Размещено на http://www.allbest.ru/

Восьмеричный термодинамический цикл и Вечный двигатель второго рода

Введение

Все известные на данный момент тепловые двигатели являются различными вариациями цикла Карно. Следствием этого является и их подчинение формуле работы теплового двигателя, из которой и выводится невозможность создания машин с КПД равным или превышающим 100%. На данный момент науке известны разнообразные термодинамические циклы, но они никак не смогли уйти от основных проблем цикла Карно и лишь пытались максимально улучшить КПД, по сравнению с другими. Но есть ли другие термодинамические циклы, которые не являются частью цикла Карно и не подчиняются формуле работы тепловых двигателей? Это и будет рассмотрено в этой статье.

Актуальность

Актуальность данного вопроса весьма велика в связи с истощением ресурсов природы и необходимостью найти другие альтернативные источники энергии или усовершенствовать уже существующие тепловые механизмы.

Цели

Целью данной статьи является ввести в науку новый вид термодинамических циклов.

Задачи

Основной задачей этой статьи является объяснение работы нового типа теплового двигателя, объяснение принципа нового термодинамического цикла, которому он подчиняется, и сравнение данного термодинамического цикла с циклом Карно

1. Тепловой двигатель

В 2004 году мною был изобретен, а впоследствии и запатентован, прибор, который может получать энергию за счет охлаждения окружающей среды. Он называется Тепловой двигатель. Каков принцип же его работы? Основа идеи состоит в том, что газ, проходящий через теплообменники, обменивается теплом сам с собой, уменьшая расход энергии на его охлаждение. Рассмотрим этот процесс подробно.

Для начала, ознакомимся с устройством прибора. Прибор состоит из теплообменников, соединенных последовательно друг с другом и последний соединен с первым (рис.1)

Теплообменники называются шлюзами, так как принцип действия шлюза схож с действием теплообменника при входе и выходе из него газа (рис.2)

На рисунке 1 изображен тепловой двигатель, содержащий входной фильтр и первую газовую турбину (1), установленную на впускном патрубке установки, и вторую газовую турбину (2), установленную на выпускном патрубке установки. Первая газовая турбина (1) соединяется с кольцевой теплообменной трубой перед шлюзами (11). Причем кольцевая теплообменная труба (11) проходит сквозь множество шлюзов (3 - 10). При этом шлюзы (3 - 10) заполнены воздухом одинаковой массы, находящимся при разной температуре, от самой высокой в первом шлюзе - меньше температуры окружающей среды на заданную величину, до самой низкой в последнем шлюзе - меньше температуры в первом шлюзе на заданную величину. В кольцевой теплообменной трубе (11), перед каждым и после каждого шлюза (3-10), установлены клапаны (3.4 - 10.4 и 3.3 - 10.3 соответственно) с возможностью перекрытия кольцевой теплообменной трубы возле любого шлюза.

Каждый из множества шлюзов представляет собой цилиндр (3-10), внутри которого находится полость (13), труба, проходящей сквозь нее и через которую совершается теплообмен, впускное (14) и выпускное (15) отверстия (Рис. 2).

Причем впускное отверстие (14) каждого шлюза (3-10) соединено с кольцевой теплообменной трубой (11) посредством обводного патрубка (12). А выпускное отверстие (15) каждого шлюза (3 - 10) соединено со второй газовой турбиной (2). Вокруг каждого шлюза (3-10) установлен холодильник, имеющий возможность охлаждать стенки, окружающие внутреннюю полость (13) шлюза и воздух, содержащийся в шлюзе. Каждый шлюз (3 - 10) оборудован клапанами (3.2 - 10.2) доступа воздуха к впускному отверстию из кольцевой трубы, установленными на обводном патрубке (12), и клапанами (3.1 - 10.1) выпуска воздуха из выпускного отверстия на выпускном патрубке. Также клапаны (3.5 - 10.5) установлены на трубах, соединяющих первую турбину (1) и кольцевую трубу (11) в области каждого из шлюзов (3 - 10).

2. Подготовка к запуску Теплового двигателя и принцип работы шлюзов

Теперь ознакомимся с работой прибора.

Перед первым запуском вся система охлаждается и заполняется атмосферным воздухом. Все шлюзы заполняются воздухом одинаковой массы, находящимся при разной температуре от самой высокой - немного ниже температуры атмосферы на заданную величину, в шлюзе, являющемся, в данный момент, первым, до самой низкой - меньше температуры в первом шлюзе на заданную величину, в шлюзе, являющемся, в данный момент, последним. Причем масса воздуха в шлюзах устанавливается равной массе воздуха, заполняющего шлюз при самой низкой температуре и атмосферном давлении. Таким образом, с повышением температуры и при постоянной массе давление воздуха в шлюзах будет увеличиваться.

Сам шлюз, во время работы, находится в трех положениях. Состояние нагрева (рис. 3)

В этом положении, газ внутри шлюза закупорен со всех сторон, а воздух, проходящий по трубе внутри, нагревает газ. После максимального нагрева газа в шлюзе, открывается клапан в сторону второй газовой турбины (рис. 4)

Когда давление в шлюзе упадет до атмосферного, клапан, ведущий ко второй турбине, закрывается и открывается клапан впускающий газ из круговой трубы (рис. 5).

