СТАТЬИ И ПУБЛИКАЦИИ Вход или Регистрация	ПОМОЩЬ В ПАТЕНТОВАНИИ	НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ФОРУМ	Научно-техническая библиотека

© Косарев Александр Владимирович, инженер-теплоэнергетик, к.т.н.

Адрес: 460038 г. Оренбург, ул.Конституции, д.24, кв.90

Телефон: (35-32) 36-31-26 домашний, (35-32) 52-84-09 служебный, Факс: (35-32) 52-83-73

E-mail: nikita_kosarev@mail.ru

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение…………………………………………………………………….стр.1
2. Природа компенсации за преобразование тепла в работу………………стр.1
3. Бескомпрессорная газотурбинная установка…………………………….стр.5
4. Заключение……………………………………………………………….…стр.8
5. Литература……………………………………………………………….…стр.8

ВВЕДЕНИЕ

Предлагаемая статья является сокращённым изложением двух глав работы автора под названием: “Динамика эволюции неравновесных диссипативных сред”.

В феноменологической термодинамике существует много различных формулировок 2-го закона термодинамики. Так в [Л-3] автор приводит восемнадцать формулировок. Однако при внимательном рассмотрении их можно разбить на две группы: одна группа относится к закону роста энтропии, другая к понятию компенсации за преобразование тепла в работу. Причины и механизм закона роста энтропии в замкнутой термодинамической среде рассмотрены в первой главе выше названной работы, где показано что 2-й закон термодинамики является следствием эффекта вырождения результирующего импульса, как носителя кооперативной кинетической энергии, в много частичной среде. Это позволило получить выводы противоречащие понятию компенсации за преобразование тепла в работу и тем формулировкам 2-го закона, которые из этого понятия вытекают. Здесь покажем причины и механизм компенсации за преобразование тепла в работу, понятия являющегося одним из краеугольных в классической термодинамике.

ПРИРОДА КОМПЕНСАЦИИ ЗА ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ТЕПЛА В РАБОТУ

Отметим тот 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. Рассмотрим Фиг.-1. Здесь - атмосферное давление, - удельный объём

Фиг.-1

1кг. рабочего тела (воздуха) на входе в тепловую машину, - 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 Фиг.- 2а. Хотя причина компенсации одна и та же и для газотурбинных и для паротурбинных установок и для двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Природа компенсации за преобразование тепла в работу заключается в том что 1кг.рабочего тела на выходе из тепловой машины имеет больший объём , под воздействием процессов внутри машины, чем объём на входе в тепловую машину.

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

(1) (см. Фиг.-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 что и на входе в машину, но при большем объёме . А для этого, в соответствии с уравнением газового состояния , он должен иметь и большую температуру, т.е. . Мы вынуждены передать в тепловой машине килограмму рабочего тела дополнительную внутреннюю энергию: . Это вторая составляющая компенсации за преобразование тепла в работу. Таким образом общие потери энергии за преобразование тепла в работу в пересчёте на 1кг. рабочего тела и переданные окружающей среде составят:

(2)

Из этих двух составляющих и складывается природа компенсации. Обратим внимание на взаимозависимость двух составляющих компенсации. Чем больше объём рабочего тела на выхлопе из тепловой машины по сравнению с объёмом на входе, тем выше не только работа по расширению атмосферы, но и необходимая прибавка внутренней энергии, т.е. нагрев рабочего тела на выхлопе в сравнении с входом. И наоборот, если за счёт регенерации снижать температуру рабочего тела на выхлопе, то в соответствии с уравнением газового состояния будет снижаться и объём рабочего тела на выхлопе, а значит и работа проталкивания. Если провести глубокую регенерацию и снизить температуру рабочего тела на выхлопе до температуры на входе и тем самым одновременно сравнять объём килограмма рабочего тела на выхлопе до объёма на входе в тепловую машину, то компенсация за преобразование тепла в работу будет равна нулю. Что реально мешает достичь этого результата рассмотрим на циклах и процессах традиционной квазиравновесной термодинамики. Рассмотрим идеальный цикл простейшей газотурбинной установки с подводом тепла при постоянном давлении (см. Фиг.- 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.

