Тепловой двигатель А.В.Косарева

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тепловой двигатель на новом термодинамическом принципе
преобразования тепла в работу и его работа на естественных
перепадах температур возобновляемых источников энергии

 

                                                                                  Косарев А.В.

 

 

Краеугольным камнем теории тепловых двигателей является понятие компенсации за преобразование тепла в работу. [2, 8]. Согласно теории Карно, мы обязаны передать часть подведенной в цикл тепловой энергии окружающей среде, и эта часть зависит от перепада температур между горячим и холодным источниками тепла. Особенностью всех тепловых двигателей, подчиняющихся теории Карно, является использование процесса расширения рабочего тела, позволяющего в цилиндрах поршневых двигателей и в роторах турбин получать механическую работу. Вершиной сегодняшней теплоэнергетики по эффективности преобразования тепла в работу являются парогазовые установки. В них КПД превышает 60%, при перепадах температур свыше 1000˚С. В экспериментальной биологии ещё более 50- ти лет назад установлены удивительные факты, противоречащие устоявшимся представлениям классической термодинамики. Так КПД мышечной деятельности черепахи достигает эффективности в 75-80%. [1]. При этом перепад температур в клетке не превышает долей градуса. И в тепловой машине и в клетке энергия химических связей сначала в реакциях окисления превращается в тепло, а затем тепло превращается в механическую работу. Термодинамика по этому поводу предпочитает молчать. По её канонам для такого КПД нужны перепады температур не совместимые с жизнью. В чём же секрет черепахи?

 

 

Природа компенсации за преобразование тепла в работу в теории Карно

 

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.

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

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

Отметим 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

R₀ -  атмосферное  давление,  V₁    - удельный объём 1кг. рабочего тела (воздуха) на входе в тепловую машину,

V₂ - удельный  объём 1кг. 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).

 

вход                                                      выхлоп

 

Рис. 1

 

Природа компенсации за преобразование тепла в работу заключается в том, что 1кг рабочего тела на выходе из тепловой машины имеет больший объём (V₂ ), под воздействием процессов расширения внутри машины, чем объём (V₁ )

на входе в тепловую машину.

А это означает что прогоняя через тепловую машину 1 кг. рабочего тела мы расширяем атмосферу на величину

DV = V₂ - V₁ ,  для чего необходимо произвести работу против сил гравитации, работу проталкивания:

^lпроталкивания  ^{= F ´ ds = R}0 ^(V2 ^{- V}1 ⁾

(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 1кг. рабочего тела должен иметь тоже атмосферное давление  R₀  что и на входе в машину, но при большем объёме

(V₂ > V₁ ).    А для этого, в соответствии с уравнением газового состояния

RV = RT ,     он

должен иметь и большую температуру, т.е.

T₂  > T₁ . Мы вынуждены передать в тепловой машине       килограмму       рабочего       тела       дополнительную      внутреннюю      энергию:

DU = U₂ - U₁  = f (T₂ )- f (T₁ ).       Это вторая составляющая компенсации за преобразование тепла в работу. Таким образом, общие потери энергии за преобразование тепла в работу в пересчёте на 1кг. рабочего тела и переданные окружающей среде составят:

q₂  = DU + R₀DV       (1)

Из этих двух составляющих и складывается природа компенсации. Сказанное находится в полном     соответствии     с     законом     Майера

C_p  - C_v  = R .     

 

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 q₁ 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 DT_рег. . Это приводит к повышенным потерям тепла с уходящими газами на выходе  из  газотурбинной  установки,  которые  вызваны  двумя  указанными  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 ¯ = 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   q₂ холодному источнику. Потери тепла в окружающую среду за счет ^DTрег. 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.

После процесса расширения 3-4 у нас 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 и перепад температур в регенераторе DT_рег. . 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. [4]. Предложенный регенератор для цикла Гемфри (для ГТУ пульсирующего типа) позволяет за счёт увеличения поверхности теплопередачи регенератора сколь угодно уменьшать на выхлопе к минимуму.DT_рег. и тем самым сводить потери тепловой энергии

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.

