Тепловая энергия занимает особое место в человеческой деятельности, поскольку она используется во всех секторах экономики, сопровождает большинство промышленных процессов и жизнедеятельность людей. В большинстве случаев отработанное тепло теряется безвозвратно и без какой-либо экономической выгоды. Этот потерянный ресурс уже ничего не стоит, поэтому повторное его использование будет способствовать как уменьшению энергетического кризиса, так и защите окружающей среды. Поэтому новые способы преобразования тепловой в электрическую энергию и конверсия отработанного тепла в электричество сегодня как никогда актуальны.

Преобразование природных источников энергии в электричество, тепло или кинетическую энергию требует максимальной эффективности, особенно на газовых и угольных электростанциях, чтобы снизить объемы выбросов СО 2 . Существуют различные способы преобразование тепловой энергии в электрическую, зависящие от типов первичной энергии.

Среди ресурсов энергии уголь и природный газ используются для выработки электроэнергии путем сжигания (тепловая энергия), а уран путем ядерного деления (ядерной энергии), чтобы использовать энергию пара для вращения паровой турбины. Десять крупнейших стран производителей электроэнергии на 2017 год представлены на фото.

Таблица эффективности работы существующих систем преобразование тепловой энергии в электрическую.

Выбор метода преобразования тепловой энергии в электрическую и его экономическая целесообразность зависят от потребностей в энергоносителях, наличия природного топлива и достаточности площадки строительства. Вид генерации варьируется во всем мире, что приводит к широкому диапазону цен на электроэнергию.

Технологии преобразования тепловой энергии в электрическую, такие как ТЭС, АЭС, КЭС, ГТЭС, ТЭП, термоэлектрические генераторы, МГД-генераторы имеют разные преимущества и недостатки. Исследовательский институт электроэнергетики (EPRI) иллюстрирует плюсы и минусы технологий генерации на природных энергетических ресурсах, рассматривая такие критические факторы, как строительство и затраты на электроэнергию, на землю, требования к воде, выбросы CO 2 , отходы, доступность и гибкость.

Результаты EPRI подчеркивают, что при рассмотрении технологий производства электроэнергии нет единого подхода к решению всех проблем, но при этом все же больше преимуществ у природного газа, который является доступным для строительства, имеет низкую себестоимость электроэнергии, создает меньше выбросов, чем уголь. Однако не все страны имеют доступ к обильному и дешевому природному газу. В некоторых случаях доступ к природному газу находится под угрозой из-за геополитической напряженности, как это было в случае с Восточной Европой и некоторыми странами Западной Европы.

Технологии возобновляемых источников энергии, такие как солнечные фотоэлектрические модули производят эмиссионное электричество. Однако для них, как правило, требуется много земли, результаты их эффективности являются неустойчивыми и зависят от погоды. Уголь, основной источник тепла, является самым проблемным. Он лидирует по выбросам CO 2 , требует много чистой воды для охлаждения теплоносителя и занимает большую площадь под строительство станции.

Новые технологии направлены на снижение ряда проблем, связанных с технологиями производства электроэнергии. Например, газовые турбины, объединенные с резервным аккумулятором, обеспечивают резерв на случай непредвиденных обстоятельств без сжигания топлива, а периодически возникающие проблемы в области возобновляемых ресурсов могут быть смягчены за счет создания доступного крупномасштабного хранилища энергии. Таким образом, сегодня нет ни одного безупречного способа преобразования тепловой энергии в электрическую, который мог бы обеспечить надежную и экономически эффективную электроэнергию с минимальным воздействием на окружающую среду.

Тепловые электростанции

На ТЭС пар высокого давления и температуры, полученный от нагрева воды при сжигании твердого топлива (главным образом угля), вращает турбину, подключенную к генератору. Таким образом он преобразует свою кинетическую энергию в электрическую. Рабочие компоненты тепловой электростанции:

1. Котел с газовой топкой.
2. Паровая турбина.
3. Генератор.
4. Конденсатор.
5. Охлаждающие башни.
6. Циркуляционный водяной насос.
7. Насос подачи воды в котел.
8. Принудительные вытяжные вентиляторы.
9. Сепараторы.

Типовая схема представлена ниже.

Паровой котел служит для преобразования воды в пар. Этот процесс осуществляется путем нагрева воды в трубах с нагревом от сжигания топлива. Процессы горения непрерывно проводятся в камере сгорания топлива с подачей воздуха извне.

Паровая турбина передает энергию пара для вращения генератора. Пар с высоким давлением и температурой толкает лопатки турбины, установленных на валу, так, что он начинает вращаться. При этом параметры перегретого пара, поступающего в турбину, снижается до насыщенного состояния. Насыщенный пар попадает в конденсатор, а роторная мощность применяется для вращения генератора, вырабатывающего ток. Сегодня почти все паровые турбины представляют собой конденсаторный тип.

Конденсаторы - это устройства для преобразования пара в воду. Пар течет снаружи труб, а охлаждающая вода течет внутри труб. Такая конструкция называется поверхностным конденсатором. Скорость передачи тепла зависит от потока охлаждающей воды, площади поверхности труб и разности температур между водяным паром и охлаждающей водой. Процесс изменения водяного пара происходит при насыщенном давлении и температуре, в этом случае конденсатор находится под вакуумом, потому что температура охлаждающей воды равна внешней температуре, максимальная температура конденсата воды вблизи температуры наружного воздуха.

Генератор преобразует механическую энергию в состоит из статора и ротора. Статор состоит из корпуса, который содержит катушки, а магнитная полевая роторная станция состоит из сердечника, содержащего катушку.

По виду вырабатываемой энергии ТЭС делятся на конденсационные КЭС, которые производят электрическую энергию и теплоэлектроцентрали ТЭЦ, совместно выпускающие тепловую (пар и горячая вода) и электрическую энергию. Последние, имеют возможности преобразования тепловой энергии в электрическую с высоким КПД.

Атомные электростанции

АЭС используют тепло, выделяемое во время ядерного деления, для нагрева воды и производства пара. Пар используется для вращения больших турбин, которые генерируют электричество. При делении атомы расщепляются, образуя более мелкие атомы, высвобождая энергию. Процесс протекает внутри реактора. В его центре находится ядро, в котором содержится уран 235. Топливо для АЭС получают из урана, имеющего в своем составе изотоп 235U (0,7%) и неделящегося 238U (99,3 %).

Ядерный топливный цикл представляет собой серию промышленных этапов, связанных с производством электроэнергии из урана в ядерных энергетических реакторах. Уран - относительно распространенный элемент, который встречается во всем мире. Он добывается в ряде стран и обрабатывается до использования в качестве топлива.

Виды деятельности, связанные с производством электроэнергии, в совокупности относятся к ядерному топливному циклу по преобразованию тепловой энергии в электрическую на АЭС. Ядерный топливный цикл начинается с добычи урана и заканчивается удалением ядерных отходов. При переработке использованного топлива в качестве опции для ядерной энергии, его этапы образуют настоящий цикл.

Чтобы подготовить топливо для использования на АЭС, осуществляются процессы по добыче, переработке, конверсии, обогащению и выпуску твэлов. Топливный цикл:

1. Выгорание урана 235.
2. Шлакование - 235U и (239Pu, 241Pu) из 238U.
3. В процессе распада 235U расход его уменьшается, а из 238U при выработке э/энергии получаются изотопы.

Себестоимость твэлов для ВВР примерно 20 % себестоимости вырабатываемого электричества.

После того как уран проведет около трех лет в реакторе, используемое топливо может пройти еще один процесс использования, включая временное хранение, переработку и рециркуляцию до удаления отходов. АЭС обеспечивает прямое преобразование тепловой энергии в электрическую. Тепло, выделяемое во время ядерного деления в активной зоне реактора, используется для превращения воды в пар, который вращает лопасти паровой турбины, приводя в действие генераторы, вырабатывающие электричество.

Пар охлаждается, превращаясь в воду в отдельной структуре на силовой установке, называемой градирней, которая использует воду из прудов, рек или океана для охлаждения чистой воды паросилового контура. Затем охлажденную воду повторно используют для получения пара.

Доля выработки электроэнергии на АЭС, по отношению к общему балансу выработки их разных видов ресурсов, в разрезе некоторых стран и в мире - на фото ниже.

