RU2101521C1 - Method of and device for converting heat received by working medium of heat engine from heater, in particular, heat received from surrounding medium, into mechanical work - Google Patents
Method of and device for converting heat received by working medium of heat engine from heater, in particular, heat received from surrounding medium, into mechanical work Download PDFInfo
- Publication number
- RU2101521C1 RU2101521C1 RU95115490A RU95115490A RU2101521C1 RU 2101521 C1 RU2101521 C1 RU 2101521C1 RU 95115490 A RU95115490 A RU 95115490A RU 95115490 A RU95115490 A RU 95115490A RU 2101521 C1 RU2101521 C1 RU 2101521C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- working fluid
- temperature
- heater
- heat
- substance
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
Description
Способ и устройство для преобразования в механическую работу всего тепла, получаемого рабочим телом теплового двигателя от нагревателя, в частности, тепла, получаемого от вещества окружающей среды. Method and device for converting into mechanical work all the heat received by the working fluid of the heat engine from the heater, in particular, heat received from the environment.
Изобретение относится к теплоэнергетике, более конкретно, к способам преобразования тепловой энергии в механическую, и к устройствам для реализации этих способов. The invention relates to a power system, more specifically, to methods for converting thermal energy into mechanical energy, and to devices for implementing these methods.
Изобретение может быть использовано либо для создания новых видов тепловых двигателей, которые, получая тепло от традиционнных источников, обеспечат его преобразование в работу с коэффициентами полезного действия (КПД), большими чем в цикле Карно и близкими к 1, либо для создания устройств, представляющих новый класс источников даровой механической энергии, получаемой в результате преобразования в полезную работу тепла, отбираемого от вещества окружающей среды. The invention can be used either to create new types of heat engines, which, receiving heat from traditional sources, will ensure its conversion to work with efficiency factors (Efficiency) greater than in the Carnot cycle and close to 1, or to create devices representing a new a class of sources of free mechanical energy obtained as a result of conversion into useful work of heat taken from the environment.
Аналогами изобретения-способа являются известные способы преобразования тепла в работу, реализуемые с помощью тепловых двигателей циклического действия. Analogs of the invention-method are known methods of converting heat into work, implemented using cyclic heat engines.
Соответственно двигатель, реализующий конкретный известный способ преобразования тепла, является аналогом устройства, предлагаемого данным изобретением. Accordingly, an engine that implements a specific known method of converting heat is an analogue of the device proposed by this invention.
Описание способов-аналогов и реализующих эти способы устройств (тепловых двигателей) (книга "Техническая термодинамика" под редакцией В.И. Крутова, М. 1991 г. с. 278-305, или в книге С.В. Бальян "Техническая термодинамика и тепловые двигатели" Л. 1973 г. с. 107-117, 228-248). Description of analogue methods and devices (thermal engines) that implement these methods (the book "Technical Thermodynamics" edited by V.I. Krutov, M. 1991, pp. 278-305, or in the book by S.V. Balyan "Technical Thermodynamics and heat engines "L. 1973, pp. 107-117, 228-248).
Общими признаками способов-аналогов является то, что полезную работу совершают, расширяя рабочее тело, нагреваемое теплом, получаемым от нагревателя. Common signs of analogue methods is that they do useful work by expanding the working fluid heated by the heat received from the heater.
Замкнутность реализуемого термодинамического цикла обеспечивают, сжимая рабочее тело и отводя от него тепло при температурах (давлениях) более низких, чем в процессе расширения. Closedness of the thermodynamic cycle being implemented is ensured by compressing the working fluid and removing heat from it at temperatures (pressures) lower than during expansion.
Для реализации способов-аналогов необходимо наличие двух тепловых резервуаров с различными температурами (нагревателя и холодильника). To implement the analogue methods, two thermal tanks with different temperatures (heater and refrigerator) are required.
Совершение работы сопровождается передачей холодильнику части тепла, получаемого рабочим телом от нагревателя. Тепло, переданное холодильнику, теряется. The completion of the work is accompanied by the transfer to the refrigerator of the part of the heat received by the working fluid from the heater. The heat transferred to the refrigerator is lost.
Следствием существования этих потерь является невозможность полного преобразования известными способами тепла в работу и ограниченность достижимых КПД известных тепловых двигателей значениями КПД цикла Карно. The consequence of the existence of these losses is the impossibility of the complete conversion by known methods of heat into work and the limited achievable efficiency of known heat engines with the efficiency values of the Carnot cycle.
Необходимость иметь два тепловых резервуара делает невозможным использование способов-аналогов даже частичного преобразования в работу тепловой энергии, содержащейся в веществе окружающей среды, и эта невозможность, так же как ограниченность достижимых КПД, является одной из формулировок второго закона термодинамики (книга "Фейнмановские лекции по физике" Фейнман Р.П. Лейтон Р.Б. Сэндс. М. 1965 г. т. 4 с. 99-123). The need to have two thermal reservoirs makes it impossible to use analogue methods even to partially convert the thermal energy contained in the environment into work, and this impossibility, as well as the limited achievable efficiency, is one of the formulations of the second law of thermodynamics (the book "Feynman Lectures in Physics "Feynman R.P. Leighton R. B. Sands. M. 1965 v. 4 pp. 99-123).
Согласно общепринятым взглядам, невозможны процессы, обходящие ограничения второго закона термодинамики. Предлагаемое изобретение показывает, что справедливость этого утверждения не является абсолютной: практически полное преобразование тепловой энергии в механическую возможно. According to generally accepted views, processes that circumvent the limitations of the second law of thermodynamics are impossible. The present invention shows that the validity of this statement is not absolute: almost complete conversion of thermal energy into mechanical energy is possible.