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, так как снижая температуру рабочего тела на выхлопе, снижаем в соответствии с уравнением газового состояния и объём рабочего тела на выхлопе. Однако на пути процесса регенерации тепла встает процесс предварительного сжатия рабочего тела (1-2) и перепад температур в регенераторе . Это приводит к повышенным потерям тепла с уходящими газами на выходе из газотурбинной установки, которые вызваны двумя причинами, ограничивающими передачу тепла от уходящих газов к воздуху в регенераторе (см. Фиг. 2а):

Фиг.-2а                     Фиг.-2б

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 (D Т_рег). Эта потеря тем меньше, чем меньше перепад температур D Т_рег (см. Фиг. 2а и 2б). Но эту вторую потерю в принципе можно сделать сколь угодно малой, увеличивая теплопередающую поверхность регенератора и тем самым снижая D Т_рег в соответствии с формулой

q_рег = k ­ F D Т_рег ¯ = const. (3)

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

При этом необходимо отметить, что наиболее глубокое охлаждение газов можно осуществить только в противотоке между охлаждаемыми газами и подогреваемым воздухом.

Именно из-за адиабаты 1-2 (процесса предварительного сжатия) мы не можем осуществить полную регенерацию тепла и вынуждены отдавать тепло холодному источнику. Потери тепла в окружающую среду за счет в принципе можно свести к нулю, увеличивая площадь поверхности регенератора (см. (3)). 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 механическую работу. Однако если сразу использовать эту неравновесность, то никакого эффекта не будет даже в идеале, а на практике, по причине релаксации (трения), будут потери кооперативной кинетической энергии, возникшей при преобразовании потенциальной (внутренней) энергии. Поэтому необходимо усиление неравновесности, полученной в точке 2. Для этого производится подогрев рабочего тела до точки 3 и в системе накапливается, за счет подведенного тепла, дополнительная потенциальная энергия (эксергия), дополнительная неравновесность. Благодаря процессу подогрева 2 - 3 точка 3, в сравнении с точкой 2, получила второй уровень неравновесности, дополнительную потенциальную энергию. Это и дает нам возможность в процессе адиабатного расширения 3-4 получить выигрыш в работе по сравнению с процессом сжатия 1-2.

Но у нас еще остается неравновесность точки 4 по отношению к точке 2 и, используя эту температурную неравновесность, мы частично используем (регенерируем) тепло отходящих газов в процессе 4-1 на подогрев рабочего тела в начале процесса 2-3. На пути полной регенерации встал процесс предварительного сжатия 1-2, который поднял температуру рабочего тела в точке 2. Обратим внимание на то что процесс предварительного сжатия 1-2 является обязательным элементом всех используемых ныне тепловых циклов: и газотурбинных, и ДВС, и Ренкина.

Предлагается отказаться от процесса предварительного сжатия. Это становится возможным при работе газотурбинной установки по циклу изображенному на Рис.-2б. Здесь отсутствует процесс предварительного сжатия в компрессоре (1-2), а значит в принципе устранена причина №1 потерь тепла с уходящими газами. Подвод тепла и повышение давления производится в изохорном процессе 1-3. По такому циклу могут работать только установки пульсирующего типа.

Однако в рамках принятых воззрений при рассмотрении предложенного регенеративного цикла возникают противоречия. Энергия, аккумулированная уходящими газами больше тепла переданного в регенераторе воздуху даже в идеальном случае на величину , рис.- 2б, т.к. отвод тепла от газов производится при постоянном давлении, а подвод тепла к воздуху осуществляется при постоянном объеме. Но здесь нет противоречия.

Согласно закона сохранения и превращения энергии сумма потенциальной и кинетической энергии замкнутой системы остается постоянной, а превращение видов энергии, т.е. потенциальной в кинетическую и наоборот количественно равны, причем превращение одного вида энергии в другой происходит через совершение работы:

(4)

где - сила, - перемещение.

Когда мы пишем , мы должны четко понимать что это не энергия. Работа в общефизическом смысле это сила действующая на пути, численный эквивалент энергии превратившейся из потенциальной в кинетическую или наоборот. Это необходимо учитывать при составлении балансов энергии. Если в системе не действуют силы или нет перемещений под действием силы или против действующих сил, то нет и работы, а значит нет превращения одного вида энергии в другой. Силы в системе возникают только если есть градиент потенциальной энергии , т.е. если есть неравновесность в системе.

Причем если перемещение возникает под действием силы, т.е. направление перемещения массы совпадает с направлением действующей силы, то происходит ускорение массы и увеличивается кооперативная кинетическая энергия, а значит согласно (4) уменьшается потенциальная (внутренняя) энергия системы. Примером такого случая может служить процесс в сопле.