В данной ситуации, стенки шлюза охлаждает холодильник, чтобы придать газу максимально низкую температуру. После максимального заполнения шлюза, он закрывается и переходит в состояние нагрева как на рисунке 3.

3. Принцип работы Теплового двигателя

Работает прибор следующим образом. Поток газа направляется клапанами, расположенными на кольцевой теплообменной трубе (11) и впускных и выпускных отверстиях шлюзов и трубах, соединяющих первую турбину (1) с кольцевой теплообменной трубой (11). Атмосферный воздух проходит сквозь входной фильтр и первую газовую турбину (1), вращая ее, в кольцевую трубу (11). На начальном этапе из клапанов (3.5 - 10.5) открыт только клапан (3.5), направляющий атмосферный воздух в кольцевую теплообменную трубу (11), сквозь шлюз (3) по направлению к шлюзу (10). Причем из клапанов (3.4-10.4 и 3.3-10.3) закрыт только клапан (10.3), не дающий пройти воздуху сквозь шлюз (10). Из клапанов (3.2-10.2), не дающих поступить воздуху внутрь шлюзов, открыт только клапан (10.2). Таким образом, воздух проходит по кольцевой теплообменной трубе (11) сквозь все шлюзы (3-9) к шлюзу (10). При этом воздух в первом шлюзе (3) имеет самую высокую температуру из всех, но чуть ниже температуры атмосферного воздуха. При этом происходит обмен теплом через кольцевую теплообменную тубу (11), по которой движется воздух. Атмосферный воздух охлаждается, а воздух в шлюзе нагревается (рис. 3). Далее воздух проходит сквозь остальные шлюзы (4-9), где повторяется то же самое, т.е. воздух в кольцевой теплообменной тубе (11) охлаждается, а воздух в шлюзах нагревается. При проходе сквозь последний, самый холодный шлюз (9), температура воздуха, идущего по трубам, близка к температуре воздуха в этом шлюзе. После этого воздух поступает в открытый для притока воздуха шлюз (10) (рис. 5), где он охлаждается с помощью встроенного холодильника до температуры газа в шлюзе (9). Затем клапаны (10.2 и 10.1) шлюза закрываются, и он становится последним в цепочке шлюзов. В этот же момент первый шлюз (3) открывает клапан (3.1) и выпускает воздух под давлением во вторую турбину (2) и в атмосферу (рис. 4). При этом клапан (3.2) на впускном патрубке остается закрытым. После выхода воздуха из шлюза (3) и выравнивания давления в нем закрываются клапаны (3.1, 3.2, 3.3, 3.4 и 3.5) и открываются клапаны (3.2, 4.5, 10.3, и 10.4), после чего шлюз (3) становится открытым шлюзом с работающим холодильником. Холодильник в шлюзе (10) выключается. Шлюз (4) становится первым в цепочке, и воздух из турбины (1) поступает уже сквозь него. Так заканчивается первый шаг полного цикла.

Второй шаг завершится, когда газ в шлюзе (3) достигнет необходимой температуры, и давление, а следовательно, и масса воздуха в нем не стабилизируются. После этого клапан (3.2) закрывается и открывается клапан (4.1), выпуская воздух с максимальным давлением в турбину (2). Затем закрываются клапаны (4.1, 4.3, 4.4, 4.5) и открываются клапаны (3.3, 3.4, 4.2 и 5.5). Так завершается второй шаг полного цикла.

Воздух, поступивший в последний шлюз, постепенно нагревается за счет прохождения сквозь него по кольцевой теплообменной трубе (11) потока воздуха. С каждым шагом цикла он меняет позицию по отношению турбине (1). В шлюзе, занявшем первую позицию, воздух нагревается до максимально возможной температуры и набирает максимальное давление, после чего воздух выпускается в турбину (2).

Так завершается полный цикл. После чего все шлюзы и клапаны принимают первоначальное положение (рис. 1)

Следует заметить, что воздух проходит сквозь шлюз просто под атмосферным давлением, так как давление в трубах меньше за счет охлаждения.

4. Восьмеричный термодинамический цикл

Таким образом, без существенных затрат энергии, воздух охлаждается до очень низких температур. Энергия тратится только на охлаждение стенок первого шлюза до температуры последнего и на охлаждение воздуха в этом шлюзе на несколько градусов.

А теперь посмотрим, является ли данный термодинамический цикл одним из видов цикла Карно. На первый взгляд может показаться, что ничего особого в данном приборе нет, но, тем не менее, в нем есть два коренных отличия, которые формируют новый вид термодинамических циклов.

Первое отличие в том, что рабочее тело в цикле Карно всегда находится в каком-либо одном состоянии. То есть, газ целиком находится при определенной температуре и давлении. В моем же приборе, рабочее тело разбито на части, каждая их которых имеет свою температуру и давление, либо эти показатели плавно меняются на его протяжении, что и происходит в теплообменной кольцевой трубе.