Возможность такого преобразования обусловлена существованием замкнутого термодинамического цикла, на отдельных этапах которого рабочее тело представляет гетерогенную систему из конденсированной и газообразной фаз используемого вещества. В процессе возвращения рабочего тела в исходное состояние сжатию подвергают только газообразную фазу. Отвод тепла от рабочего тела осуществляют адиабатическим сжатием газообразной фазы до достижения температуры нагревателя, восстановлением теплообмена между сжимаемым веществом и нагревателем, изотермическим сжатием до начальной плотности. The possibility of such a transformation is due to the existence of a closed thermodynamic cycle, at some stages of which the working fluid represents a heterogeneous system of condensed and gaseous phases of the substance used. In the process of returning the working fluid to its original state, only the gaseous phase is compressed. Heat is removed from the working fluid by adiabatic compression of the gaseous phase until the temperature of the heater is reached, restoration of heat transfer between the compressible substance and the heater, isothermal compression to the initial density.
Один и тот же тепловой резервуар выполняет на разных этапах цикла функцию как нагревателя всего рабочего тела, так и холодильника для части гетерогенного рабочего тела, состоящей из вещества газообразной фазы. At the different stages of the cycle, the same thermal reservoir performs the function of both a heater of the entire working fluid and a refrigerator for a part of a heterogeneous working fluid consisting of a substance of the gaseous phase.
Такая организация цикла исключает передачу тепла от рабочего тела холодильнику (окружающей среде), а следовательно, и потери тепла в нем. Благодаря этому полная работа цикла оказывается равной количеству тепла, получаемому рабочим телом от нагревателя, и отличной от нуля. This organization of the cycle eliminates the transfer of heat from the working fluid to the refrigerator (the environment), and, consequently, the loss of heat in it. Due to this, the complete work of the cycle turns out to be equal to the amount of heat received by the working fluid from the heater, and non-zero.
Доказательство факта полного преобразования тепла в работу в предлагаемом способе является логическим следствием первого закона термодинамики. То обстоятельство, что следствие первого закона термодинамики не согласуется с формулировками второго закона, выявляет факт логического противоречия обоих законов и создает необходимость его объяснения. Вопрос о способе устранения обнаруженного противоречия остается открытым и к предмету данного изобретения не относится. The proof of the complete conversion of heat to work in the proposed method is a logical consequence of the first law of thermodynamics. The fact that the consequence of the first law of thermodynamics is not consistent with the wording of the second law, reveals the fact of a logical contradiction of both laws and creates the need for its explanation. The question of how to eliminate the detected contradiction remains open and does not apply to the subject of this invention.
Можно лишь заметить, что поскольку первый закон термодинамики, являясь законом сохранения энергии, не подлежит сомнениям (как и все выводимые из него следствия), то для устранения обнаруженного противоречия и согласования требований обоих законов может потребоваться либо уточнение формулировок второго закона, либо признание того, что они в их известной форме не являются универсальными в применении к конечным макроскопическим системам. You can only notice that since the first law of thermodynamics, being the law of conservation of energy, is not in doubt (as are all the consequences derived from it), then to eliminate the discovered contradiction and harmonize the requirements of both laws, it may be necessary to clarify the wording of the second law or recognize that that they, in their known form, are not universal when applied to finite macroscopic systems.
Прототипом изобретения-способа выбран способ, реализующий термодинамический цикл Отто ("Справочник по физике" Б.М. Яворский и А.А. Детлаф, М. 1964 г. с. 158), состоящий из изохорного нагрева и охлаждения и адиабатного расширения и сжатия рабочего тела. Прототипом устройства, для предложенного способа выбран общеизвестный четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, реализующий термодинамический цикл Дизеля (книга под ред. А.С. Орлина "Двигатели внутреннего сгорания". М. 1980 г. с. 8-43). The prototype of the invention-method is a method that implements the Otto thermodynamic cycle ("Physics Reference" B. M. Yavorsky and A. A. Detlaf, M. 1964, p. 158), consisting of isochoric heating and cooling and adiabatic expansion and compression working fluid. The prototype device for the proposed method is a well-known four-stroke internal combustion engine that implements the Diesel thermodynamic cycle (book edited by A.S. Orlin "Internal Combustion Engines." M. 1980, pp. 8-43).
Цели изобретения обеспечить пользователям экономию топливных ресурсов и уменьшить загрязнение окружающей среды продуктами сгорания сжигаемого топлива и отработанным теплом. The objectives of the invention to provide users with fuel savings and reduce environmental pollution by combustion products of combusted fuel and waste heat.
Эти цели будут достигнуты посредством реализации процесса практически полного преобразования тепловой энергии в механическую в работе тепловых двигателей, использующих предлагаемый способ. These goals will be achieved through the implementation of the process of almost complete conversion of thermal energy into mechanical energy in the operation of heat engines using the proposed method.
Изобретение-способ характеризуется следующими признаками:
1. Рабочее тело адиабатически расширяют из начального состояния в замкнутом термодинамическом цикле до достижения минимальной температуры цикла. Значения термодинамических параметров начального и конечного состояния вещества в процессе адиабатического расширения выбирают так, чтобы при минимальной температуре цикла рабочее тело представляло равновесную систему жидкости и насыщенного пара, а плотность жидкой фазы равнялась начальной плотности вещества.The invention is a method characterized by the following features:
1. The working fluid is adiabatically expanded from the initial state in a closed thermodynamic cycle until the minimum temperature of the cycle is reached. The values of the thermodynamic parameters of the initial and final state of the substance during adiabatic expansion are chosen so that at a minimum temperature of the cycle the working fluid represents an equilibrium system of liquid and saturated vapor, and the density of the liquid phase is equal to the initial density of the substance.
2. Отделяют при минимальной температуре цикла фазы рабочего тела друг от друга, сохраняя адиабатическую изоляцию вещества каждой фазы от внешней среды. 2. Separate at a minimum cycle temperature the phases of the working fluid from each other, while maintaining the adiabatic isolation of the substances of each phase from the external environment.