Принцип работы газотурбинной электростанции аналогичен работе паротурбинной электростанции. Единственное различие заключается в том, что на паротурбинной электростанции для вращения турбины используется сжатый пар, а в газотурбинной силовой установке - газ.

Рассмотрим принцип преобразования тепловой энергии в электрическую в газотурбинной электростанции.

В воздух сжимают в компрессоре. Затем этот сжатый воздух проходит через камеру сгорания, где образуется газовоздушная смесь, повышается температура сжатого воздуха. Эта смесь с высокой температурой и высоким давлением проходит через газовую турбину. В турбине она резко расширяется, получая кинетическую энергию достаточную для вращения турбины.

В газотурбинной электростанции вал турбины, генератор переменного тока и воздушный компрессор являются общими. Механическая энергия, создаваемая в турбине, частично используется для сжатия воздуха. Газотурбинные электростанции часто используются в качестве резервного поставщика вспомогательной энергии на гидроэлектростанции. Он генерирует вспомогательную мощность во время запуска гидроэлектростанции.

Конструкция газотурбинной электростанции намного проще, чем паротурбинная электростанция. Размер газотурбинной электростанции меньше, чем у паротурбинной электростанции. На газотурбинной электростанции нет котельного компонента, и, следовательно, система менее сложная. Отсутствует пар, поэтому не требуются конденсатор и градирня.

Проектирование и строительство мощных газотурбинных электростанций намного проще и дешевле, капитальные затраты и эксплуатационные расходы в значительной степени меньше стоимости аналогичной паротурбинной электростанции.

Постоянные потери на газотурбинной электростанции значительно меньше по сравнению с паротурбинной электростанцией, поскольку в паровой турбине силовая установка котла должна работать непрерывно, даже когда система не подает нагрузку в сеть. Газотурбинная электростанция может быть запущена практически мгновенно.

Недостатки газотурбинной электростанции:

1. Механическая энергия, создаваемая в турбине, также используется для запуска воздушного компрессора.
2. Поскольку основная часть механической энергии, создаваемой в турбине, используется для управления воздушным компрессором, общая эффективность газотурбинной электростанции не такая высокая, как эквивалентная паротурбинная электростанция.
3. Выхлопные газы в газотурбинной электростанции сильно отличаются от котла.
4. До фактического запуска турбины воздух должен быть предварительно сжат, что требует дополнительного источника питания для запуска газотурбинной электростанции.
5. Температура газа достаточно высока на газотурбинной электростанции. Это приводит к тому, что срок службы системы меньше, чем у эквивалентной паровой турбины.

Из-за более низкой эффективности газотурбинная электростанция не может использоваться для коммерческого производства электроэнергии, она обычно используется для подачи вспомогательной энергии на другие обычные электростанции, например, такие как гидроэлектростанция.

Термоэмиссионные преобразователи

Они также называются термоэлектронным генератором или термоэлектрическим двигателем, которые непосредственно преобразуют тепло в электричество, используя термоэмиссию. Тепловая энергия может быть преобразована в электроэнергию с очень высокой эффективностью через индуцированный температурой процесс электронного потока, известный как термоэлектронное излучение.

Основным принципом работы термоэлектронных преобразователей энергии является то, что электроны испаряются с поверхности нагретого катода в вакууме и затем конденсируются на более холодном аноде. После первой практической демонстрации в 1957 году термоэлектронные преобразователи энергии использовались с различными источниками тепла, но все они требуют работы при высоких температурах - выше 1500 К. В то время как работа термоэлектронных преобразователей энергии при относительно низкой температуре (700 К - 900 К) возможна, эффективность процесса, которая обычно составляет > 50%, значительно уменьшается, поскольку количество излучаемых электронов на единицу площади от катода зависит от температуры нагрева.

Для традиционных катодных материалов, таких как металлы и полупроводники, число испускаемых электронов пропорционально квадрату температуры катода. Однако недавнее исследование демонстрирует, что температура тепла может быть снижена на порядок при использовании графена в качестве горячего катода. Полученные данные показывают, что катодный термоэлектронный преобразователь на основе графена, работающий при 900 К, может достичь КПД 45%.

Принципиальная схема процесса электронной термоэлектронной эмиссии представлена на фото.

TIC на основе графена, где Tc и Ta - температура катода и температура анода, соответственно. Основываясь на новом механизме термоэлектронной эмиссии, исследователи предполагают, чтобы конвертер энергии катода на основе графена мог найти свое применение при повторном использовании тепла промышленных отходов, которое часто достигает температурного диапазона от 700 до 900 K.

Новая модель, представленная Ляном и Энгом, может принести пользу конструкции преобразователя энергии на основе графена. Твердотельные преобразователи энергии, которые в основном являются термоэлектрическими генераторами, обычно работают неэффективно в низкотемпературном диапазоне (с КПД менее 7%).

Утилизация отходов энергии стала популярной целью для исследователей и ученых, которые придумывают инновационные методы для достижения этой цели. Одним из наиболее перспективных направлений является термоэлектрические устройства на основе нанотехнологий, которые выглядят, как новый подход к экономии энергии. Прямое преобразование тепла в электричество или электричество в тепло известно, как термоэлектричество, основанное на эффекте Пельтье. Если быть точным, эффект называется именем двух физиков - Жана Пельтье и Томаса Зеебека.

Пельтье обнаружил, что ток, посылаемый в два разных электрических проводника, которые соединены на двух переходах, приведет к нагреву одного соединения, в то время как другое соединение охладится. Пельтье продолжил исследования, установил, что каплю воды можно заставить замерзнуть на стыке висмута-сурьмы (BiSb), просто изменив ток. Пельтье также обнаружил, что электрический ток может протекать, когда имеет место разность температур размещается поперек соединения разных проводников.

Термоэлектричество является чрезвычайно интересным источником электроэнергии из-за его способности преобразовывать тепловой поток непосредственно в электричество. Он представляет собой преобразователи энергии, которые легко масштабируются и не имеют движущихся частей или жидкого топлива, что делает их применимыми практически в любой ситуации, когда большое количество тепла, как правило, направляется в отходы, от одежды до крупных промышленных объектов.

Наноструктуры, используемые в материалах полупроводниковых термоэлементах, помогут поддерживать хорошую электропроводность и уменьшить теплопроводность. Таким образом, производительность термоэлектрических устройств может быть увеличена за счет использования материалов на основе нанотехнологий, с применением эффекта Пельтье. Они обладают улучшенными термоэлектрическими свойствами и хорошими поглощающими способность солнечной энергии.

Применение термоэлектричества:

1. Поставщики энергии и датчики в диапазонах.
2. Сжигающая масляная лампа, управляющая беспроводным приемником для удаленной связи.
3. Нанесение небольших электронных устройств, таких как MP3-плееры, цифровые часы, чипы GPS/GSM и импульсные счетчики с теплотой тела.
4. Быстро охлаждающие сиденья в роскошных автомобилях.
5. Уборка отработанного тепла в автомобилях путем преобразования его в электричество.
6. Преобразование отработанного тепла на заводах или промышленных объектах в дополнительную мощность.
7. Солнечные термоэлектрики могут быть более эффективнее, чем фотоэлектрические элементы для выработки электроэнергии, особенно в районах с меньшим солнечным светом.

Магнитогидродинамический генератор мощности генерируют электроэнергию посредством взаимодействия движущейся жидкости (обычно ионизированный газ или плазма) и магнитного поля. С 1970 года в нескольких странах были проведены исследовательские программы МГД с особым акцентом на использование угля в качестве топлива.

Основополагающий принцип генерации MHD-технологий элегантен. Как правило, электропроводящий газ образуется при высоком давлении путем сжигания ископаемого топлива. Затем газ направляется через магнитное поле, в результате чего внутри него действует электродвижущая сила в соответствии с законом индукции Фарадея (названным в честь английского физика и химика XIX века Майкла Фарадея).

Система МГД представляет собой тепловой двигатель, включающий расширение газа от высокого до низкого давления так же, как и в обычном газовом турбогенераторе. В системе МГД кинетическая энергия газа преобразуется непосредственно в электрическую энергию, так как ей разрешено расширяться. Интерес к генерированию МГД был первоначально вызван открытием того, что взаимодействие плазмы с магнитным полем может происходить при гораздо более высоких температурах, чем это возможно во вращающейся механической турбине.