C_p  - C_v  = R     (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.

dq_v  = DU _v  = U_1а  - U₁  =

f (T_1а )- f (T₁ ) = c_v (T_1а - T₁ ) = DU _p ; (3) 

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

dq_p  = c_p (T₄  - T_4а ) = DU _p  + R₄ × DV = (U ₄  - U _4а ) + R₄ (V₄  - V_4а ) ; (4) , где

R₄  = R₁  = R₀     - давление окружающей среды. В (3) и (4) перепады внутренней энергии равны. Именно это тепло передаётся через стенку регенератора. Куда же девается составляющая

R₄ (V₄  - V_4а ) ?

 

Выше мы уже отмечали взаимосвязь между двумя составляющими переданного окружающей среде тепла (1). Так вот, когда мы отнимаем в процессе регенерации тепло

dq = U ₄  - U _4а ,

 

мы снижаем  объём  выхлопных  газов  с  V₄  до  V_4а .  Тем  самым  мы  снижаем  работу  по расширению атмосферы (работу проталкивания) на величину R₄ (V₄ - V_4а ) . 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. Подвод тепла к постоянному объёму несжимаемой жидкости приводит к резкому увеличению давления. Так нагрев воды при постоянном объёме на 1˚С приводит к увеличению давления на 5-ть атмосфер. Этот эффект и используется для изменения формы (у нас сжатия) сильфона и совершения работы.

 

Сильфонно-поршневой двигатель - двигатель на новом термодинамическом принципе преобразования тепла в работу

 

 

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

Для реализации этих возможностей предлагается тепловой двигатель, содержащий рабочие цилиндры, внутренняя полость которых объединена с помощью перепускного трубопровода, имеющего регулирующую арматуру. 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 перепускного трубопровода в единый объём. Внутренняя полость сильфонных поршней соединена с атмосферой, что обеспечивает внутри объёма сильфонов постоянное атмосферное давление.

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

Рабочие цилиндры расположены в 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 рисунке 3.

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 – перепускной трубопровод, 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 по длине делятся на отдельные цилиндрические секции, состоящие из двух половинок, скорлуп, при сближении охватывающих цилиндр. 5 – шток, обеспечивающий взаимодействие сильфонных поршней 3 и 4. Особенностью конструкции является расположение рабочих цилиндров по одной оси. Шток – 5, обеспечивает механическое взаимодействие сильфонных поршней разных цилиндров.

Сильфонный поршень, выполненный в форме сильфона, одной стороной неподвижно закреплён с трубопроводом, соединяющим внутренние полости сильфонных поршней с разделительной стенкой корпуса рабочих цилиндров, 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 происходит только под воздействием перепада давлений по сторонам сильфона, а растяжение под воздействием штока - 5.

На Рис.4 изображён термодинамический цикл сильфонно поршневого двигателя. Тепловой двигатель работает следующим образом.

Описание рабочего цикла заявленного теплового двигателя начнём с ситуации, изображённой на Рис.3. Сильфонный поршень первого цилиндра (на Рис.3 позиция 3) полностью растянут, а сильфонный поршень второго цилиндра (на Рис.3 позиция 4) полностью сжат. Теплоизоляционные кожуха - 12 на цилиндрах 1 и 2 плотно прижаты к цилиндрам (как на правом цилиндре). Арматура – 10 (Рис.3) на трубопроводе, соединяющем внутренние полости рабочих цилиндров, закрыта. Температура масла в сосуде с маслом, в котором расположены цилиндры, доводится до кипения. Давление кипящего масла в полости сосуда, рабочего тела внутри полостей рабочих цилиндров равно атмосферному. Давление внутри полостей сильфонных поршней всегда равно атмосферному так как они соединены с атмосферой.

