматривать через положение о струе жидкости, имеется ввиду 6,5 м/сек из полудюймовой трубы) - рассматривал данные по Котоусову <a class="postlink" href="http://khd2.narod.ru/hydrodyn/kotousov.htm" onclick="window.open(this.href);return false;">http://khd2.narod.ru/hydrodyn/kotousov.htm</a> . Если брать лопатки Пелтона (тип преграды - отражение с полным разворотом) - то встает вопрос о дальнейшем движении жидкости от лопаток турбины до распылителя (возможно необходимо отказываться от распылителя и испарять жидкость с ровного мениска жидкости, что вызывает ряд новых связанных вопросов или как возможный вариант - функционально совместить рабочий объем турбины с объемом, где испаряется жидкость). Согласно открытых данных (ссылку не могу найти, сохранил, куда не найду…) - для высоких давлений и низких объемов наиболее оптимально использовать ковшовые турбины (вне конкуренции).

Михаил, в целом согласен с Вами, а если учитывать Ваш профессиональный профиль - полностью согласен…

 

Re: Тепловой двигатель для разницы в 2-6 град. при КПД 90-10

А какой смысл разбавлять С ТАКИМ ТРУДОМ ПОЛУЧЕННЫЙ КОНЦЕНТРАТ???

Непосредственный контакт, безусловно, лучше, но все равно гляньте на габариты бульбулятора: Вам надо "пробулькать" весь объем пара низкого давления- а он просто БОЛЬШОЙ!

Здесь лучше задействовать динамику потоков- скорость контактирования значительно увеличится, кроме того, можно создать дополнительное разрежение на стороне испарения и повышенное давление на стороне конденсации. Это потребует, конечно, какого-то расхода энергии, но игра стоит свеч.

Эксперименты проводить обязательно нужно, а вот по поводу отсутствия материала- не соглашусь. Информации по отдельным элементам системы много, ее нужно только собрать, обобщить, проанализировать и применить в своем конкретном случае.

Ищем, ищем...ГУГЕЛЬ ЗНАЕТ ВСЕ!

Это я написал просто для примера, для "визуализации" объемов... Эта скорость будет уже на выходе из турбины (при таком сечении трубы) . Располагая давлением хотя бы 10 атм глупо было бы сбрасывать его так нерачительно.

Что касается конкретного конструктива, то тут возможны множество вариантов. А вот сама идея неплохая.
Мне понравилась...

Пи.Си.
Кстати, поменяйте название темы и уберите цифири- БОЛЬНО УЖ ГЛАЗА РЕЖЕТ!

 

Re: Тепловой двигатель для разницы в 2-6 град. при КПД 90-10

Скорее всего вижу смысл в смешивании (выравнивании градиентов) насыщенности раствора по системе в целом (в частности на мембране). Пока нет понимания как можно что либо поменять (к сожалению)...

Габариты бульбулятора не могу оценить (не с чем сравнивать, познаяния довольно поверхностны).

Михаил, Вам карты в руки. Повышение давления на стороне пара для конденсации оценивал, получалось в районе в 70 кДж/кг для сконденсированной жидкости (могу ошибаться).
Тему рассматриваю как "трудного" ребенка, которого необходимо вывести в жизнь и оставить его для самостоятельности (к сожалению).
Материал постарался максимально подробно изложить, включая предпосылки и на мой взгляд неудачные и тупиковые решения, что бы каждый мог взять что кому близко или увидел мои возможные ошибки, просчеты...

Без базовых экспериментов - не увидел целесообразности продолжения дальнейших теоретических проработок (уже увы натыкался, первый простейший эксперимент рушит всю теоретическую надстройку)...

Михаил, спасибо за уточнение, примерно испытываю аналогичные ощущения. Но название темы выбрал именно для привлечения внимания (не поверите уделил этому определенное время, возможно выбрал не самый удачный вариант). Дополнительно насовал (минимально) в текст слова для поисковой оптимизации (увеличение шансов найти тему через поисковые системы).

 

Re: Тепловой двигатель для разницы в 2-6 град. при КПД 90-10

Интересное предложение. Думаю для эксперимента может подойти старый абсорбционный аммиачный холодильник, уж больно схема работы похожа. Только вот у некоторых из них как помню все трубки буквально сварены в моноблок.

 

Re: Тепловой двигатель для разницы в 2-6 град. при КПД 90-10

Sweetdreams, спасибо за сообщение!
Интересное решение по не стандартному применению стандартных вещей

Да и сам абсорбционный холодильник интересен по своей сути...

 

Re: Тепловой двигатель для разницы в 2-6 град. при КПД 90-10

Не понимаю: зачем сначала с таким трудом разделять, чтобы потом искусственно смешивать? Ведь вся фишка в том, что при смешивании за мембраной повышается давление! Если смещать до- просто будет потеря потенциала и снижение КПД.

Посмотрите в справочниках удельный объем пара при данных параметрах (давлении и температуре)- и все прояснится. ВЕСЬ этот объем необходимо будет прокачать через бульбулятор. (Или по крайней мере закачать в него).

Спасибо, но у меня своих "карт" ТАКАЯ ТОЛСТАЯ КОЛОДА!!!

Вывод: НАДСТРОЙКА БЫЛА НИКУДЫШНЯЯ!
Но это уже другая история. По данному же вопросу есть ОЧЕНЬ много инфы.
Так что не обязательно набивать собственные шишки.

 

Re: Тепловой двигатель для разницы в 2-6 град. при КПД 90-10

 

Re: Тепловой двигатель для разницы в 2-6 град. при КПД 90-10

Кому интересно загляните на сайт
<a class="postlink" href="http://www.lsgn1.narod.ru" onclick="window.open(this.href);return false;">http://www.lsgn1.narod.ru</a>
и посчитайте каков будет КПД описанной системы