Предельные характеристики с точки зрения эффективности в тепловых двигателях были установлена в начале XIX века французским инженером Сади Карно. Выходная мощность МГД-генератора для каждого кубического метра его объема пропорциональна продукту газопроводности, квадрату скорости газа и квадрату силы магнитного поля, через который проходит газ. Для того, чтобы МГД-генераторы работали конкурентоспособно, с хорошей производительностью и разумными физическими размерами, электропроводность плазмы должна быть в диапазоне температур выше 1800 К (около 1500 С или 2800 F).

Выбор типа МГД-генератора зависит от используемого топлива и применения. Обилие запасов угля во многих странах мира способствуют развитию углеродных систем МГД для производства электроэнергии.

Исследовать работоспособность тепловых машин решил молодой французский инженер Н.С.Карно. Его работа «Размышление о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824), в которой он сформулировал общий и абстрактный методы решения специальной задачи, вышла за пределы специального исследования, положив начало новой науке - термодинамике.

Анализируя механизм действия тепловых машин, Карно исходил из того, что для их работы нужно наличие разности температур и затем их выравнивание, так же, как для работы водяных машин необходима разность уровней воды. Поэтому «возникновение движущей силы обязано в паровых машинах не действительной трате теплорода, а переходу его от горячего тела к холодному, т.е. восстановлению его равновесия». Но определяет ли производимую машиной работу? Ведь возможен процесс выравнивания температур без всякой работы, как при непосредственном тепловом контакте. Для того чтобы работа производилась, нужен посредник, рабочее вещество, которое было бы способно отобрать теплоту у нагревателя (более горячего тела) при более высокой температуре и отдать ее холодильнику (более холодному телу) - при более низкой.

Карно рассмотрел идеальную машину, которая имела бы большую эффективность, чем любая реальная машина. Идеальна она потому, что в ней отсутствует внутреннее трение, а процесс характеризуется только двумя температурами.

Теорема Карно, доказанная в этой работе: эффективность любой тепловой машины, работающей при температурах причем меньше эффективности идеальной машины. Кар-

но не вычислял коэффициент полезного действия (КПД), но указал, что он пропорционален разности падения температур единицы теплорода:

Идеи Карно в течение 10 лет не вызывали интереса, пока Клапейрон не выпустил свою книгу (1834), в которой он дал анализ работы Карно, перевел ее на математический язык и несколько улучшил сам цикл Карно - заменил его другим, теперь общеизвестным циклом из двух адиабат и двух изотерм, называемый циклом Карно. Клапейрон впервые употребил графическое изображение обратимых круговых процессов и вычислил работу как соответствующую площадь на графике.

Превращение теплоты в работу для практических целей важно, как и превращение одного вида энергии в другой. Обратимся к схеме работы тепловой машины. В цилиндре машины помещается при атмосферном давлении вещество (газ), называемое рабочим телом. Повысим его температуру, не меняя давление, и газ должен расшириться. Поршень пере-

местится на расстояние х, причем он будет двигаться против внешнего давления атмосферы. Если площадь поршня равна s, то совершается работа против силы, равной ps, так как р - сила, приходящаяся на единицу площади. Поршень переместился на расстояние х, и работа на этом пути Здесь поставлен знак минус, так как работа совершается

газом, который отдает ее внешней среде, перемещаясь в направлении, противоположном приложенной силе. Поскольку произведение sx есть изменение объема газа и равна теплоте,

затраченной на нагревание газа.

Пусть газ под поршнем в цилиндре находится в равновесии с окружающей средой. Будем медленно выдвигать поршень из цилиндра, не нарушая равновесия в каждый данный момент и сохраняя постоянство температуры. Этот процесс соответствует эмпирическому закону Бой-ля - Мариотта: pV= const. Точка 7, представляющая состояние газа, перейдет на плоскости р, V - в точку 2. Если опять же медленно и при постоянной температуре сжимать газ, то точка 2 вернется в точку 1 , потому что изотермический процесс обратим. Существует и другой обратимый процесс в идеально теплоизолированном сосуде - адиабатический. Этот процесс тоже очень медленный, так что температура во время сжатия или расширения выравнивается во всех точках, но меняется в зависимости от объема:

Оба этих обратимых процесса, конечно, идеализированы, реальные процессы могут только приближаться к ним, поскольку всегда есть какие-то потери теплоты на теплоизоляцию, вязкость среды и т. п. Цикл Карно состоит из двух изотермических и двух адиабатических процессов, которые образуют на графике в координатах (р, V) криволинейный четырехугольник. Адиабаты идут круче изотерм, поэтому они образуют боковые линии, а изотермы - основания. Теплота подводится и отнимается при изотермическом процессе, поэтому верхняя изотерма отвечает расширению газа в тепловом контакте с нагревателем температуры Т 1 , а нижняя - сжатию при контакте с холодильником при температуре Т 2 . Пусть газ получает от нагревателя теплоту Q 1 ,а холодильнику отдает теплоту Q 2 . Тогда за весь цикл он получит теплоту Q = Q 1 - Q 2 , равную совершенной работе А. Отношение работы А к теплоте, полученной у нагревателя (с нагревателем связаны основные затраты, ведь это ему нужно топливо), называется коэффициентом полезного действия теплового двигателя: КПД =

Коэффициент полезного действия двигателя, таким образом, определяется разностью температур нагревателя и холодильника, деленной на температуру нагревателя:

На рис. 4.3 графически представлена совершенная работа при Q = А + Q 1 , Возможность построения машины без холодильника, т.е. с КПД = 1, которая могла бы превращать в работу всю теплоту, заимствованную у теплового резервуара, не противоречит закону сохранения энергии. По своему практическому значению она

не уступала бы перпетуум-мобиле, так как могла бы производить работу за счет почти неисчерпаемых запасов внутренней энергии, содержащихся в воде морей и океанов, в атмосфере и недрах Земли. Такую машину У.Оствальд назвал перпетуум-мобиле второго рода (в отличие от перпетуум-мобиле первого рода - вечного двигателя, производящего работу из ничего). Карно исходил из идеи невозможности вечного двигателя, опираясь на факты многочисленных опытов, которая была возведена в постулат, названный вторым началом термодинамики.

На основе термодинамики У. Томсон (впоследствии лорд Кельвин) предложил абсолютную шкалу температур (см. рис. 4.1). Он исходил из того, что КПД всех обратимых двигателей определяется только абсолютными температурами холодильника и нагревателя. Машина Карно может использоваться для градуировки шкалы, если закрепить точку таяния льда. Проведя цикл Карно между данным телом и тающим льдом и измерив соответствующие количества теплоты, можно из прямой пропорциональности количества теплоты и температур найти абсолютную температуру (в К). С 1954 г., по определению X Генеральной конференции по мерам и весам, температура тройной точки воды (точка равновесного сосуществования льда, воды и пара) считается равной (273,16 К) при давлении 6,09 гПа.

Можно ли повысить КПД за счет уменьшения температуры холодильника? Казалось бы КПД = 1 при Т 2 = 0, но все газы гораздо раньше начинают сжижаться, т. е. перестают быть газами, следовательно, абсолютный нуль температур недостижим. Это и составляет содержание третьего начала термодинамики, утверждающего, что нельзя охладить вещества до температуры абсолютного нуля посредством конечного числа шагов. Понимание этого начала требует представлений об атомном строении вещества, тогда как другие начала есть обобщение непосредственного опыта и не зависят ни от каких предположений. Но: можно ли повысить КПД за счет увеличения температуры нагревателя? По этому пути развивается вся теплотехника (плазменные двигатели, например, имеют температуру горячего вещества до ), но этим путем

повышение КПД происходит медленней, чем понижением Т 2 . А когда хотят понизить температуру холодильника, обычно забывают, что на это надо затратить работу хотя бы с помощью жид-

кого воздуха. В холодильных установках теплота отбирается от холодного тела и отдается горячему, но только за счет работы извне. Смысл второго начала термодинамики в том и состоит, что нельзя непрерывно получать работу, не имея резервуара энергии. Для Земли таким источником энергии является Солнце. На солнечной энергии работают и гидростанции, и солнечные батареи, и ветряные двигатели. Их работа не противоречит второму началу термодинамики. В 1851 г. Кельвин сформулировал второе начало иначе: «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара». Близкую формулировку дал Макс Планк: «Невозможно построить периодически действующую машину, единственным результатом которой было бы поднятие груза за счет охлаждения теплового резервуара». Поэтому иногда говорят: «Процесс Томсона - Планка невозможен». Клаузиус выдвинул второй постулат в таком виде: «Теплота не может самопроизвольно переходить от тела менее нагретого к телу более нагретому». Можно показать, что все эти варианты второго начала эквивалентны и вытекают один из другого.