Состояние рабочего тела  цилиндров соответствует точке 1 на Рис.4. В этот момент арматура – 10 и теплоизоляционный кожух на первом цилиндре открываются. Скорлупы -12 теплоизоляционного кожуха отодвигаются от поверхности обечайки цилиндра - 1. (см. Рис.3). В этом состоянии обеспечена теплопередача от кипящего масла в сосуде, в котором расположены цилиндры, к рабочему телу первого цилиндра. Теплоизоляционный кожух на втором цилиндре, напротив плотно облегает поверхность обечайки цилиндра. Скорлупы - 12 теплоизоляционного кожуха прижаты к поверхности обечайки цилиндра - 2. (см. Рис.3). Тем самым передача тепла от кипящего масла к рабочему телу цилиндра - 2 не возможна. Так как температура кипящего при атмосферном давлении масла (примерно 350 ^oC ) в полости сосуда, содержащего цилиндры, выше температуры кипящей при атмосферном давлении воды (влажного пара со степенью сухости 0.05-0,1), находящейся в полости первого цилиндра, то происходит интенсивная  передача тепловой энергии от кипящего масла к рабочему телу (кипящей воде) первого цилиндра.

 

 

Рис. 3                                                                                      Рис. 4

 

Коэффициент  теплоотдачи  от  поверхности  металла  к  кипящей  жидкости  составляет величину порядка 2200 – 11000 Вт /( м ² × К ) . (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 Квт / м ² . Рабочее тело (кипящая вода) в цилиндрах 1 и 2 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 давление внутри сильфонного поршня – 3 первого цилиндра не изменяется,  так как внутренняя полость сильфонного  поршня соединена с атмосферой. 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 через воздействие штока – 5, растягивается сильфонный поршень – 4. При этом сильфонный поршень – 4 растягиваясь, выталкивает рабочее тело из полости второго рабочего цилиндра через трубопровод - 11 в полость первого рабочего цилиндра, которая освобождается при сжатии сильфонного поршня – 3. Таким образом, рабочее тело в цилиндрах перетекая, постоянно находятся при постоянном объёме.

По мере сжатия сильфонного поршня – 3 в цилиндре – 1 происходит прижатие скорлуп теплоизоляционного кожуха - 12 к поверхности цилиндра – 1. Происходит это последовательно слева направо по мере сжатия сильфонного поршня -3. Это необходимо для того, что бы подводить тепло и поднимать давление рабочего тела только в рабочей зоне цилиндра – 1, в зоне гармошки сильфона, что снижает постепенный подогрев рабочего тела и повышение его давления вне рабочей зоны. Последовательное прижатие скорлуп теплоизоляционного кожуха - 12 нужно производить даже с некоторым опережением сжатия сильфонного поршня – 3, что ещё сильнее снизит и возможно исключит постепенный перегрев рабочего тела вне рабочей зоны цилиндра 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.

При работе сильфонно поршневого двигателя проявляется, как уже отмечено выше, существенно вредный момент. Происходит передача тепла из рабочей зоны сильфонной гармошки, где происходит преобразование тепла в механическую работу, в нерабочую зону при циклическом перемещении рабочего тела. Это не допустимо, так как подогрев рабочего тела вне рабочей зоны приводит к возникновению перепада давлений и на не работающий сильфон. Тем самым будет возникать вредная сила против производства полезной работы.

Для надёжного недопущения постепенного подогрева рабочего тела вне рабочей зоны, кроме несколько опережающего прижатия теплоизоляционных скорлуп, необходимо отводить часть тепла от рабочего тела при его течении по перепускному трубопроводу -11 (Рис.3). Это снижает КПД двигателя до уровня, достигнутого в живой природе.

Покажем, что доля тепловой энергии отведенной из цикла для поддержания постоянной температуры рабочего тела в точке 1 (Рис. 4), может  быть очень  малой  в сравнении с тепловой энергией подведенной в цикл и превращённой в механическую энергию на коленчатом валу. Составим уравнение теплового баланса для теплового потока q подводимого к первому цилиндру за период сжатия его сильфонного поршня.

q = A + q_охл.