Второе отличие и дало названию данному циклу. Если в цикле Карно рабочее тело меняет свои свойства, то это происходит за счет контакта с окружающей средой. То есть, оно нагревается или охлаждается, при взаимодействии с окружающими предметами или воздухом. В моем же приборе, большая часть обмена энергией происходит за счет теплообмена между частями самого рабочего тела. Лишь незначительный процент энергообмена приходится на холодильники в шлюзах. Этот процесс можно сравнить с газом, который прогоняют по трубе, изогнутой в восьмерку. Где в одном кольце восьмерки идет нагрев газа, в другом кольце охлаждение, а в точке соприкосновения труб происходит теплообмен. Таким образом, газ, который движется к нагревателю, повышает свою температуру заранее, от соприкосновения с соседней трубой, и обратный процесс идет во встречной трубе. Как видим, в этом случае, на нагрев и охлаждение газа требуется гораздо меньше энергии, за счет соприкосновения трубы с самой собой, что дает возможность для теплообмена газа в ней.

Ничего подобного в цикле Карно нет. И тогда возникает интересный вопрос, а ко всем ли машинам может подходить формула вычисления КПД теплового двигателя? Ведь в формулах Карно нет процесса обмена теплом внутри самого рабочего тела.

5. Выработка энергии в Тепловом двигателе

Посмотрим, какие же затраты энергии будут в Тепловом двигателе. Для начала рассмотрим идеальный вариант. То есть, без учета потерь энергии, с идеальным теплообменом в шлюзе и с идеальной теплоизоляцией. В этом случае, единственные затраты энергии будут приходиться на охлаждение газа в шлюзе 10 (рис. 1) до температуры на несколько градусов ниже девятого шлюза. Чем больше шлюзов в схеме, тем на меньшую температуру потребуется охлаждение. К примеру, если температура газа в первом шлюзе равна 300 К, а предпоследнего 100 К, а количество шлюзов будет 200, то в последнем шлюзе газ будет охлаждаться только на 1 градус.

А сколько же энергии вырабатывает прибор? По формуле энергии идеального газа, которую мы знаем из физики, мы получаем:

U=3mRДT/2M

где U - внутренняя энергия, R = 8, 310 Дж/К*моль -- универсальная газовая постоянная, ДТ -- разность температур между первым и последним шлюзом, m - масса газа, М - молярная масса газа.

Очевидно, что выработка энергии будет больше затрат на охлаждение. А причина в том, что основную часть энергии на охлаждение берет на себя само рабочее тело, вследствие чего, КПД механизма существенно превышает 100%.

Естественно, возникает вопрос, а откуда на это берется энергия? Ответ очень прост, если рассматривать механизм как черный ящик. С одной стороны в него заходит теплый атмосферный воздух, а с другой стороны выбрасывается газ под давлением, который из-за расширения сильно охлаждается. Вот от этой разницы температур мы и получаем энергию. Но это не означает, что атмосфера будет охлаждаться все больше и больше, ведь получаемая энергия расходуется тут же. Если рассматривать эту модель как теоретическую, то мы видим, что максимальная температура атмосферного воздуха ничем не ограничена, а значит, и не ограничена энергия, которую можно получить за один цикл. Как итог, мы получаем, что восьмеричный цикл нарушает второй закон термодинамики. Ведь не имея внешнего вмешательства, мы снижаем температуру газа, превращая ее в энергию.

Возникает вопрос, а можно ли создать такой прибор в реальности? Для этого, надо рассмотреть, какие потери энергии в нем будут. Кроме перечисленных, это, конечно, потери тепла при соприкосновении шлюзов с внешней средой и энергия, которая необходима для охлаждения внутренних стенок последнего шлюза (рис. 2) Количество этой энергии будет напрямую зависеть от качества теплоизоляции и теплоемкости внутренних стенок шлюзов. Рассчитать теплопотери сейчас невозможно, но элементарно вывести простую закономерность. Потери тепла пропорциональны площади внутренней и внешней поверхности шлюзов. То есть, пропорциональны квадрату ребра шлюза (для простоты его можно представить кубом). В то время как вырабатываемая энергия пропорциональна объему шлюза, то есть, кубу его ребра. Таким образом, мы получаем, что какие бы не были потери энергии на стенках шлюза, всегда можно подобрать такой размер шлюза, который их перекроет.

Заключение

В заключение можно сделать вывод, что Тепловой двигатель не только открывает собой новый вид термодинамических циклов, но и является теоретической моделью Вечного двигателя второго рода. Хотя реализовать в реальности данную модель как новый источник энергии достаточно сложно, но она вполне может быть задействована как крайне эффективная холодильная установка. Действительно, Тепловой двигатель дает на выходе поток крайне охлажденного газа, который можно широко использовать в промышленности. При этом энергетические затраты на охлаждение будут гораздо ниже любых аналогов подобной мощности.

Библиографический список

тепловой двигатель термодинамический восьмеричный

1. Патент «Тепловой двигатель» Семынин Юрий Владимирович//Национальная электронная библиотека 2017. URL: https://rusneb.ru/catalog/000224_000128_0002617215_20170424_C1_RU/

Размещено на Allbest.ru