Изобретение предназначено для использования в области энергетики, транспорта, авиации и космонавтики, где большую роль играет повышение экономичности тепловых машин. Способ преобразования тепловой энергии в механическую осуществляется путем использования двух разнородных тел в газовой фазе, их раздельного сжатия, раздельного подвода тепла к рабочим телам, смешения, адиабатического расширения смеси с получением механической работы, регенерации тепла, охлаждения и разделения смеси. Изобретение позволяет повысить КПД цикла и использовать низкопотенциальное тепло. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение предназначено для использования в области энергетики, транспорта, авиации и космонавтики, где большую роль играет повышение экономичности тепловых машин. Известен способ преобразования тепловой энергии в механическую, при котором сжатый в компрессоре воздух подают в камеру сгорания, где подводят теплоту в цикле при сжигании топлива, а образующиеся в ней продукты сгорания подают в парогазовый эжектор, в котором при их смешении с перегретым паром, образующимся в парогенераторе при подводе к воде теплоты и преобразуемым в активный поток ускорением в паровом сопле эжектора до достижения высокой скорости истечения, происходит увеличение скорости продуктов сгорания за счет передачи им кинетической энергии пара с последующим повышением давления продуктов сгорания в составе парогазовой смеси, которую расширяют в турбине, и через систему регенеративного подогрева воды, после отделения от парогазовой смеси продуктов сгорания, их удаляют из установки (см. патент РФ N 2076929, МПК F 01 К 21/04, 1997). Недостатком данного способа являются большие затраты теплоты на получение перегретого пара, использование громоздкой системы регенеративного подогрева воды и значительные потери при смешении в эжекторе. Известен способ преобразования тепловой энергии в механическую в замкнутом процессе с подводом тепла от сжигания твердого, жидкого или газообразного топлива или от другого источника, при котором инертный газ, например ксенон или CO 2 , сжимается в компрессоре, нагревается в газонагревателе и затем расширяется в первой газотурбинной ступени. Отработавшие, но еще обладающие энергией, газы попадают в смеситель, где они смешиваются с рабочей средой, например водой, или фреоном, или паром этой среды. Рабочая среда испаряется или перегревается. Смесь поступает во вторую газотурбинную ступень, где расширяется. Отработавшую смесь подают из второй газотурбинной ступени в конденсатор, причем благодаря конденсации одновременно вновь происходит разделение веществ. Газ поступает в компрессор, а рабочая смесь в сборник жидкости и через насос - в подогреватель или испаритель (см. заявку DE N 3605466, МПК F 01 K 21/04, 1987). Недостатком этого способа являются большие потери тепла и громоздкость применяемого оборудования. Из известных способов преобразования тепловой энергии в механическую (электрическую) наиболее близким является способ преобразования тепловой энергии в механическую путем использования двух разнородных рабочих тел, их раздельного сжатия, подведения тепла, смешения, адиабатического расширения смеси с получением механической работы, охлаждения и разделения смеси на рабочие тела (см. патент US, N 5444981, МПК F 01 K 21/04, 1995). В этом способе преобразования турбина извлекает полезную энергию при меньшем падении давления, чем потребовалось бы при использовании только одного рабочего тела. Однако указанный способ применим только для использования высокопотенциального тепла сжигания топлива в котле и имеет недостаточно высокий КПД цикла. Использование котла в качестве источника тепла и совместный подогрев смешанных рабочих тел предопределяют выбор в качестве рабочих тел паров воды и гелия, которые соответственно имеют недостаточно оптимальные теплофизические свойства в процессе преобразования тепловой энергии. Недостатком способа является также отсутствие процесса регенерации тепла. Задачей настоящего изобретения является повышение КПД цикла и получение возможности использования низкопотенциального тепла, например тепла солнца, тепла окружающей среды и др. Поставленная задача решается тем, что в способе преобразования тепловой энергии в механическую путем использования двух разнородных рабочих тел, их раздельного сжатия, подведения тепла, смешения, адиабатического расширения смеси с получением механической работы, охлаждения и разделения смеси на рабочие тела, согласно изобретению в качестве рабочих тел используют разнородные тела в газовой фазе (He - CO 2 , He - N 2 , Ar - CO 2 , H 2 - N 2 или их смеси), тепло к рабочим телам подводят раздельно, а после расширения смеси производят регенерацию тепла к первоначальным рабочим телам. Поставленная задача решается тем, что смешение рабочих тел осуществляют в газовом эжекторе со сверхзвуковым диффузором или пульсирующем газовом эжекторе. На чертеже приведена T-S диаграмма сжатия, нагрева, смешения, расширения смеси, регенерации тепла от смеси на вход к первоначальным газам, охлаждения и разделения газов. Процессы адиабатического раздельного сжатия 0-1 и 0-1" двух различных газов в диапазоне температур от T 0 до T 1 изображены пунктиром, так как они начинаются из одной точки с параметрами P 0 и T 0 , а заканчиваются в точках 1 и 1" из-за различия свойств применяемых газов. Газы сжимаются соответственно до давлений P 1 и P" 1 , и далее идут процессы изобарического раздельного подвода тепла 1-2 и 1"-2" от постороннего источника до температуры 2 . После подвода тепла газы смешиваются в газовом эжекторе - процесс 2 - P см - 2" при температуре T см = T 2 . Возможно повторное смешение смеси газов после эжектора с одним из рабочих тел для достижения оптимальных параметров рабочей смеси перед расширением. Смесь газов эжектора расширяется в процессе P см - P" см до температуры T" см с получением механической (электрической) энергии. В процессе P" см - P"" см происходит регенерация тепла (изобарический отвод тепла от смеси к первоначальным рабочим телам). При этом температура смеси снижается до T 1 . Процесс P"" см P 0 - адиабатический, замыкает термодинамический цикл, и смесь приобретает первоначальные параметры P 0 и T 0 . В точке 0 происходит охлаждение и разделение смеси на первоначальные компоненты с использованием энергии основного цикла. Способ преобразования тепловой энергии в механическую осуществляется следующим образом. Разнородные рабочие тела в газовой фазе, например He - CO 2 , He - N 2 , Ar - CO 2 , H 2 - N 2 или их смеси раздельно сжимаются до давлений P 1 и P" 1 и к ним раздельно подводится тепло, например тепло солнца, тепло окружающей среды или другое низкопотенциальное тепло (процесс 1-2 и 1"-2"). Затем нагретые рабочие тела смешиваются, например, в газовом эжекторе (точка P см). Наиболее предпочтительным является смешение рабочих тел в газовом эжекторе со сверхзвуковым диффузором. Смесь рабочих тел адиабатически расширяется до давления P" см с получением механической работы (или электрической энергии). В процессе P" см - P"" см происходит регенерация тепла. Тепло от смеси изобарически отводится и передается к первоначальным рабочим телам. Процесс P"" см - P 0 адиабатический, замыкает термодинамический цикл, и смесь приобретает первоначальные параметры P 0 и T 0 . В точке 0 происходит охлаждение и разделение смеси на первоначальные компоненты с использованием энергии основного цикла. Таким образом, в предлагаемом способе преобразования тепловой энергии в механическую (электрическую) осуществляется многоконтурный замкнутый термодинамический цикл, в котором разнородные рабочие тела после их сжатия и раздельного подвода тепла к ним попеременно то смешиваются, то разделяются после расширения смеси в турбине. Положительный эффект от применения такого цикла объясняется резким различием теплофизических свойств используемых газов в качестве рабочих тел и оптимальными параметрами и свойствами смесей, получаемых при смешении этих газов в эжекторе. Все это позволяет повысить термический КПД тепловой машины и использовать в качестве подогрева рабочих тел низкопотенциальное тепло окружающей среды (или солнечный нагрев).