(5);  где:  A - работа, механическая энергия, полученная на коленчатом валу при сжатии  сильфонного  поршня  -3;

q_охл. -  тепло,  отведенное  из  цикла  при  охлаждении трубопровода – 11, для поддержания постоянства температуры в точке цикла -1 (Рис. 4).

Величина  теплового  потока  q  определяется  в  соответствии  с  основной  формулой теплопередачи:

q = k × F × Dt

(6);  где:  q – тепло, переданное к первому цилиндру за период сжатия его сильфонного поршня; k – коэффициент   теплопередачи; F – теплопередающая  поверхность рабочего цилиндра;

Dt -  теплоперепад  между  маслом  в  греющем  сосуде  и рабочим телом первого цилиндра, имеющим температуру t₂ в точке 2 (Рис. 4). Для заданных термодинамических  и  конструктивных  условий  величина  теплового  потока  постоянна.

q = const .

Величина работы производимой первым цилиндром при сжатии сильфонного поршня – 3 равна:

A =¯ DR× ­ S_с.п. × l ;   (7).         В (7):  A - работа, произведённая в первом цилиндре в процессе сжатия его сильфонного поршня – 3; DR - перепад давлений между подогреваемым в первом цилиндре рабочим телом и атмосферным давлением внутри сильфонного поршня –

3;    S_с.п. -   площадь   поверхности   сильфонного   поршня   (площадь   гармошки).   Площадь гармошки равна площади единичной гармошки умноженной на число единичных гармошек; l - длина, на которую сокращается при сжатии сильфонный поршень, обеспечивая тяговое усилие.

При заданной длине рабочего цилиндра площадь поверхности сильфонного поршня   ^Sс.п.  можно изменять в очень широких пределах, изменяя число единичных гармошек сильфона. Из (7) 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. Это перепад давлений между точками 2 и 1 на Рис. 4. Перепад давлений между точками  2  и  1  зависит  от  перепада  температур  между  этими  точками  и  наоборот.

DR = f (Dt₁ ) = f (t₂  - t₁ ) ;    Запишем    количество    тепла,   передаваемого    из   рабочей   зоны цилиндра  в  нерабочую  зону  при  сжатии  сильфонного  поршня  и  которое  необходимо отводить из цикла для поддержания постоянства температуры в точке 1.

q_охл.  = m × c_v × (t₂  - t₁ ) ; (8).        В (8)  m - масса рабочего тела, вытесненная из рабочей зоны в нерабочую при сжатии сильфонного поршня. Эта величина для конкретной конструкции постоянна;

 

c_v - массовая теплоёмкость рабочего тела при постоянном объёме;

(t₂  - t₁ ) - перепад температур между точками 2 и 1, между температурой рабочего тела в рабочей зоне сильфона и температурой рабочего тела вне рабочей зоны после охлаждения в трубопроводе – 11 (Рис. 3). Эта величина при увеличении числа гармошек сильфона, как показано выше, уменьшается и в пределе стремится к нулю. А это означает согласно (8), что при этом стремится к нулю и q_охл. , тепло, отводимое из цикла. Вернёмся к формуле (5). Здесь ^qохл.   

С увеличением числа гармошек сильфона, с увеличением площади сильфона, снижается. При этом  подводимое  в  цикл  тепло  q  даже  несколько  возрастает.  Это  связано  с  тем,  что температура рабочего тела  t₂ снижается, а значит, перепад температур между греющим маслом и рабочим телом растёт. Это приводит согласно (6) к некоторому росту подводимого тепла. С  учётом сказанного термический КПД сильфонно поршневого двигателя в этих условиях возрастает,

Потери от охлаждения рабочего тела в сильфонно поршневом двигателе ^qохл. (8) не носят столь принципиально неизбежного характера как потери тепла q₂ (1) в теории Карно для циклов с процессами расширения. Потери от охлаждения в сильфонно поршневом двигателе как показано выше могут быть снижены до сколь угодно малой величины. Отметим, что в данной работе речь идёт о термическом КПД. Внутренний относительный КПД, связанный с трением и другими техническими потерями остаётся на уровне сегодняшних двигателей.