3. Адиабатически сжимают вещество газообразной фазы рабочего тела от состояния насыщенного пара при минимальной температуре цикла до достижения температуры нагревателя. 3. Adiabatically compress the substance of the gaseous phase of the working fluid from the state of saturated steam at a minimum cycle temperature until the heater temperature is reached.
4. Создают возможность теплообмена между сжатым веществом газообразной фазы и нагревателем и продолжают сжатие изотермически, передавая нагревателю тепло, отводимое от сжимаемого вещества. 4. Create the possibility of heat transfer between the compressed substance of the gaseous phase and the heater and continue to compress isothermally, transferring heat removed from the compressible substance to the heater.
5. Ликвидируют возможность теплообмена между веществом сжимаемой газообразной фазы и нагревателем после достижения начальной плотности. 5. Eliminate the possibility of heat exchange between the material of the compressible gaseous phase and the heater after reaching the initial density.
6. Создают возможность теплообмена между фазами рабочего тела и приводят их к тепловому равновесию в изохорном процессе при адиабатической изоляции всего вещества. 6. Create the possibility of heat transfer between the phases of the working fluid and lead them to thermal equilibrium in the isochoric process with adiabatic isolation of the whole substance.
7. Объединяют обе части рабочего тела в начальном объеме. 7. Combine both parts of the working fluid in the initial volume.
8. Создают возможность передачи тепла от нагревателя к рабочему телу и нагревают его в изохорном процессе от равновесной температуры до начальной температуры цикла. 8. Create the possibility of heat transfer from the heater to the working fluid and heat it in an isochoric process from equilibrium temperature to the initial temperature of the cycle.
9. Минимальную температуру рабочего тела в описанном термодинамическом цикле выбирают произвольно из интервала, ограниченного температурой плавления и критической температурой вещества рабочего тела. Выбор минимальной температуры однозначно определяет начальную плотность вещества (плотность равновесной жидкой фазы). 9. The minimum temperature of the working fluid in the described thermodynamic cycle is chosen arbitrarily from the interval limited by the melting temperature and the critical temperature of the working fluid. The choice of the minimum temperature uniquely determines the initial density of the substance (the density of the equilibrium liquid phase).
Начальную температуру рабочего тела в цикле и температуру нагревателя выбирают произвольно в интервале, границами которого являются выбранное значение минимальной температуры цикла и значение температуры, при котором плотность вещества, адиабатически сжимаемого из состояния насыщенного пара при минимальной температуре цикла, равна начальной плотности рабочего тела (фиг. 1). The initial temperature of the working fluid in the cycle and the temperature of the heater are chosen arbitrarily in the interval, the boundaries of which are the selected value of the minimum temperature of the cycle and the temperature at which the density of the substance adiabatically compressed from the saturated vapor state at the minimum temperature of the cycle is equal to the initial density of the working fluid (Fig. one).
Температура нагревателя должна быть больше или равна начальной. The temperature of the heater should be greater than or equal to the initial one.
10. При равенстве начальной температуры и температуры нагревателя возвращение рабочего тела в исходное термодинамическое состояние осуществляют сжатием газообразной фазы, как описано выше, изохорным нагревом жидкой фазы теплом нагревателя от минимальной температуры до начальной, объединением частей рабочего тела в начальном объеме. 10. If the initial temperature and the temperature of the heater are equal, the working fluid is returned to the initial thermodynamic state by compressing the gaseous phase, as described above, by isochoric heating of the liquid phase with the heat of the heater from the minimum temperature to the initial temperature, by combining the parts of the working fluid in the initial volume.
11. Для преобразования в работу тепла, отбираемого от вещества окружающей среды, начальную температуру цикла выбирают меньшей или равной температуре среды. 11. To convert the heat taken from the environment into the work, the initial temperature of the cycle is chosen less than or equal to the temperature of the medium.
12. Для преобразования в работу тепла, отбираемого от вещества окружающей среды, в качестве рабочего тела используют вещества, у которых критические температуры меньше температуры среды, например, азот, кислород, аргон, водород. 12. To convert heat taken from environmental matter into work, substances whose critical temperatures are lower than the temperature of the medium, for example, nitrogen, oxygen, argon, hydrogen, are used as a working fluid.
На фиг. 1 в координатах V-T показаны границы области двухфазных состояний вещества рабочего тела, образованная графиками зависимостей от температуры удельных объемов равновесных фаз насыщенного пара Vнп(T) (кривая 1) и жидкости Vж(T) (кривая 2), а также график адиабаты, проходящей через состояние насыщенного пара при минимальной температуре цикла (кривая 3). Из фиг. наглядно видно, как выбор минимальной температуры рабочего тела Tмин определяет пределы возможного изменения значений начальной температуры Tо и температуры нагревателя Tн.In FIG. 1, the VT coordinates show the boundaries of the region of two-phase states of the substance of the working fluid, which is formed by the temperature dependences of the specific volumes of the equilibrium phases of saturated vapor V np (T) (curve 1) and liquid V w (T) (curve 2), as well as the adiabatic graph, passing through a saturated vapor state at a minimum cycle temperature (curve 3). From FIG. it is clearly seen how the choice of the minimum temperature of the working fluid T min determines the limits of a possible change in the values of the initial temperature T about and the temperature of the heater T n .
На фиг. 2 показана V-T диаграмма описанного цикла. Процесс адиабатического расширения однородного рабочего тела из начального состояния представлен графиком адиабаты 1-2. Точка 2 находится на границе области двухфазных состояний. In FIG. 2 shows a V-T diagram of the described cycle. The process of adiabatic expansion of a homogeneous working fluid from the initial state is represented by a graph of adiabat 1-2.
В зависимости от выбора начальной температуры рабочее тело в точке 2 является либо насыщенным паром, либо жидкостью. Depending on the choice of the initial temperature, the working fluid at
Предварительный рисунок соответствует последнему варианту. The preliminary drawing corresponds to the last option.