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ преобразования тепловой энергии в механическую путем использования двух разнородных рабочих тел, их раздельного сжатия, подведения тепла, смешения, адиабатического расширения смеси с получением механической работы, охлаждения и разделения смеси на рабочие тела, отличающийся тем, что в качестве рабочих тел используют разнородные тела в газовой фазе (He - CO 2 , He - N 2 , Ar - CO 2 , H 2 - N 2 или их смеси), тепло к рабочим телам подводят раздельно, а после расширения смеси производят регенерацию тепла к первоначальным рабочим телам. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что смешение рабочих тел осуществляют в газовом эжекторе со сверхзвуковым диффузором.

Добавить сайт в закладки

Как происходит преобразование тепловой энергии в электрическую

Непосредственное преобразование тепловой энергии в электриче­скую можно осуществить, используя явления в контакте двух метал­лов или полупроводников, где действуют сторонние силы, которыми обусловлена диффузия заряженных частиц.

Величина контактной разности потенциалов зависит не только от свойств контактирующих материалов, но и от температуры контакта, так как с температурой связаны энергия свободных электронов и их концентрация.

Рассматривая замкнутую цепь из двух разных металлов (рис. 1а), можно убедиться в том, что при одинаковой темпера­туре контактов 1 и 2 электрический ток в цепи не получится, так как контактные разности потенциалов, определяемые формулой

U k = (A 1 – A 2) : e 0

в обоих контактах одинаковы, но направлены в противоположные сто­роны по цепи:

U k 1 - U k 2 = (A 1 – A 2) + (A 2 - A 1) : e 0 = 0

Если один из контактов, например 1, нагреть (t 1 > t 2), то равнове­сие нарушится - в контакте 1 появится дополнительный скачок потенциала, связанный с нагревом. В этом случае U k1 > U K2 . В цепи образуется термоэлектродвижущая сила (термо-э. д. с.), абсолютное значение которой пропорционально разности температур контактов:

E т = U Kl - U K2 = E 0 (t 1 - t 2),

где Е 0 - величина, зависящая от свойств металлов, образующих контакт.

Рисунок 1 . а) замкнутая цепь из двух разных металлов, б) цепь с измерителем термо-э. д. с.

Таким образом, термо-э. д. с. возникает в цепи, состоящей из раз­ных металлов, при разной температуре мест соединения.

Термо-э. д. с. в рассматриваемой цепи поддерживается благодаря нагреванию спая 1, т. е. при постоянном расходе тепловой энергии. В свою очередь, термо-э. д. с. является причиной электрического тока.

Однако концентрация свободных электронов в металлах велика и при переходе из одного металла в другой меняется очень мало. В связи с этим контактная разность потенциалов оказывается незначитель­ной и мало зависит от температуры. По этой причине металлические термоэлементы имеют очень малые э. д. с. (в спае платины и железа - 1,9 мВ при разности температур горячего и холодного спаев 100° С), а к. п. д. их не превышает 0,5%. Такие термоэлементы применяют для измерения температур (термопары).

Для этого в цепь термопары включается измеритель термо-э. д. с. - милливольтметр (рис. 1, 6). Термопара в этом случае является источником электрической энергии, а измерительный прибор - приемником.

Кроме контакта 1 основных металлов термопары между собой образуются контакты их с соединительными проводами (Рис. 1 - 2, 3). В этих контактах тоже имеются контактные разности потенциалов, но они не изменяют термо-э. д. с., если их температура поддерживается одинаковой.

При наличии произвольного числа контактов разных металлов сумма контактных разностей потенциалов в замкнутой цепи остается равной нулю, если все контакты имеют одинаковую температуру. В этом можно убедиться, составив уравнение, аналогичное вышеприведенному. Независимо от числа контактов, термо-э. д. с. пропорциональна разности температур более нагретого контакта и всех других контактов, находящихся при одинаковой температуре.

Рисунок 2. n,p- полупроводники.

В отличие от металлов, в полупроводниках при увеличении температуры сильно увеличиваются концентрации свободных электронов и дырок. Это свойство полупроводников позволяет получить более высокие термо-э. д. с. (до 1 мВ на 1° С разности температур) и к. п. д. термоэлементов до 7%.

Полупроводниковый термоэлемент состоит из двух полупроводников (п и р на рис. 2). Один из них имеет электронную, а другой дырочную электропроводность. При нагревании полупроводников в месте соединения их металлической пластинкой сильно увеличивается концентрация свободных носителей заряда. Поэтому в полупроводниках возникает диффузия их от горячего конца к холодному. В полупроводнике с электронной электропроводностью к холодному концу перемещаются электроны, в результате чего этот конец заряжается отрицательно. В другом полупроводнике к холодному концу перемещаются дырки, образуя положительный заряд. Возникшая разность потенциалов противодействует диффузии, и при некотором значении ее устанавливается равновесие сил электрического поля и сторонних сил, под действием которых идет процесс диффузии носителей заряда. Эта разность потенциалов и является термо-э. д. с. полупроводникового термоэлемента.

Если к холодным концам полупроводников подключить токопроводящий элемент, например, резистор, то образуется замкнутая цепь и электрический ток в ней.

Глава 14 Преобразователи тепловой энергии

Мы говорили про «океан энергии», окружающей нас. Этот океан энергии – эфир, явление поляризации которого нам известно, как электрическое поле. Вихревые явления в эфире мы воспринимаем, как магнитные поля. Мы показали в предыдущей главе методы использования электрических и магнитных явлений для создания источников энергии.

В Природе есть прекрасные образцы подобия, например, орбиты планет и орбиты электронов. Конечно, все намного сложнее, но для понимания сути вещей надо находить малое в большом, и видеть обратные соответствия. Эфирные явления, в том числе продольные волны в эфирной среде, легко анализируются по методу подобия с процессами в воздушной среде. Такие методы получения энергии, как использование тепловых движений молекул воздуха, позволяют понять и методы использования тепловой энергии эфира, поскольку температура эфира задает температуру воздуха. Рассмотрим тему подробнее.

Тепловая энергия воздуха есть один из вариантов рассеянного (низкопотенциального) тепла окружающей среды. Кроме воздуха, этот вид энергии содержится в воде, а также в земле (геотермальные источники). Преобразование этого вида энергии в полезную работу наиболее адекватно воспринимается при обсуждении различных конструкций источников энергии, не требующих топлива, так как нам понятен первичный источник. Существуют как механические, так и электронные устройства, способные работать в автономном режиме за счет преобразования тепла среды. Ранее, данную возможность теоретики отрицали, требуя наличия двух источников температуры для совершения полезной работы. Мы такие традиционные способы тоже рассматриваем. Это обычные тепловые насосы. Кроме этого, покажем несколько способов непосредственного отбора тепловой энергии у среды, а именно, использование и преобразование кинетической энергии движения молекул воздуха. Способы различные, как механические, так и современные технологии с использованием электромагнитных явлений и специальных материалов.

Конверсией тепловой энергии окружающей среды, в России, активно занимались П.К. Ощепков, А.Ф. Охатрин, Е.Г.Опарин и другие исследователи. Павел Кондратьевич Ощепков известен, как основатель российской радиолокации. В 1967 году Ощепков создал Общественный институт по проблеме энергетической инверсии, в Москве, при Комитете по рациональному использованию материальных ресурсов.

Ощепков писал: «Едва ли не самой дерзновенной мечтой человечества является овладение процессами естественного круговорота энергии в природе. Энергия также неуничтожима, как и несотворима, поэтому совершенно естественно, что процессы рассеяния энергии и процессы ее сосредоточения существуют в единстве. Есть люди, которые утверждают, что эта идея противоречит закону термодинамики. Это неверно. Второй закон термодинамики, оправдавший себя в тысячах и тысячах случаев, указывающий путь при решении многих научных и технических задач, – безусловно правильный закон для любой замкнутой системы. Оспаривать справедливость его для этих систем просто бессмысленно. Но в реальном мире абсолютно замкнутых систем нет. Мир бесконечен во времени и пространстве, и взаимодействие между материальными субстанциями происходит по более сложным законам, чем второе начало термодинамики. Открыть эти законы суждено науке грядущего. Использование процесса естественного круговорота энергии в природе на благо человечества не несет с собой угрозы перегрева поверхности Земли, так как оно не может изменить теплового баланса нашей планеты. Оно свободно и от радиоактивной опасности, от загрязнения атмосферы продуктами сгорания. Оно несет с собой несравнимое ни с чем изобилие энергии, составляющей главную основу жизни… Необходимость решения проблемы использования процессов естественного круговорота энергии в природе – это веление нашего времени».