Если перемещение происходит против действующих в системе сил, то увеличивается потенциальная (внутренняя) энергия и уменьшается кооперативная кинетическая. Работа совершается за счет уменьшения кооперативной кинетической энергии, уменьшения скорости потока. Примером такого случая может служить процесс в диффузоре или на выхлопе тепловой машины в окружающую среду.

Вот теперь с учетом изложенного о понятии компенсации рассмотрим и проанализируем регенеративный цикл без процесса предварительного сжатия. Цикл, изображен на рис.-2б. В цикле: 1-3- процесс изохорного подвода тепла к рабочему телу с целью получения неравновесности в точке 3 по отношению к точке 1. В процессе 1-3 подводимое тепло вызывает рост температуры и давления. И неравновесность, а стало быть потенциальная энергия (градиент которой и вызывает "движущие силы огня") накапливаются в заданном объеме рабочего тела в виде перепада давления в точках 1 и 3, а также между изохорным процессом в точке 3 и изобарным процессом в точке 4. Причем все тепло в процессе 1-3 затрачивается на увеличение внутренней энергии рабочего тела: Теперь, имея перепад давления между точками 3 и 4, мы можем получить полезную работу (механическую энергию) в процессе адиабатного расширения 3-4. Учитывая, что в адиабатном процессе работа расширения совершается только за счет убыли внутренней энергии рабочего тела, имеем:

(в соответствии с (4))

где - увеличение скорости потока рабочего тела в процессе 3-4.

В точке 4 мы опять имеем температурную неравновесность по отношению к точке 1, позволяющую нам осуществлять регенерацию тепла между процессами 4-1 и 1-3 в противотоке. Тепло, отдаваемое окружающей среде, будет зависеть от перепада температур в регенераторе - и будет тем меньше чем меньше .

где - увеличение внутренней энергии рабочего тела на выходе из цикла в сравнении с внутренней энергией на входе. Эта энергия необходима для поддержания давления - после расширения рабочего тела от до и содержится эта энергия именно в рабочем теле на выхлопе из регенератора тепловой машины.

- это часть кооперативной энергии потока полученной в процессе 3-4 и затрачена на работу по преодолению сил гравитации на выходе из установки (канала), работа проталкивания. Эта энергия аккумулируется в атмосфере, в окружающей среде. Причем как уже отмечалось ранее между теплотами и существует прямая зависимость. Уменьшая за счет передачи тепла в регенераторе и тем самым уменьшая температуру рабочего тела на выходе из регенератора, мы добиваемся уменьшения объема рабочего тела на выхлопе тепловой машины в соответствии с уравнением газового состояния Уменьшение объема на выхлопе снижает работу проталкивания и тем самым увеличивается техническая работа на величину И чем меньше температурный напор в регенераторе тем меньше тепло, отдаваемое окружающей среде.

БЕСКОМПРЕССОРНАЯ ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА

(Патент RU №2154181 “Газотурбинная установка”. Бюл. №22 от 10.08.2000.)

Ставим задачу отказаться от процесса предварительного сжатия рабочего тела в тепловых машинах.

Уже в самом начале развития газотурбинных установок были практически выполнены такие установки без компрессора, работающие по предлагаемому циклу, (см. Л.-4, стр.-44, рис.-2.11,а). В них компрессор был заменен вентилятором, напор которого равен лишь сопротивлению газораспределительных органов камеры сгорания. Вентилятор был необходим для зарядки камеры сгорания (для заполнения камеры сгорания порцией свежего воздуха для горения), т.е. здесь процесс предварительного сжатия сведён к минимуму.

Так как газотурбинная установка со сгоранием топлива при постоянном давлении без предварительного сжатия не может работать в принципе, это были газотурбинные установки со сгоранием топлива при постоянном объеме (пульсирующего типа). Подогрев рабочего тела (воздуха) при постоянном объеме позволяет поднять давление перед турбиной и без компрессора. В предлагаемой ниже схеме конструкция регенератора позволяет проводить регенерацию тепла выхлопных газов в установках пульсирующего типа и зарядка камеры сгорания выполнена по принципу всаса в цилиндр, а не продувкой вентилятором, что снимает вопрос о времени перезарядки камеры сгорания и исключает процесс предварительного сжатия в принципе. И если в самых первых установках, работающих по циклу без процесса предварительного сжатия рабочего тела, ставилась задача обойтись без компрессора как несовершенного на тот момент технического устройства, то здесь отказываемся от процесса предварительного сжатия в целях создания наилучших условий для регенерации тепла уходящих газов.