Дальнейшее адиабатическое расширение рабочего тела приводит к разделению расширяемого вещества на равновесные фазы жидкости и насыщенного пара. Зависимость от температуры объемов равновесных фаз на втором этапе адиабатического расширения представлена кривая 2-3 (фаза жидкости) и 4-5 (фаза пара). Сжатие газообразной фазы от минимальной температуры до температуры нагревателя изображено графиком адиабаты 5-6. Процесс изотермического сжатия представлен отрезком 6-7. Состояние фаз рабочего тела в изохорном процессе установления равновесной температуры изображено отрезками 7-8 и 3-9. Процесс изохорного нагрева рабочего тела теплом нагревателя на завершающем этапе цикла, после установления теплового равновесия и объединения частей рабочего тела в начальном объеме, изображен отрезком 10-1. Further adiabatic expansion of the working fluid leads to the separation of the expandable substance into the equilibrium phases of the liquid and saturated vapor. The temperature dependence of the volumes of the equilibrium phases at the second stage of adiabatic expansion is represented by curve 2-3 (liquid phase) and 4-5 (vapor phase). The compression of the gaseous phase from the minimum temperature to the temperature of the heater is shown in the adiabatic graph 5-6. The isothermal compression process is represented by a segment of 6-7. The state of the phases of the working fluid in the isochoric process of establishing equilibrium temperature is depicted by segments 7-8 and 3-9. The process of isochoric heating of the working fluid by the heat of the heater at the final stage of the cycle, after establishing thermal equilibrium and combining the parts of the working fluid in the initial volume, is depicted by segment 10-1.
На фиг. 3 представлена T-S диаграмма цикла. In FIG. 3 shows a T-S cycle diagram.
На этой диаграмме: 1 график зависимости, связывающей удельную энтропию и температуру вещества рабочего тела в изохорном процессе при начальной плотности; 2, 3 графики удельных энтропий равновесных фаз жидкости и пара вещества рабочего тела; Tо, Sо параметры начального состояния; Tр, Sр параметры состояния после установления теплового равновесия между частями рабочего тела; Tкр, Sкр критические параметры.In this diagram: 1 is a graph of the relationship between the specific entropy and the temperature of the substance of the working fluid in an isochoric process at an initial density; 2, 3 plots of the specific entropies of the equilibrium phases of the liquid and vapor of the substance of the working fluid; T about , S about the parameters of the initial state; T p , S p state parameters after the establishment of thermal equilibrium between the parts of the working fluid; T cr , S cr critical parameters.
Отрезок 1-2 представляет процесс адиабатического расширения однородного вещества рабочего тела из начального состояния. Segment 1-2 represents the process of adiabatic expansion of a homogeneous substance of the working fluid from the initial state.
Точки 3, 4 характеризуют состояние равновесных фаз вещества при минимальной температуре цикла.
Отрезки 4-5 и 5-6 представляют процессы адиабатического и изотермического сжатия газовой фазы рабочего тела. Процесс установления теплового равновесия представлен участками изохоры 3-7 и 6-7. Изохорный нагрев вещества изображен участком изохоры 7-1. Segments 4-5 and 5-6 represent the processes of adiabatic and isothermal compression of the gas phase of the working fluid. The process of establishing thermal equilibrium is represented by sections of isochore 3-7 and 6-7. Isochore heating of the substance is depicted by the isochore section 7-1.
На фиг. 4 представлена схема устройства, реализующего предлагаемый способ. In FIG. 4 presents a diagram of a device that implements the proposed method.
На этой схеме 1 и 2 блоки цилиндров с рабочим телом, в которых находятся подвижные поршни, соединенные кривошипно-шатунными механизмами с общим коленчатым валом 3 и маховиком 4; на схеме приняты обозначения: 5, 6, 7 - резервуары, содержащие вещество рабочего тела, 8 нагреватель, 9 - теплопровод для передачи тепла от нагревателя к рабочему телу, 10 насос для перекачки жидкой фазы вещества между резервуарами, 11 трубопроводы для подачи в цилиндры и для удаления из них рабочего тела. In this diagram, 1 and 2 cylinder blocks with a working fluid, in which there are movable pistons connected by a crank mechanism with a
Стрелками на схеме показаны направления потоков вещества и тепла при работе устройства (сплошные линии потоки вещества рабочего тела, пунктирные потоки тепла). The arrows in the diagram show the directions of the fluxes of matter and heat during operation of the device (solid lines are the fluxes of the substance of the working fluid, dotted fluxes of heat).
На фиг. 5 представлена конструктивная схема простейшего варианта устройства, в котором блоки рабочих цилиндров 1 и 2 на фиг. 4 состоят каждый из одного цилиндра. In FIG. 5 is a structural diagram of the simplest embodiment of the device, in which the blocks of working
Элементами устройства, изображенного на фиг. 5, являются: 1 и 2 - цилиндры с рабочим телом, 3 коленчатый вал, 4 маховик, 5 резервуар с гетерогенным веществом рабочего тела, 6 и 7 резервуары с гомогенным веществом рабочего тела, 8 резервуар, заполненный веществом нагревателя, 9 - теплопровод, 10 насос для перекачки жидкой фазы вещества рабочего тела между резервуарами, 11 трубопровод, 12 вентиль (клапан), обеспечивающий возможность одностороннего движения вещества рабочего тела по трубопроводу, 13 вентиль, регулирующий величину теплового потока по теплопроводу, 14 - поршень, 15 шатун. Elements of the device depicted in FIG. 5 are: 1 and 2 - cylinders with a working fluid, 3 crankshaft, 4 flywheel, 5 reservoir with a heterogeneous substance of the working fluid, 6 and 7 reservoirs with a homogeneous substance of the working fluid, 8 a reservoir filled with heater material, 9 - a heat conduit, 10 a pump for pumping the liquid phase of the substance of the working fluid between the tanks, 11 pipeline, 12 valve (valve), providing the possibility of one-way movement of the substance of the working fluid through the pipeline, 13 valve, regulating the amount of heat flow through the heat pipe, 14 - piston, 15 connecting rod.