Ощепков ввел термин «кэссор», обозначающий концентратор энергии окружающей среды. В литературе по данной теме, встречается сочетание «С-кэссор», обозначающее конденсаторный (емкостной) преобразователь тепловой энергии среды в электроэнергию.

Задачи, которые ставил Ощепков, выходят за рамки обычных тепловых насосов. «Энергетика будущего, на мой взгляд, это энергетика электронная. Она должна решить самую важную задачу – не просто брать тепло из окружающего пространства, но преобразовывать его в электроэнергию. В этом я вижу величайшую научнотехническую проблему современности. Научная и инженерно-конструкторская мысль ищут пути для ее решения». Сотрудники института Ощепкова, создали теорию, и выполнили расчеты по конструированию электронных установок для получения электрического тока в результате преобразования энергии окружающей среды. Созданы и работают несколько экспериментальных электронных установок, преобразующих энергию окружающей среды непосредственно в электрический ток. В специально созданных схемах из резисторов и особым образом обработанных полупроводниковых диодов (в них создан «грубый паллиатив» потенциального барьера) удалось создать устройство, в котором генерируется напряжение величиною более десяти вольт.

Ощепков писал: «На алтарь затратной экономики министерства и ведомства долгие годы приносили и продолжают приносить невосполнимые природные богатства – уголь, нефть, газ. Мало того, что их запасы на глазах истощаются, они и превосходное ценное сырье для химической промышленности. Их сжигают в топках электростанций, загрязняя атмосферу, что может вызвать, в конце концов, катастрофический «парниковый эффект», который с точки зрения опасности для человечества ученые ставят в один ряд с термоядерной катастрофой. Есть еще один парадокс традиционной технологии в энергетике – огромная энергия сначала производится в одном месте, а затем ее по дорогостоящим и не всегда надежным линиям электропередачи транспортируют нередко за тысячи километров к потребителю. Если это квартира, то… к лампочке. Не слишком ли сложно и расточительно? Все можно организовать иначе, проще, дешевле, надежнее, эффективнее. Пусть мощные энергосистемы обеспечивают электроэнергией крупные заводы и производства. Массового же потребителя, особенно в сельской местности Севера России и Сибири, можно снабдить мини-установками, преобразующими энергию среды в электричество мощностью один-два киловатта. Этого достаточно, чтобы обеспечить одну квартиру энергией для освещения, отопления и прочих нужд. Размер одной такой установки – не более настольной лампы. Если человечество хочет жить в гармонии с окружающей средой, оно должно сделать все, чтобы научиться получать энергию, не нарушая экологического равновесия в природе». Эти слова Профессора Ощепкова актуальны и сегодня, в 2012 году.

В журнале Техника Молодежи, № 11, 1983 год, была рассмотрена классификация основных методов инверсии тепловой энергии среды. Мы возьмем ее за основу, но дополним новыми методами.

Фотоинверсия. Известны свойства некоторых веществ (люминофоров) переизлучать падающий на них свет, но с иной, увеличенной длиной волны (так называемая «стоксова люминесценция»). Позднее были обнаружены случаи уменьшения длины волны переизлученного света, то есть увеличения энергии квантов (это так называемая «антистоксова люминесценция»). Прибавка к энергии квантов происходит здесь за счет трансформации собственной тепловой энергии люминофора в энергию люминесцентного излучения. Из-за отбора тепловой энергии люминофор охлаждается, и понижение его температуры компенсируется притоком теплоты из окружающей среды. Следовательно, энергетическая прибавка в люминесцентном излучении происходит, в конечном счете, путем концентрации тепловой энергии окружающей среды, и эта прибавка может быть очень значительной. Теоретически она может достигать 160 %, то есть люминофор может выдавать энергии на 60 % больше, чем получает ее в виде облучения. В настоящее время ведутся интенсивные работы по практическому применению этого эффекта (охлаждение объектов, люминесцентные мазеры, люминесцентное фотоумножение и прочее.).

Химическая инверсия. Энергетически открытые каталитические системы обладают способностью накапливать энергию, и существовать в неравновесном термодинамическом состоянии. Этот процесс возможен, благодаря сочетанию экзотермической реакции, протекающей на катализаторе, с эндотермической реакцией (охлаждения) катализатора. Эти, способные к самоподдержанию (и самовосстановлению) реакции, реализующиеся на поглощении рассеянной теплоты среды, открывают перспективы создания новых технологических процессов.

Существуют гальванические элементы, работающие на эндотермических реакциях. Энергия для протекания этих реакций отбирается от кристаллической решетки конструкции, в силу чего корпус элемента охлаждается (покрывается изморозью) и к нему непрерывно стекает (концентрируется) тепловая энергия окружающей среды. Следовательно, электрическая энергия в таком химическим источнике энергии, частично, обусловлена поглощением энергии окружающей среды.

Механоинверсия. Существуют различные способы использования кинетической энергии молекул воздуха. Эти устройства могут быть пассивные или активные, то есть струйные и потоковые технологии.

Гравинверсия. Поскольку гравитационное поле делает среду неоднородной, то это должно вносить «искажения» в термодинамический процесс выравнивания состояний, характеризуемый показателем возрастания энтропии.

Это обстоятельство отмечали еще Максвелл и Циолковский, которые высказали идею о том, что в атмосфере, под воздействием гравитационного поля, должен возникать вертикальный градиент температур. Циолковский предсказал, что указанный градиент должен зависеть от молекулярного состава газа.

Современная теория таких генераторов энергии подробно разработана Профессором В. Ф. Яковлевым, который рассчитал зависимость градиента температур от молекулярного состава газа. На основе этого эффекта им, совместно с Е. Г. Опариным, предложена идея принципиально нового генератора энергии, состоящего из двух труб, наполненных разными газами. рис. 205.

Рис. 205. Гравитационная инверсия тепловой энергии в схеме Яковлева – Опарина

Из схемы очевидно, что температура газов в двух трубках, в верхней части будет существенно отличаться друг от друга, и это можно использовать для получения энергии, к примеру, с помощью термоэлементов.

Термоинверсия. Рассмотрим поршневой двигатель, работающий на впрыскивании в камеру с цилиндром негорючего сжиженного газа (азот, гелий). Давление образующегося газа будет двигать поршень, при этом цилиндр будет охлаждаться, так как газ расширяется, а к нему устремится поток тепловой энергии из окружающей среды. Работа такого двигателя, в сумме, будет складываться не только из работы расширяющихся газов, но также и будет некоторая прибавка за счет использования тепловой энергии окружающей среды.

Электроинверсия. В данной области исследований, большие надежды П.К.Ощепкова были связаны с полупроводниковыми преобразователями тепла в электроэнергию. Существуют и другие методы. Николай Емельянович Заев запатентовал способ концентрации энергии окружающей среды путем использования свойств нелинейного конденсатора и нелинейного ферромагнетика. Мы рассмотрим их позже подробнее.

Покажем некоторые технологии и идеи по данной теме. Важное изобретение в области механической инверсии тепловой энергии, сделал автор из Санкт-Петербурга, Михаил Порфирьевич Бешок ([email protected]). Его статья «Энергия воздуха» опубликована в журнале «Новая Энергетика» № 1, 2003 год. В декабре 2010 мы общались по телефону, и он согласился открыто представить свою идею читателям данной книги. Суть его изобретения заключается в следующем: на поверхности пластины создается рельеф с размерами, порядка 1-10 длин свободного пробега молекулы воздуха (это размеры порядка элементов современных микросхем, около 500-50 нанометров). Другая сторона пластины имеет ровную поверхность, рис. 206. Цитирую Михаила Порфирьевича:

Рис. 206. Метод создания градиента давления воздуха

«Как известно из молекулярно-кинетической теории газов, молекулы воздуха хаотически (вне зависимости от скорости потока воздуха) движутся со скоростью 500 метров в секунду, при обычных условиях атмосферного давления и комнатной температуры. Масса одного кубического метра воздуха составляет более 1 кг. Нетрудно подсчитать, что в атмосфере содержится огромное количество энергии, ее можно было бы направить «на работу в турбину», но движение молекул воздуха хаотично, и принято считать, что энергия в такой среде может только поглощаться и рассеиваться, и процесс этот, якобы, необратимый. Действительно, в привычных мерках пространства и времени, молекулы движутся совершенно беспорядочно, количество их огромно, и процесс, сопровождающийся увеличением энтропии, в этом случае наиболее вероятен. Между тем, движение молекулы на участке «свободного пробега», в промежутке времени между столкновениями предстает как упорядоченное, линейное и предсказуемое. Среднее расстояние, которое преодолевает молекула за это время, составляет десятки нанометров.»

