Альтернативная энергетика - новый вид

0 Пользователей и 1 Гость просматривают эту тему.

николай залепа

  • Гость
Advertisement
НОВЫЙ АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ
           
          Основу существующей теплоэнергетики составляют высокотемпературные источники тепла (уголь, нефть, природный газ и уран). 
           Альтернативой высокотемпературной энергетике реально является гидроэнергетика, энергия ветра, волн, приливов и солнца, но пока нет тепловых двигателей использующих тепло низкотемпературных источников.
Ветры, ураганы, смерчи, морские и океанские течения, перенос влаги облаками и т.д., как метеорологические явления,  – результат вечной циркуляции (тепловой конвекции) воздуха и воды. Эта циркуляция происходит в условиях поля земного тяготения при сравнительно небольшой разности температур между нагретыми и холодными объёмами воздуха или воды.               
         Образно говоря, метеорологические двигатели на земле работают на тепле с низкотемпературным перепадом, а  источником этого тепла  является солнце и тепло земных недр. При конвекции силы объёмного расширения воздуха и воды легко преодолевают силу земного тяготения. Если бы земное тяготение было в несколько раз больше существующего, то и метеорологические явления были бы намного мощнее.
Суть нашего альтернативного способа получения электроэнергии заключается в создании с помощью неподвижного теплообменника (см. рис.1) тепловой циркуляции рабочего тела с низкотемпературным перепадом в условиях искусственного поля тяготения  намного превышающего земное. В качестве рабочего тела мы выбрали сжиженный углекислый газ.
 Способ запатентован.
 
   
                                                 

                                               Работа теплообменника

      Теплоноситель подводится к верхней части неподвижного теплообменника 1 по проточной камере 4. В теплообменнике 1 вращающийся барабан 2 с лопастями 3 заставляет вращаться рабочее тело в зазоре между стенками теплообменника 1 и ротора 2 со скоростью w. При вращении на объемы рабочих тел в радиальных участках зазора будут действовать центробежные силы Fх и Fн.
       Поскольку в нижние радиальные участки зазора теплообменника 1 поступает холодное рабочее тело с более высокой плотностью (с большей массой) по сравнению с плотностью (с меньшей массой) в верхних, нагреваемых участках, то центробежные силы Fх будут больше Fн. Под действием разности центробежных сил    (∆F = Fх – Fн) нагретое рабочее тело  под давлением будет выжиматься из  теплообменника 1.
        А так как  вращающийся поток является симметричным и равноудаленным от оси вращения, а сечения входного и выходного каналов теплообменника 1 одинаковые, то работа барабана 2 в режиме центробежного насоса по законам механики исключена (масса жидкости, идущей от центра вращения равна массе приходящей к центру вращения). Разность центробежных сил  ∆F  -  результат теплового расширения рабочего тела при его нагревании.                       
        Моменты от сил Кориолиса в радиальных каналах уравновешивают друг друга.
С точки зрения механики барабан 2 совместно с рабочим телом представляет собой маховик, вращающийся с постоянной угловой скоростью. В этом случае энергия привода барабана будет расходоваться только на преодоление сил трения рабочего тела о стенки теплообменника и в подшипниках вала 5 барабана 2 (на рисунке подшипники непоказаны).

                                        Общее устройство установки.

         На рис.2 изображён один из вариантов компоновки установки с описанным выше узлом теплообменника и  с учётом того, что углекислота в жидком состоянии может находиться только под давлением до 75 атм.
       По этой причине узел теплообменника соединён с замкнутым герметичным контуром 6, в который входят два расширителя 10, 11 и радиатор 8. Внутри контура 6 установлен гидромотор 12.
        Подача теплоносителя к теплообменнику 1 и охладителя к радиатору 8  осуществляется соответственно через проточные камеры 4 и 9.
      В расширителе 10, кроме газа под давлением, помещён электродвигатель 13, соединённый с валом 5 барабана 2, а в расширителе 11 – электрогенератор 14, соединённый с валом 7 гидромотора 12.
Подвод тока к электродвигателю 13 и отвод тока в сеть от электрогенератора 14 производится проводами, проходящими через уплотнители 15 в стенках расширителей 10 и 11.   
   Предложенная компоновка установки с двумя расширителями 10 и 11 обеспечивает не только  надежность герметизации углекислоты в контуре 6, но так же исключает её контакт с подшипниковыми узлами валов 5 и 7, не препятствуя осуществлению замкнутых термодинамических циклов (циркуляции)  рабочего тела.
                                             
                                              Работа установки

      Электродвигателем 13 раскручивается барабан 2 в теплообменнике 1, к которому через проточную камеру 4 подводится теплоноситель.
      На выходе из теплообменника, как было доказано выше, давление нагретого рабочего тела будет больше чем холодного на входе, эта разность давлений в десятки атмосфер и вызывает циркуляцию рабочего тела в контуре 6.
      Перед гидромотором 12 давление углекислоты будет равняться Р атм., а после – Р1 атм.  Так как Р> Р1 , то гидромотор 12 начнёт вращать посредством вала 7 электрогенератор 14 с угловой скоростью w1 .
После гидромотора 12 рабочее тело направляется в радиатор 8 для охлаждения охладителем, движущимся по проточной камере 9. После радиатора 8  охлаждённое рабочее тело снова поступает в теплообменник 1, совершая тем самым замкнутый термодинамический цикл. Всё происходит так, как и  требуется по второму закону термодинамики.
      
                                                Почему в качестве рабочего тела выбран сжиженный СО2?
        Как известно, величина центробежной силы зависит не только от квадрата угловой скорости и радиуса, но и от массы тела, а, значит, и от его плотности.
 