Контакт стенок цилиндра 2 с веществом нагревателя в резервуаре 8 обеспечивает возможность отвода тепла от рабочего тела в процессе изотермического сжатия его газообразной фазы. The contact of the walls of the
Примером, подтверждающим возможность реализации изобретения, являются результаты расчета значений термодинамических и энергетических параметров конкретного варианта описанного цикла при использовании в качестве рабочего тела азота (N2).An example confirming the possibility of implementing the invention are the results of calculating the values of thermodynamic and energy parameters of a particular variant of the described cycle when nitrogen (N 2 ) is used as a working fluid.
Данные о свойствах вещества взяты из книги Н.Б. Варгафтик "Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей" М. 1972 г. с. 433-477. Data on the properties of the substance are taken from the book of NB Vargaftik "Reference to the thermophysical properties of gases and liquids" M. 1972, p. 433-477.
В соответствии с изложенным выше, минимальную температуру цикла можно выбрать произвольно из интервала 63,15-126,25 K. In accordance with the above, the minimum cycle temperature can be chosen arbitrarily from the interval 63.15-126.25 K.
Например, при Tмин=100 K удельные объемы равновесных фаз вещества равны
Vж(Tмин) 0,04054 л/моль,
Vнп(Tмин) 0,8758 л/моль.For example, at T min = 100 K, the specific volumes of the equilibrium phases of a substance are
V W (T min ) 0,04054 l / mol,
V np (T min ) 0.8758 l / mol.
Воспользовавшись уравнением адиабаты для газа Ван-дер-Ваальса (см. книгу Л.Д.Ландау и Е.М. Лифшиц "Статистическая физика" М. 1964 г. с. 271), вычисляют оценку температуры Tмакс по формуле
где b=Vкр/3=0,03071 л/моль константа уравнения Ван-дер-Ваальса,
γ1,4 показатель адиабаты.Using the adiabatic equation for the van der Waals gas (see the book L.D. Landau and E.M. Lifshits, "Statistical Physics", Moscow, 1964, p. 271), the temperature estimate T max is calculated by the formula
where b = V cr / 3 = 0.03071 l / mol constant of the van der Waals equation,
γ1,4 adiabatic index.
Для указанных значений величин, входящих в формулу, Tмакс=594 K.For the indicated values of the quantities included in the formula, T max = 594 K.
Начальную температуру цикла выбирают из интервала возможных значений, задав величину давления Pо в начальном состоянии рабочего тела.The initial temperature of the cycle is selected from the range of possible values by setting the pressure value P о in the initial state of the working fluid.
Например, при Pо 5•102 бар Tо 151oK.For example, at
Адиабата, проходящая через начальное состояние, оканчивается на границе фазового равновесия между паром и жидкостью при температуре ≈117 K. The adiabat passing through the initial state ends at the boundary of the phase equilibrium between vapor and liquid at a temperature of ≈117 K.
Оценку доли вещества в фазе пара в конце процесса адиабатического расширения рабочего тела вычисляют по формуле
Для значений характерных температур выбранного варианта цикла
η(Tмин) ≈ 0,1
Оценку равновесной температуры, устанавливающейся после завершения процесса сжатия газовой фазы и объединения частей рабочего тела, вычисляют по формуле
Tp ≈ [1-η(Tмин)]•Tмин+η(Tмин)•Tн
Оценку удельного количества тепла, получаемого от нагревателя в процессе изохорного нагрева рабочего тела от равновесной до начальной температуры, вычисляют по формуле
где
For the characteristic temperatures of the selected cycle option
η (T min ) ≈ 0.1
An estimate of the equilibrium temperature that is established after the completion of the compression process of the gas phase and the union of the parts of the working fluid is calculated by the formula
T p ≈ [1-η (T min )] • T min + η (T min ) • T n
The estimate of the specific amount of heat received from the heater during isochoric heating of the working fluid from equilibrium to initial temperature is calculated by the formula
Where
Оценку удельного количества тепла, отводимого от вещества сжимаемой газовой фазы рабочего тела и передаваемого нагревателю, вычисляют по формуле
Оценку полного удельного количества тепла, получаемого рабочим телом в цикле, вычисляют по формуле
Оценку средней изохорной теплоемкости вычисляют по формуле
где Q•(T) удельная теплота испарения вещества рабочего тела.The estimate of the specific amount of heat removed from the substance of the compressible gas phase of the working fluid and transferred to the heater is calculated by the formula
The estimate of the total specific amount of heat received by the working fluid in the cycle is calculated by the formula
The estimate of the average isochoric heat capacity is calculated by the formula
where Q • (T) is the specific heat of vaporization of the substance of the working fluid.
Из приведенных формул видно, что:
при Tн, меньшем Tмакс, полное удельное количество тепла, получаемого в цикле рабочим телом, положительно. Поскольку цикл замкнут, то в соответствии с первым законом термодинамики qΣ равно удельной работе, совершенной рабочим телом.From the above formulas it is seen that:
at T n less than T max , the total specific amount of heat received in the cycle by the working fluid is positive. Since the cycle is closed, in accordance with the first law of thermodynamics q Σ is equal to the specific work performed by the working fluid.
Численная величина совершаемой работы является убывающей функцией произвольно выбранной температуры нагревателя. The numerical value of the work performed is a decreasing function of an arbitrarily selected temperature of the heater.
Поэтому оптимальным является вариант цикла, в котором Tн взято близким Tо.Therefore, the optimal option is a cycle in which T n is taken close to T about .