Отметим, что появившиеся в последние годы нанотехнологии позволяют конструировать требуемые элементы преобразователя энергии, имеющие микрорельеф, используя, например, нанотрубки. Микрорельеф порядка 100 нм – это несложная техническая задача и для изготовителя микросхем.

Далее, Михаил Порфирьевич рассматривает два случая, первый: пластину, обе стороны которой представляют собой абсолютно ровные поверхности и имеют площади S1 и S2 (рис. 206 слева наверху). В таком случае, на обе стороны пластины действуют силы, нормально направленные к пластине и численно равные суммарным импульсам. Эти импульсы передаются каждой из сторон ударяющимися молекулами воздуха. Так как суммарные импульсы пропорциональны площадям сторон, a они равны, то и силы равны. При такой ситуации нет разницы сил давления на пластину с двух сторон.

Другой вариант: предположим, что одна сторона пластины покрыта каким-либо рельефом, например, выполнена рельефной, рис. 206, внизу. При достаточно малых размерах рельефа поверхности, когда расстояние d меньше чем средняя длина свободного пробега молекулы, появляется фактор, нарушающий установленный выше баланс сил. Нормальное атмосферное давление равно примерно 1 кг на 1 квадратный сантиметр, и разница давлений в один процент уже довольно значительна. Предварительные, весьма приблизительные расчеты показывают, что разница давлений может составлять десятки процентов, то есть силу на уровне 100–400 грамм на 1 квадратный сантиметр. Разместив такие пластины на роторе, мы можем получить постоянное вращение ротора электрогенератора под нагрузкой.

Должен отметить, что в моем понимании, суть данной концепции не в том, чтобы создать разную площадь S1 и S2. Тема относится к конструированию такого нанорельефа поверхностей, который позволит создавать разное давление окружающей среды на пластину материала, одна сторона которой имеет микрорельеф. Этого результата можно добиться разными способами. Например, если хаотическое движение молекул окружающей среды, благодаря нанорельефу, становится упорядоченным, то изменяется относительная скорость молекул среды и пластины, с той ее стороны, где сделан микрорельеф. В таком случае, обеспечивается подъемная сила, но в отличие от известного эффекта Жуковского – Чаплыгина, сила действует на неподвижное «нанокрыло», находящееся в неподвижной среде, молекулы которой движутся.

Итак, задача решается либо путем частичного отбора кинетической энергии частиц окружающей среды, либо путем частичного упорядочивания их хаотического теплового движения. При охлаждении среды, возможен эффект появления тумана, конденсации атмосферных паров воды. В связи с этим, имеется интересная смысловая аналогия: мы говорим «парит», «парящий в высоте» о чем-то летающем в воздухе на одном месте. Возможно, это древнее слово отражает смысл забытых нами технологий.

Частичный отбор энергии у частиц, должен сопровождаться нагреванием наноэлементов, например, нановолосы будут нагреваться за счет их деформаций. Упорядочивание, то есть, ламинаризацию, мы уже ранее рассматривали в главе про молекулярный двигатель. Данный метод может быть разделен на два способа: создание за счет рельефа преимущественного вектора движения частиц вдоль поверхности пластины или перпендикулярно пластине. Соответственно, давление среды на пластину со стороны рельефа либо уменьшается, либо увеличивается.

Предлагаемый материал назван САМ – силовой активный материал, или САНМ – силовой активный наноматериал, поскольку его функции состоят в создании активной силы, действующей на пластину за счет разного давления окружающей среды на разные стороны пластины. Сила называется «активной» поскольку она не требует реактивного отброса массы. Мы решаем задачу создания движущей силы противоположным методом. В реактивных движителях рабочая масса получает импульс, и отбрасывается от движителя, сообщая ему соответствующий импульс. В активном движителе все наоборот: движитель получает импульс, равный импульсу, отбираемому от молекул окружающей среды. Закон сохранения импульса, при взаимодействии движителя и рабочей массы, разумеется, строго выполняется. Окружающая среда, при этом, охлаждается.

Эффект «нанокрыла» создает не только активную силу, но и соответствующие изменения в окружающей среде, в частности, ее охлаждение. Это обусловлено тем, что создаваемый макроимпульс пластины должен быть эквивалентен потере величины микроимпульсов частиц среды. В связи с этим, САМ – технология открывает качественно новые перспективы в автономной энергетике. Применение нанотрубок для развития данной концепции представляется наиболее перспективным, хотя и другие способы получения микрорельефа, включая бионанотехнологии, могут найти практическое применение.

Данный проект находится в стадии формирования новой компании, приглашаются инвесторы и специалисты в области нанотехнологий. Обращайтесь к автору книги.

В работе Михаила Порфирьевича, есть важное замечание о необходимости упругого столкновения с поверхностью пластины. Это обязательное условия передачи импульса. При рассмотрении его конструкции, мной было предложена аналогичная версия, но более простая, без микрорельефа. Предлагаемый метод показан на рис. 207. Пластина, одна сторона которой выполнена из материала, обладающего упругими свойствами при взаимодействии с молекулами воздуха, а другая сторона пластины покрыта материалом, который поглощает импульс удара молекул воздуха, деформируется, и частично, преобразует импульс в тепловую энергию. Благодаря разнице в модуле суммарного импульса слева и справа, пластина получит импульс движущей силы в сторону ее неупругой поверхности. В данной конструкции, неупругая поверхность пластины всегда будет теплее упругой поверхности. Тепло необходимо отводить во внешнюю среду, при большой мощности конструкции.

Рис. 207. Метод создания градиента давления воздуха

Механические приводы, сконструированные по данной технологии, могут использоваться не только в энергетике для создания крутящего момента, но также на транспорте, для создания подъемной и движущей силы любой величины, без затрат топлива.

Расчет силы, при 10 % асимметрии атмосферного давления на силовой активный материал (САМ) с разных сторон, дает величины силы около 1 тонны на 1 квадратный метр.

Пакет таких 100 пластин, каждая толщиной 5 мм, с зазором 5 мм, займет объем в один кубометр, и сможет поднять в воздух 100 тонн.

В связи с этим, можно вспомнить идеи Максвелла о возможности создания некоего механизма, разделяющего молекулы газа на медленные «холодные» и быстрые «горячие». Такой механизм и есть специальный рельеф, позволяющий без затрат получать градиент температуры.

Отметим, что данный принцип был мной показан, в том числе экспериментально, на конференции «Новые идеи в естествознании», 1996 год, Санкт-Петербург, доклад «Концепция гравитации», и позднее, в 1998 году, на конференции «Пространство, время и гравитация», Петергоф, Университет, Сборник Докладов, часть 1, 1999 год. В сокращенном виде, статья по данной теме была опубликована в американском журнале ELECTRIC SPACECRAFT, № 27, 1997 год.

Простейший эксперимент в пользу предлагаемой концепции, известен еще с 1935 года, и впервые был описан в журнале Popular Science, № 126, 1935 год, объяснение которого было сделано в моем докладе в 1996 году. На рис. 208 показаны результаты взаимодействия двух грузов, которые «разбегаются» от центральной точки, теоретически, имея одинаковый импульс.

Рис. 208. Эксперимент по демонстрации асимметричного взаимодействия

В моем эксперименте, в начальной позиции пружина сжата, а грузики удерживаются вместе ниткой. После разрушения нитки (пережигания), они движутся в разные стороны, примерно с одинаковым импульсом. Особенности взаимодействия грузиков с опорой состоят в том, что справа, на рис. 208, грузик взаимодействует упруго, а слева, жестко, с деформацией. Таким образом, в правой части создаются лучшие условия для передачи импульса грузика опоре, чем в левой части устройства, где энергия импульса частично преобразуется в тепло. В результате ненулевого суммарного импульса, все устройство смещается в сторону упругого взаимодействия. Эксперимент легко повторим, с одинаковым результатом. Проводить его лучше на плавающей платформе, или полированном столе.