Принципиальная технологическая схема установки изображена на Фиг.- 3 , где: 1 – регенератор предлагаемой конструкции. 2 - камера сгорания с подводом тепла при постоянном объеме. 3-газовая турбина. 4-запорные устройства (клапаны). Термодинамический цикл установки изображён на Фиг.-2б.

На фигуре - 4 изображена принципиальная конструкция капсулы, обеспечивающая подвод тепла к рабочему телу при постоянном объеме. Принципиальная конструктивная схема предлагаемой газотурбинной установки изображена на Фиг. -5. Здесь пунктирной линией -1 отмечен регенератор, соответствующий поз.1 на Фиг.-3. Регенератор обеспечивает противоточное движение, содержащих постоянный объем воздуха капсул -7, и выхлопных газов из турбины, движущихся в потоке при постоянном давлении. Перемещение капсул против течения выхлопных газов осуществляется с помощью механического привода -6, например конвейерной линией, размещенной внутри корпуса регенератора. Движущийся на конвейерной линии поток капсул омывается противоточно движущимся потоком выхлопных газов из турбины. Таким образом регенератор предложенной конструкции позволяет осуществить передачу тепла от уходящих газов к воздуху в противотоке. При этом рабочее тело (воздух) находится и нагревается при постоянном объеме, в объеме, движущейся на конвейере, капсулы. Когда воздух в регенераторе нагреется (капсула при этом переместится в регенераторе из положения I -римское в положение II-римское), то капсула из положения II -римское с помощью толкателя -8 загоняется в обичайку -5. Обичайка -5 с вставленной в неё капсулой -7 соответствует камере сгорания (поз.-2 на Фиг.-3 ).

Обичайка обеспечивает прочность капсулы от разрыва при впрыске в нее и горении топлива. При этом рабочее тело разогревается с повышением давления. Впрыск топлива в капсулу производится через форсунку -12, Фиг.- 4. Затем открывается клапан -4 правый (Фиг.-4) и рабочее тело из капсулы под давлением выходит в проточную часть турбины. Вслед за этим толкатель -9 (Фиг.4 и 5) через клапан -4 левый (Фиг.-4) передвигает поршень -11 (Фиг.-4), находящийся в капсуле, из крайнего левого в крайнее правое положение. При этом происходит удаление остатков газа из капсулы в проточную часть турбины (через клапан -4 правый, Фиг.-4) и всас свежей порции воздуха (через клапан -4 левый, Фиг.-4). После этого клапана -4 закрываются и капсула перемещается в

Фиг.-3                                             Фиг.-4

Фиг.-5

регенератор в положение I -римское. Цикл замкнулся. На Фиг.-5 жирными стрелками -13 обозначено механическое перемещение капсулы за цикл. Вся технологическая схема теплоизолирована от окружающей среды с целью снижения потерь тепла (поз.-10 на Фиг.- 5). Обечайку (поз.-5 на Фиг.-5) желательно изготавливать из материала с малой теплоемкостью и теплопроводностью чтобы к минимуму свести нагрев свежего воздуха в капсуле до ее помещения в регенератор. При необходимости обечаек (то есть камер сгорания), по окружности головной части турбины, можно устанавливать несколько. Для уменьшения пульсации в регенераторе можно предложить схему с одним общим регенератором для нескольких турбин. В этот регенератор будут поступать выхлопные газы со всех турбин, а капсулы с воздухом для каждой турбины будут нагреваться по своей кинематической линии или можно предложить схему поочередного поступления капсул на выходе из регенератора ко всем турбинам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом природа компенсации за преобразование тепла в работу заключается в том что, забирая из атмосферы рабочее тело с одним объемом, мы выталкиваем в атмосферу рабочее тело с гораздо большим объемом. На это требуется затрата кооперативной энергии для совершения работы проталкивания против сил гравитации плюс затраты тепла на увеличение внутренней энергии рабочего тела для поддержания атмосферного давления на выхлопе при большем объеме. Изготавливая поверхности нагрева регенератора (общая поверхность капсул находящихся одновременно в регенераторе) достаточно большими и используя другие известные методы интенсификации теплопередачи, можно добиться значительного снижения температуры уходящих газов. Здесь температура уходящих газов не лимитируется процессом предварительного сжатия, а определяется только температурным напором в регенераторе, который можно сделать сколь угодно малым, увеличивая площадь теплообмена в регенераторе. Это позволит резко поднять КПД тепловых машин при уже достигнутых начальных температурах рабочего тела.