Парных рабочих цилиндров в описываемом тепловом двигателе может быть сколь угодно в зависимости от требуемой мощности и прочих конструктивных условий. Самой различной может быть и пространственная компоновка цилиндров.

В конструкции двигателя 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 на две половинки и отводится от рабочего цилиндра.

Сильфонно поршневой двигатель может работать как на всех видах органического топлива так и на ядерном топливе.

Самым существенным для конструкции сильфонно поршневого двигателя 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 отмеченное в начале статьи. 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. Выше изложенное показывает, что между теорией Карно и живой природой нет противоречия. Они работают на разных принципах. Другое дело, что с разной эффективностью. Человек выбрал тупиковую ветвь технологической эволюции, в отличие от живой природы. Теория Карно применима только в частном случае, когда используется процесс расширения рабочего тела и то с оговорками [4,6]. 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.

 

 

Принципиальная схема работы сильфонно-поршневого
двигателя на малых перепадах температур в окружающей среде

 

 

В окружающей нас природе постоянно существуют различные перепады температур.

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

Принципиальная технологическая схема установки показана на Рис.5. На схеме Рис.5 цифрой 11 обозначен перепускной трубопровод, цифрой 13 дополнительно обозначен электрогенератор. Холодный слой воды начинается от нижней кромки льда, где его температура равна 0°С и до температуры плюс 4-5°С. В эту область будем отводить то небольшое количество тепла, которое отбирается из перепускного трубопровода -11, для поддержания постоянного уровня температур рабочего тела в нерабочих зонах цилиндров. Для контура (теплопровода) отводящего тепло, выбираем в качестве теплоносителя бутилен цис-2-Б.  Его  температура  кипения-конденсации  при  атмосферном  давлении  составляет +3,7°С. Или бутин 1-Б (температура кипения +8,1°С). [9]. Тёплый слой воды в глубине определяем в диапазоне температур 10-15°С. Сюда опускаем сильфонно поршневой двигатель. Рабочие цилиндры непосредственно контактируют с морской водой. В качестве рабочего тела цилиндров выбираем вещества, которые имеют температуру кипения при атмосферном давлении ниже температуры тёплого слоя. Это необходимо для обеспечения теплопередачи от морской воды к рабочему телу двигателя. В качестве рабочего тела цилиндров можно предложить хлорид бора (температура кипения +12,5°С), бутадиен 1,2-Б (температура кипения +10,85°С), виниловый эфир (температура кипения +12°С). [9].

 

Рис. 5

 

Имеется большое количество неорганических и органических веществ, отвечающих этим условиям. Тепловые контура с, таким образом, подобранными теплоносителями, будут работать в режиме тепловой трубы (в режиме кипения), что обеспечит передачу больших тепловых мощностей при малых перепадах температуры. Выше  отмечено, что подогрев несжимаемой жидкости при постоянном объёме резко увеличивает давление. Перепад давления между внешней  стороной и  внутренней полостью  сильфона, помноженный  на площадь гармошки сильфона, создаёт усилие на ползун и порождает мощность двигателя пропорциональную мощности подведенного тепла к цилиндру. Так вот если температуру нагрева рабочего тела снизить в десять раз (на 0,1°С), то перепад давления по сторонам сильфона тоже снизится примерно в десять раз до 0,5 атмосфер. Если при этом площадь гармошки сильфона также увеличить в десять раз (увеличивая число секций гармошек), то усилие на ползун и развиваемая мощность останутся неизменными при неизменном подводе тепла к цилиндру. Это позволит, во первых использовать очень малые естественные перепады температур и во вторых, резко снизить вредный разогрев рабочего тела и отвод тепла в окружающую среду, что позволит получить высокий КПД. Хотя здесь стремление к высокому КПД не имеет особой значимости. Используемая энергия естественно возобновляема и, следовательно, неисчерпаема. Здесь главное использование малых температурных перепадов.