Вычисление для приведенных выше значений параметров дает:
При Tн=Tо=151 K qΣ144 кал/моль.Calculation for the above parameter values gives:
When T n = T o = 151 K q Σ 144 cal / mol.
Увеличение температуры нагревателя до Tн=280 K (значения близкого к средней температуре вещества окружающей среды) уменьшает удельную величину получаемого тепла (совершаемой работы) до qΣ63 кал/моль.An increase in the temperature of the heater to T n = 280 K (values close to the average temperature of the environmental medium) reduces the specific value of the received heat (work performed) to q Σ 63 cal / mol.
Описанный способ реализуется устройством, аналогами которого являются общеизвестные четырехтактные двигатели внутреннего сгорания, у которых в каждом рабочем цилиндре последовательно проходят процессы всасывания, сжатия, расширения и выброса вещества рабочего тела во внешнюю среду. The described method is implemented by a device, the analogues of which are well-known four-stroke internal combustion engines, in which the processes of absorption, compression, expansion and discharge of the substance of the working fluid into the external medium are successively carried out in each working cylinder.
Устройство, реализующее предлагаемый способ, состоит (фиг. 4) из двух блоков рабочих цилиндров 1 и 2, общего коленчатого вала 3 с маховиком 4, резервуаров 5, 6, 7, содержащих вещество рабочего тела, нагревателя 8, теплопровода 9, обеспечивающего возможность передачи регулируемого количества тепла от нагревателя к резервуару 6, насоса 10 для перекачивания вещества жидкой фазы рабочего тела из резервуара 5 в резервуар 6. A device that implements the proposed method consists (Fig. 4) of two blocks of working
В каждом цилиндре находится подвижной поршень, соединенный кривошипно-шатунным механизмом с коленчатым валом. In each cylinder there is a movable piston connected by a crank mechanism with a crankshaft.
Резервуары соединены с цилиндрами трубопроводами 11 и клапанами, обеспечивающими возможность подачи и удаления вещества из рабочих объемов цилиндров. The tanks are connected to the cylinders by
Блок цилиндров 1 предназначен для реализации адиабатических процессов предложенного термодинамического цикла. В блоке цилиндров 2 реализуется процесс изотермического сжатия рабочего тела с передачей нагревателю тепла, отводимого от сжимаемого вещества. The
Температура вещества в резервуаре 5 равна выбранной минимальной температуре цикла. Удельный объем вещества в резервуаре взят таким, что оно представляло равновесную систему фаз жидкости и насыщенного пара. The temperature of the substance in the
В резервуаре 6 температура и плотность (давление) вещества близки к значениям, выбранным для начального состояния. Передача по теплопроводу тепла от нагревателя к резервуару 6 обеспечивает реализацию процесса изохорного нагрева рабочего тела. In the
Блок цилиндров 2 находится в тепловом контакте и равновесии с нагревателем (при выбранной температуре Tн).The
Плотность вещества в резервуаре 7 равна плотности, достигаемой в конце процесса адиабатического сжатия газовой фазы рабочего тела. The density of the substance in the
Блоки цилиндров, резервуары и трубопроводы имеют теплоизоляцию, обеспечивающую поддержание необходимых температурных режимов. Cylinder blocks, tanks and pipelines are insulated to maintain the necessary temperature conditions.
Работа устройства происходит следующим образом. Когда в каком-либо из рабочих цилиндров блока 1 поршень находится в верхней крайней точке (при минимальном рабочем объеме), открывается впускной клапан, соединяющий через трубопровод рабочий объем цилиндра с резервуаром 6. The operation of the device is as follows. When in one of the working cylinders of
При дальнейшем движении поршня до момента закрытия впускного клапана в рабочий объем поступает вещество с термодинамическими параметрами начального состояния. With further movement of the piston until the intake valve closes, a substance with thermodynamic parameters of the initial state enters the working volume.
После закрытия впускного клапана, начинается процесс адиабатического расширения рабочего тела, который заканчивается когда поршень находится в нижней крайней точке. В этот момент открывается выпускной клапан, связывающий рабочий объем с резервуаром 5, в который вытесняется вещество при обратном ходе поршня. After closing the inlet valve, the process of adiabatic expansion of the working fluid begins, which ends when the piston is at the lower extreme point. At this moment, an exhaust valve opens, connecting the working volume with the
При повторном движении поршня от верхней крайней точки в рабочий объем всасывается через соответствующий трубопровод и клапан необходимое количество насыщенного пара из резервуара 5. When the piston moves again from the upper extreme point, the required amount of saturated steam from the
Процесс всасывания заканчивается при нижнем положении поршня и начинается процесс адиабатического сжатия газовой фазы рабочего тела, длящийся до достижения сжимаемым веществом температуры нагревателя. The suction process ends at the lower position of the piston and the process of adiabatic compression of the gas phase of the working fluid begins, which lasts until the compressible substance reaches the heater temperature.
В этот момент открывается клапан, связывающий рабочий объем с резервуаром 7, и сжатое вещество вытесняется в этот резервуар. Вытеснение длится до достижения поршнем верхнего положения, после чего цикл рабочих процессов повторяется. At this moment, a valve opens that connects the working volume with the
Аналогично протекает рабочий цикл в цилиндрах блока 2: при движении поршня от верхней крайней точки вещество поступает в рабочий объем из резервуара 7. The working cycle proceeds similarly in the cylinders of block 2: when the piston moves from the upper extreme point, the substance enters the working volume from the
Процесс заканчивается при нижнем положении поршня. При обратном ходе поршня в рабочем объеме происходит изотермическое сжатие вещества. The process ends when the piston is in the lower position. During the reverse stroke of the piston, isothermal compression of the substance occurs in the working volume.