      Сжиженный СО2 обладает свойством резкого изменения плотности при перепадах
температур в пределах существующих в естественных земных условиях (см. график зависимости плотности жидкого СО2 от температуры на рис. 3).
Чем больше разность плотностей рабочего тела в радиальных каналах теплообменника, тем меньше требуется угловая скорость вращения барабана для получения требуемого давления рабочего тела на выходе из теплообменника.
В этом случае будет и меньше давление на стенки теплообменника, если учитывать тот факт, что углекислота в контуре сама по себе должна находиться под  давлением до 75 атмосфер, а сам теплообменник должен изготавливаться из сплавов с  высокой теплопроводностью. Такими  сплавами являются сплавы на основе Сu или Al, имеющие меньшую прочность, чем стали. Кроме этого, для нагревания углекислоты требуется меньше тепла, так как её удельная теплоёмкость  С = 2, 7 кДж/кг*град, для сравнения: теплоемкость воды С = 4,187 кДж/кг*град. Углекислота пожаробезопасная, неядовитая и дешёвая.
         С помощью графика (см. рис. 3) легко подсчитать, что нагрев жидкого СО2 от 0°С до 30°С приводит к уменьшению его плотности на 16,5%.
         При таком же нагреве уменьшатся плотности следующих веществ:
                           – воздуха на 6,8%;
                           – воды на 0,29% (!); 
                           – диэтилового эфира на 3,15%.
         А если нагревать жидкий СО2 от 21°С до 31°С (разность всего в 10 °С), то его плотность уменьшится на 38,6%.
         Углекислый газ в  сжиженном состоянии может находится в интервале температур от  -50°С до 31°С при давлении соответственно от 20 до 75 атм. (см. рис.4).
         В естественных условиях, от полюсов и до экватора, круглогодично  можно найти разность температур от нескольких единиц градусов до нескольких десятков в указанном выше интервале температур.   

      
         Рассмотрим примеры.   

         В зимний период  теплоноситель –   подледная вода с температурой + 4 °С,  а охладитель – воздух с температурой ниже 0°С.    Например, при температуре   воздуха 
– 6°С плотность жидкого СО2  равна   1000 г/л, а при температуре  +4 °С  –    900 г/л (см. рис. 3). Разница плотностей очевидна.
          В теплый период, в дневное время, теплоноситель – воздух, а охладитель – вода из рек и водоемов. В ночное время охладитель – воздух, а теплоноситель – нагретая днём  в бассейне под плёнкой (тепличный эффект) вода.
 В тёплое время для интервала температур от 0°С до 31°С соответствуют плотности жидкого С02 от 929 г/л до 468 г/л (см. рис. 3). Примеры этим не ограничиваются.
Круглогодично можно использовать бросовое тепло, например, конденсат ТЭЦ, продукты горения природного газа в газотурбинных установках и т. д.
Наша установка может работать и под капотом автомобилей с двигателями   внутреннего сгорания, используя тепло  выхлопных газов.
Наиболее эффективной, с наибольшим КПД, будет работа теплообменника в интервале температур от 21°С до 31°С, участки ІІ и ІІІ (см. рис. 3).
Особый интерес представляет собой участок ІІI (интервал температур от 30 °С до 31°С). Это участок резкого падения плотности рядом с критической точкой (31°С), за которой углекислота находится в закритическом флюиде (рис. 4). При нагреве углекислоты от 30 °С до 31 °С, т. е. при разности температур всего  в 1 °С,  плотность её падает от 600 г/л до 468 г/л (см. рис. 3)
       Если с помощью автоматики поддерживать разность температур в 1°С , в нижней части теплообменника 30 °С, а в верхней –  31°С, то при угловой скорости барабана в 300 рад/сек и радиусе теплообменника 0,5м, как показывают расчёты, КПД достигает 50%. Не все тепловые двигатели на высокотемпературных источниках тепла имеют такой КПД, тем более, на существующих установках альтернативных источников энергии, типа ветродвигателей, гидротурбин и т. д.
     Габаритные размеры и вес установки в сотни раз меньше по сравнению с ветровыми. 
      Чем больше доля электроэнергии, получаемая альтернативными источниками, тем меньше выбросов углекислого газа в атмосферу. В нашем случае уменьшение выбросов углекислого газа происходит с помощью... углекислого газа, только сжиженного.
   Возможны и другие схемы компоновки установки, например, вместо гидромотора можно установить гидротурбину, а электродвигатель и электрогенератор разместить снаружи расширителей. Связь последних с валами можно осуществлять посредством магнитных  полумуфт, разделённых диамагнитной диафрагмой (см. рис.5).
Наиболее высокий КПД будет иметь установка, компоновка которой изображена на рис. 6 (установка имеет меньше подшипников и вращающихся деталей).
Известно, что электромашинам присуща обратимость. Если вал электродвигателя вращать внешним моментом, то он превратится в генератор, а если к генератору подвести напряжение, то он превратится в двигатель. При пуске установки в работу в контуре перекрывается вентиль, подводится теплоноситель к теплообменнику и электромашина в режиме работы двигателя раскручивает рабочее тело в теплообменнике. При достижении заданной угловой скорости ω  вентиль открывается и под разностью давлений рабочего тела начнёт вращаться турбина  и
 двигатель переключают в режим работы генератора.
В этом случае автоматика должна обеспечивать изменение нагревания рабочего тела в теплообменнике при изменении  оборотов генератора по правилам обратной связи.
         Разработана методика расчёта КПД установки.