Напомню, что важность упругого взаимодействия для обеспечения передачи импульса рабочего тела корпусу ротора, мы уже отмечали неоднократно, в том числе, при рассмотрении схемы на рис. 2. Подробнее, технология САМ рассмотрена в моей книге «Новые космические технологии» 2012 год. В ней даны расчеты для конструирования авиационного транспорта грузоподъемностью 1 миллион тонн, причем, не требующего топлива.

Мы отвлеклись на рассмотрение данного эксперимента для того, чтобы лучше понять условия работы устройства, предложенного ранее и показанного на рис. 207. Коммерциализация данного изобретения сводится к поиску оптимальных материалов упругого и неупругого покрытия пластин. Это не так просто, учитывая массу и кинетическую энергию молекулы воздуха, то есть величину импульса. Однако, несомненным преимуществом данного метода является низкая себестоимость и широкое применение, в том числе, для аэрокосмического транспорта. Детали можно обсудить при рассмотрении технического проекта по данной теме, при моем участии в роли разработчика. Предлагается лицензия.

Один из методов механической конверсии тепловой энергии среды, предложил Б.М. Кондрашов ([email protected]), в статье «Струйные энергетические технологии», журнал «Новая Энергетика». Автор пишет о «параллельном присоединения» дополнительных масс воздуха к стационарной реактивной струе газотурбинного двигателя, что происходит без дополнительных затрат энергии топлива за счёт «неуравновешенной силы внешнего давления на входной раструб (заборник) эжектора». Эти разработки относятся к технологиям «управляемого использования энергии атмосферы для выполнения работы», как пишут авторы данного изобретения.

Методы вовлечения атмосферного воздуха известны: пульсации активной струи создают периодическое разряжение среды (низкое давление) на входном патрубке эжекторной насадки. К данной области также относится открытие О.И. Кудрина: «Явление аномально высокого прироста тяги в газовом эжекционном процессе с пульсирующей активной струей». В своей статье, Кондрашов пишет: «Таким образом, за счет энергии атмосферы, преобразованной в процессе последовательного присоединения предыдущих периодов, осуществляется привод воздушного теплового насоса, при работе которого создаются условия для преобразования, в следующих периодах, низкопотенциальной энергии внешней газовой массы, находящейся в равновесном состоянии, в доступную для использования кинетическую энергию, высокопотенциальную теплоту и «холод» расчетной температуры.

В этом способе, отработавшая газовая масса холодная, и не содержит продуктов сгорания. Источники энергии – низкопотенциальная теплота атмосферного воздуха и гравитация, создающая статическое атмосферное давление (также как в природном стохастическом процессе). Условия для преобразования энергии атмосферы создаются при расширении сжатого воздуха, сжимаемого за счет части мощности, полученной в предыдущих периодах. Поэтому устройства, осуществляющие этот способ с использованием открытых термодинамических циклов, называются «атмосферные бестопливные струйные двигатели». Работы Б.М.Кондрашова подробно можно изучить по его патентам, № 2188960 RU F 02 C 3/32, 5/12 «Способ преобразования энергии в струйной установке (варианты), струйно-адаптивном двигателе и газогенераторе», и международная заявка на патент PCT/RU2002/000338 F 2 C 3/32 «Способ преобразования энергии в струйных двигателях» PCT WO2004/008180A1.

Теоретические основы данных процессов, также развивают авторы работ по «ламинаризации» турбулентных потоков воздуха, газов и другой среды. Другими словами, кинетическая энергия среды в турбулентном потоке, не может быть нами использована полностью, пока мы не обеспечим хотя бы частичное выравнивание векторов движения частиц потока, то есть «ламинаризацию потока».

Из книги Артиллерия автора Внуков Владимир Павлович

Глава вторая Незаменимый источник энергии

Из книги Чернобыль. Как это было автора Дятлов Анатолий Степанович

Глава 14. Использование атомной энергии И всё-таки не обойтись без высказывания мнения о приемлемости или неприемлемости использования атомных электростанций. Как-то на заданный вопрос о моем отношении к будущему АЭС в связи с Чернобыльской катастрофой и моей личной

Из книги Новые космические технологии автора

Глава 12 Антигравитация в генераторах свободной энергии Интересно отметить, что ряд ученых, изучающих методы извлечении энергии за счет преобразования свойств пространства – времени отмечают одинаковые особенности работы созданных ими экспериментальных конструкций,

Из книги Новые источники энергии автора Фролов Александр Владимирович

Глава 13 Твердотельные преобразователи энергии Рассмотрим несколько примеров генераторов энергии особой конструкции, в которых нет вращающихся частей конструкции, и при этом заявлена высокая эффективность. Обычно их называют «твердотельными» генераторами свободной

Из книги История электротехники автора Коллектив авторов

2. УЧЕТ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ И ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ НА ИСТОЧНИКЕ ТЕПЛОТЫ 2.1. Организация учета тепловой энергии и теплоносителя, отпущенных в водяные системы теплоснабжения2.1.1. Узлы учета тепловой энергии воды на источниках теплоты: теплоэлектроцентралях (ТЭЦ), районных тепловых

Из книги автора

3. УЧЕТ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ И ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ У ПОТРЕБИТЕЛЯ В ВОДЯНЫХ СИСТЕМАХ ТЕПЛОПОТРЕБЛЕНИЯ 3.1. Организация учета тепловой энергии и теплоносителя, полученных водяными системами теплопотребления3.1.1. В открытых и закрытых системах теплопотребления на узле учета тепловой

Из книги автора

4. УЧЕТ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ И ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ У ПОТРЕБИТЕЛЯ В ПАРОВЫХ СИСТЕМАХ ТЕПЛОПОТРЕБЛЕНИЯ 4.1. Организация учета тепловой энергии и теплоносителя, полученных паровыми системами теплопотребления4.1.1. В паровых системах теплопотребления на узле учета тепловой энергии и

Из книги автора

5. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ПРИБОРАМ УЧЕТА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ 5.1. Общие требования5.1.1. Узел учета тепловой энергии оборудуется средствами измерения (теплосчетчиками, водосчетчиками, тепловычислителями, счетчиками пара, приборами, регистрирующими параметры теплоносителя, и

Из книги автора

6. ДОПУСК В ЭКСПЛУАТАЦИЮ УЗЛА УЧЕТА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ НА ИСТОЧНИКЕ ТЕПЛОТЫ 6.1. Допуск в эксплуатацию узла учета источника теплоты осуществляется представителем Госэнергонадзора в присутствии представителей источника теплоты и тепловых сетей, о чем составляется

Из книги автора

7. ДОПУСК В ЭКСПЛУАТАЦИЮ УЗЛА УЧЕТА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ У ПОТРЕБИТЕЛЯ 7.1. Допуск в эксплуатацию узлов учета потребителя осуществляется представителем энергоснабжающей организации в присутствии представителя потребителя, о чем составляется соответствующий акт (прил. 4).

Из книги автора

8. ЭКСПЛУАТАЦИЯ УЗЛА УЧЕТА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ НА ИСТОЧНИКЕ ТЕПЛОТЫ 8.1. Узел учета тепловой энергии на источнике теплоты должен эксплуатироваться в соответствии с технической документацией, указанной в п. 6.1 настоящих Правил.8.2. За техническое состояние приборов узла учета

Из книги автора

9. ЭКСПЛУАТАЦИЯ УЗЛА УЧЕТА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ У ПОТРЕБИТЕЛЯ 9.1. Узел учета тепловой энергии у потребителя должен эксплуатироваться в соответствии с технической документацией, указанной в п. 7.1 настоящих Правил.9.2. Ответственность за эксплуатацию и текущее обслуживание

Из книги автора

11.2.2. УПРАВЛЯЕМЫЕ РТУТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ Важным качественным усовершенствованием ртутного выпрямителя стало появление управляющей сетки. Первоначальная (диодная) функция ртутных вентилей с повышением рабочих напряжений потребовала введения экранов, защищающих анод

Из книги автора

11.3.4. МОЩНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА Индукционный нагрев металлов (слитков, изделий) обусловлен выделением энергии в металле при протекании в нем токов, наведенных магнитной компонентой электромагнитного поля. Для создания поля необходим источник