В момент достижения начальной плотности открывается клапан, связывающий рабочий объем с резервуаром 6, и сжатое вещество вытесняется в него. Вытеснение заканчивается при верхнем положении поршня, после чего цикл повторяется. At the moment of reaching the initial density, a valve opens that connects the working volume with the
Постоянство массы вещества в резервуарах обеспечивается перекачкой необходимого количества жидкой фазы рабочего тела из резервуара 5 в резервуар 6 с помощью насоса 10. The constancy of the mass of the substance in the tanks is ensured by pumping the required amount of the liquid phase of the working fluid from the
Такая перекачка происходит одновременно с описанными выше процессами реализуемого термодинамического цикла, для чего конструктивно насос выполняют в виде отдельного рабочего цилиндра в блоке 1. При движении поршня цилиндра от верхней крайней точки из резервуара 5 всасывается жидкая фаза вещества, а при обратном движении она вытесняется в резервуар 6. Such pumping takes place simultaneously with the processes of the thermodynamic cycle being carried out above, for which the pump is structurally designed as a separate working cylinder in
Чтобы процессы подачи и забора вещества из резервуара не изменяли установленного температурного режима, масса вещества в резервуарах должна быть существенно больше массы, содержащейся в рабочих объемах цилиндров. So that the processes of supplying and withdrawing substances from the tank do not change the established temperature regime, the mass of the substance in the tanks should be significantly greater than the mass contained in the working volumes of the cylinders.
Передача преобразуемого в работу тепла от нагревателя к резервуару 6 обеспечивается наличием разности температур между ними. Стабильность процесса преобразования при фиксированных значениях характерных температур цикла поддерживают регулированием величины теплового потока. The transfer of heat converted to work from the heater to the
Если выбранное значение начальной температуры цикла превосходит температуру вещества окружающей среды, то получение полезной работы является итогом передачи нагревателю и последующего преобразования тепла, получаемого от сжигания топлива. If the selected value of the initial temperature of the cycle exceeds the temperature of the environment, then obtaining useful work is the result of transferring to the heater and subsequent conversion of the heat obtained from burning fuel.
Если начальная температура цикла меньше или равна температуре вещества среды, то само это вещество может выполнять функции нагревателя в описанном цикле и являться источником тепла, преобразуемого в полезную работу. If the initial temperature of the cycle is less than or equal to the temperature of the substance of the medium, then this substance itself can act as a heater in the described cycle and can be a source of heat, which is converted into useful work.
Приведенный выше пример показывает, что снижения характерных температур цикла достигают использованием в качестве рабочего тела вещества с низкой критической температурой. The above example shows that lowering the characteristic cycle temperatures is achieved by using a substance with a low critical temperature as a working fluid.
Полезная мощность описанного устройства определена максимальным значением рабочего объема цилиндра и длительностью рабочего цикла (двойным периодом оборота коленчатого вала). The useful power of the described device is determined by the maximum value of the working volume of the cylinder and the duration of the working cycle (double period of revolution of the crankshaft).
Приняв для этих параметров значения
V ~ 1 Λ; Δt ~ 2•10-2 сек,
характерные по порядку величин для существующих двигателей внутреннего сгорания, получают, что в устройстве, реализующем описанный термодинамический цикл с приведенными выше конкретными значениями параметров, в одном цилиндре задействовано ≈10 молей (≈300 г) вещества рабочего тела, при этом достижимая мощность составляет 130-300 кВт.Taking the values for these parameters
V ~ 1 Λ; Δt ~ 2 • 10 -2 sec,
characteristic of the order of magnitude for existing internal combustion engines, it turns out that in a device that implements the described thermodynamic cycle with the above specific parameter values, ≈10 moles (≈300 g) of the working substance are involved in one cylinder, while the achievable power is 130- 300 kW
Признаками, отличающими от аналогов описанное устройство, обеспечивающее реализацию предлагаемого способа, являются:
1. Наличие в устройстве резервуаров с веществом рабочего тела и насоса для перекачки жидкой фазы рабочего тела, обеспечивающих замкнутость потока вещества рабочего тела во время работы устройства.The signs that distinguish from analogues the described device that provides the implementation of the proposed method are:
1. The presence in the device of reservoirs with the substance of the working fluid and a pump for pumping the liquid phase of the working fluid, providing a closed flow of the substance of the working fluid during operation of the device.
2. Наличие теплопровода для передачи рабочему телу от нагревателя тепла, преобразуемого в поезную работу. 2. The presence of a heat conduit for transferring heat to the working fluid from the heater, which is converted into useful work.
3. Наличие рабочих цилиндров, в которых реализуется процесс изотермического сжатия газовой фазы вещества рабочего тела при температуре нагревателя с передачей ему тепла, отводимого от сжимаемого вещества. 3. The presence of working cylinders in which the process of isothermal compression of the gas phase of the substance of the working fluid is realized at the temperature of the heater with the transfer of heat from the compressible material to it.
Технико-экономическая эффективность изобретения обусловлена тем, что оно создает возможность использовать тепло, получаемое от сжигания топлива и предназначаемое для преобразования в механическую работу, с КПД в 2-3 раза большими, чем достижимые КПД применяемых в настоящее время тепловых двигателей. The technical and economic efficiency of the invention is due to the fact that it creates the ability to use the heat obtained from burning fuel and intended for conversion into mechanical work, with an efficiency of 2-3 times greater than the achievable efficiency of currently used heat engines.
Увеличение достижимых КПД в предлагаемом способе преобразования тепла в работу приведет при его реализации к соответственному сокращению расхода топлива и уменьшению загрязнения окружающей среды продуктами сгорания. Тепловые загрязнения среды, неустранимые при работе существующих тепловых двигателей, будут ликвидированы практически полностью. The increase in achievable efficiency in the proposed method of converting heat into work will lead, when implemented, to a corresponding reduction in fuel consumption and a decrease in environmental pollution by combustion products. Thermal pollution of the environment that cannot be eliminated by the operation of existing heat engines will be eliminated almost completely.