Понятие о компенсации за преобразование тепла в работу введено в термодинамику в связи с неправильным толкованием труда Карно. Во времена Карно ещё не существовало понятия регенерации тепла и поэтому было заострено внимание на необходимости передачи тепла холодному источнику. А главным в работе Карно является указание на наличие неравновесности системы для получения работы. Как показывается в первых 3-х главах, указанной в начале статьи работы, только наличие неравновесности позволяет получить за диссипативным порогом кооперативные потоки, а значит механическую энергию (техническую работу в трактовке термодинамики).

ЛИТЕРАТУРА:

1. Косарев А.В. Динамика эволюции неравновесных диссипативных сред. ИПК”Оренбурггазпромпечать”, 2001г.
2. Косарев А.В. Патент на изобретение RU №2154181 “Газотурбинная установка”. Бюл. №22 от 10.08.2000.
3. Путилов К.А. Термодинамика. Из-во “Наука”, 1971г.
4. Шнеэ Я.И. и др. Газовые турбины. Киев. Из-во “Высшая школа”, 1976г.

Защита интеллектуальной собственности и авторских прав Диспуты по темам изобретательства. Вопросы по изобретениям, проблемы на пути изобретателей и методы их решения. Патентование. Все о патентовании изобретений, полезных моделей, промышленных образцов и товарных знаков. Нерешенные задачи. Здесь идет обсуждение нерешенных задач: безопорный двигатель, вечный двигатель, преодоление гравитации и пр. Точные науки и дисциплины Дебаты по Теории Относительности Эйнштейна. Все кому не лень хотят опровергнуть Теорию Относительности Эйнштейна. Вам предоставляется слово для аргументации. Физика, астрономия, математические решения. Физико-математические вопросы, наблюдения, исследования, теории и их решение. Физика альтернативная. Новые взгляды на физические законы, теории, эксперименты, не вписывающиеся в общепринятые законы физики. Teхника, узлы, механизмы, электроника и аппаратура. Все про технику, приборы, детали, узлы и механизмы. Электроника, компьютеры, программное обеспечение. Новые технические решения в самых разных областях. Биология, Генетика, Все о жизни. Генетика и другие вопросы биологии. Их развитие. Медицина. Биотехнологии, агротехника и сельское хозяйство. Эволюционные теории и альтернативные им. Химия. Вопросы по химическим технологиям, разработкам и применению химических материалов. Химические элементы и их свойства. Геология, все о Земле и ее обитателях. Геология, метеорология, антропология, сейсмология, атмосферные явления и непознанные эффекты природы. Мозговой штурм Генератор решений. Здесь Вы можете заработать реальные деньги, помогая решать фирмам, предприятиям и частным лицам те или иные технические задачи, которые перед ними стоят. Те, кто ставят задачи перед участниками должны обозначить гонорар за ее решение и перевести указанную сумму на общий счет генератора. Головоломки. Если у Вас есть желание поломать голову над интересными логическими задачами - Вам сюда. Гипотезы. В этой теме идет обсуждение гипотез и предположений, основанных чисто на теории и логике. Найди ляп! Этот раздел для тех, кто хочет мысленно расслабиться. Он посвящен задачам по поискам ляпов, которые встречаются в литературе, интернете, кино и на телевидении. Взгляд в будущее и настоящее Глобальные темы. Вопросы касающиеся всех. Глобальные угрозы и злободневные темы современности. Наука и ее развитие. Все о развитии науки, направлениях и перспективах движения научной мысли и знаний. Новая Цивилизация. Принципы социального устройства новой цивилизации. Увеличение роли созидательного интеллекта... Отдалённые перспективы развития человечества... Вопросы без ответов. Этот раздел посвящен вопросам и проблемам, которые до сих пор не решены. Предлагайте свои решения. Военная стратегия и тактика современных боевых действий. Об особенностях современного военного искусства. Проблемные вопросы теории и практики подготовки вооруженных сил к войне, её планирование и ведение в различных конфликтах на планете. Гуманитарные науки и дисциплины Философские дискуссии. Диспуты по вопросам жизни, сознания, бытия и иных философских понятий. Экономика. Вопросы по экономике и о путях развития России и других стран. Социология, Политология, Психология. В этом разделе обсуждаются вопросы, как отдельных частных исследований данных наук, так и проблема соотношения этих наук с остальными. Образование. Все об образовании: как учить, кому учить, чему учить и кого учить. Религия и атеизм. Вопросы религий и атеистические взгляды, религиозные споры.

Назад