Возможный размер экономии от сохранения ресурсов топлива и от улучшения экологической обстановки в результате широкой замены используемых тепловых двигателей устройствами, реализующими предлагаемое изобретение, должен быть значителен. The possible size of the savings from saving fuel resources and from improving the environmental situation as a result of the widespread replacement of the used heat engines with devices that implement the invention should be significant.
Еще большей будет эффективность изобретения в результате создания и внедрения устройств, реализующих процесс преобразования в полезную работу тепла, отбираемого от вещества окружающей среды. The effectiveness of the invention will be even greater as a result of the creation and implementation of devices that implement the process of conversion into useful work of heat taken from the environment.
Создание таких устройств приведет к появлению новых типов источников даровой механической энергии, оптимальных по экономичности и экологической чистоте. Приведенная оценка мощности одного из таких источников показывает, что они могут широко использоваться как в стационарных, так и в транспортных энергетических установках. The creation of such devices will lead to the emergence of new types of sources of free mechanical energy, optimal in terms of efficiency and environmental friendliness. The given power rating of one of such sources shows that they can be widely used both in stationary and in transport power plants.
Преимущества предлагаемых устройств перед известными источниками даровой энергии (гидротехническими, ветровыми, солнечными, геотермальными и т.д.) будут состоять в большей удельной (на единицу объема) мощности и в независимости их работоспособности от географических, погодных, временных, климатических или каких-либо других условий. The advantages of the proposed devices over the known sources of free energy (hydraulic, wind, solar, geothermal, etc.) will consist in a larger specific (per unit volume) power and in the independence of their operability from geographical, weather, temporary, climatic or any other conditions.
Отмеченные качественные особенности предлагаемых устройств, преобразующих в полезную работу тепло, отбираемое от вещества окружающей среды, создают возможность применения этих устройств для радикального решения проблем, возникающих из-за ограниченности топливно-энергетических ресурсов и неэкологичности известных используемых источников тепла. The noted qualitative features of the proposed devices that convert heat taken from the environment into useful work make it possible to use these devices to radically solve problems arising from the limited fuel and energy resources and non-environmental friendliness of the known heat sources used.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU95115490A RU2101521C1 (en) | 1995-09-01 | 1995-09-01 | Method of and device for converting heat received by working medium of heat engine from heater, in particular, heat received from surrounding medium, into mechanical work |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU95115490A RU2101521C1 (en) | 1995-09-01 | 1995-09-01 | Method of and device for converting heat received by working medium of heat engine from heater, in particular, heat received from surrounding medium, into mechanical work |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU95115490A RU95115490A (en) | 1996-08-20 |
| RU2101521C1 true RU2101521C1 (en) | 1998-01-10 |
Family
ID=20171814
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU95115490A RU2101521C1 (en) | 1995-09-01 | 1995-09-01 | Method of and device for converting heat received by working medium of heat engine from heater, in particular, heat received from surrounding medium, into mechanical work |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2101521C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005068805A1 (en) * | 2004-01-20 | 2005-07-28 | Valerii Ivanovich Grebennikov | Method for effective thermal energy conversion |
-
1995
- 1995-09-01 RU RU95115490A patent/RU2101521C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 1. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. - М., 1964, с. 158. 2. Орлин А.С. Двигатели внутреннего сгорания. - М., 1980, с. 8 - 43. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005068805A1 (en) * | 2004-01-20 | 2005-07-28 | Valerii Ivanovich Grebennikov | Method for effective thermal energy conversion |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU95115490A (en) | 1996-08-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Angulo-Brown et al. | Compression ratio of an optimized air standard Otto-cycle model | |
| EP2406485B1 (en) | Heat engine with regenerator and timed gas exchange | |
| Şahi̇n et al. | Maximum power density for an endoreversible Carnot heat engine | |
| Lior et al. | Second-law analysis of an ideal Otto cycle | |
| RU2101521C1 (en) | Method of and device for converting heat received by working medium of heat engine from heater, in particular, heat received from surrounding medium, into mechanical work | |
| Zhao et al. | Performance analysis and parametric optimum design of an irreversible Diesel heat engine | |
| RU2432474C2 (en) | Reciprocating internal combustion engine operation method | |
| CN104533604B (en) | A kind of engine exhaust heat recovery system based on Piston Expander | |
| RU2355900C2 (en) | Method for heat energy conversion | |
| Topgül | Design, manufacturing, and thermodynamic analysis of a gamma-type stirling engine powered by solar energy | |
| RU68067U1 (en) | HEAT ENGINE (OPTIONS) | |
| Prasad | Steam engine characteristics and theoretical performance | |
| Ge et al. | Performance of reciprocating Brayton cycle with heat transfer, friction and variable specific heats of working fluid | |
| Peterson | Thermocompression engine cycle with isothermal expansion | |
| RU2005900C1 (en) | Stirling engine | |
| RU162044U1 (en) | STIRLING ENGINE WITH ADJUSTABLE OUTPUT POWER | |
| US20100269502A1 (en) | External combustion engine | |
| Ebrahimi | Engine speed effects on the characteristic performance of Otto engines | |
| Gaponenko et al. | Mathematical modeling of the Stirling engine in terms of applying the composition of the power complex containing non-conventional and renewable energy | |
| Gaponenko et al. | Optimization of Stirling engine operation based on mathematical modeling | |
| Perminov et al. | Thermodynamic cycle with two-component working fluid | |
| Arabacı | Thermodynamic analysis of endoreversible six-stroke Otto cycle with respect to equivalence ratio, residual gas fraction and mean piston speed | |
| EP0078849A1 (en) | Regenerator structure for stirling-cycle, reciprocating, thermal machines. | |
| Stoica et al. | Flash boiling steam engine | |
| JP2005522628A (en) | External combustion engine |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20080902 |