Установка для перетворення термічної енергії довкілля у корисну енергію

Реферат: Винахід стосується установки і способу використання цієї установки для перетворення енергії, наявної у даному довкіллі, у корисну енергію. Установка і спосіб використовують різницю тисків у гарячій і холодній колонках стиснутої рідини для створення потоку у рідині, що забезпечує обертання обертальних елементів, яке перетворюється у корисну енергію. UA 102583 C2 (12) UA 102583 C2 UA 102583 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід стосується установки, призначеної перетворювати термічну енергію, присутню у конкретному довкіллі, у корисну енергію. Винахід стосується також способу використання такої установки для перетворення термічної енергії, наявної у даному довкіллі, у корисну енергію. Установку згідно з винаходом визначено у п. 1 формули винаходу. Інші втілення визначено у пп. 2 - 4 формули. Спосіб використання установки згідно з винаходом визначено у пп. 5 - 8 формули. Як описано далі, спосіб і установка використовують стиснуту рідину у порожнинах як агент, що отримує термічну енергію з оточуючого довкілля і переносить її далі для перетворення у корисні форми. Рідина, розміщена в умовах центрифуги, знаходиться у стані газу протягом щонайменше частини процесу її передачі - частини її енергії - назовні для перетворення і використання. У кожному циклі, тобто процесі, у якому частина рідини системи масою m, проходить через усю систему визначеним шляхом і повертається у вихідне положення, на початку циклу охолоджується внаслідок втрати через вихід енергії при виконанні роботи ззовні системи і знову нагрівається, отримуючи тепло з оточуючого довкілля, яке внаслідок цього охолоджується. Розміри для способу і установки варіюються у межах від дуже малих до дуже великих, що розширює можливості і типи використання. Спосіб і установка можуть бути конфігуровані багатьма шляхами, прийнятними для кожного конкретного використання. З цієї причини матеріали, структура, розміри, компоненти і конфігурація у даному використанні відповідають вимогам, що забезпечують дієздатність способу і установки, а не абсолютному вибору. Деталі розглядаються на прикладах, що ілюструють дієздатність практичної реалізації способу і установки. Установка і спосіб винаходу описано далі з посиланнями на креслення, в яких: фіг. 1 - осьовий переріз внутрішнього ротора першого втілення винаходу; фіг. 2 - осьовий переріз усієї установки; фіг. 3 - перспективний вигляд внутрішнього ротора; фіг. 4 і 5 - часткові схематичні перспективні вигляді і поперечні перерізи установки; фіг. 6 - перспективний вигляд ущільнюючої юбки; фіг. 7 - вигляд спереду ущільнюючої юбки з її керуючим мотором; фіг. 8 - частковий перспективний вигляд ковзного електричного колектора; фіг. 9 - схематичний вигляд з'єднань пропелери-генератори-навантаження; фіг. 10 - осьовий переріз внутрішнього ротора і зовнішнього кожуху другого втілення винаходу; фіг. 11 - схематичний приклад практичного з'єднання з холоднішим/теплішим довкільними зонами. Установка складається з трьох головних елементів: внутрішнього ротора (далі - ВР), зовнішнього корпусу (далі - ЗК), зовнішніх вузлів, тобто різних зовнішніх пристроїв, частин більшого вузла, в якому установка і спосіб згідно з винаходом є компонентом. Зовнішні вузли включають електричні навантаження, компоненти моніторингу і контролю (далі - ЗВ). Внутрішній ротор ВР є обертальною структурою усередині ЗК, відділеною від нього вакуумом і підтриманою ЗК у двох опорних поверхнях 19, 38 (фіг. 1). Головна структура ВР має три частини, одна усередині одної і одна, скріплена з одною навколо спільної осі обертання. Зовнішній циліндр 1, який утворює зовнішню оболонку ВР, є порожнистим замкненим циліндром, виготовленим з теплопровідного матеріалу, звичайно металу, наприклад, алюмінію або сталі, достатньо товстим, щоб витримувати тиск рідини усередині у порожнинах 4, 5, 6 відносно вакууму назовні між ним і ЗК. Електромагнітні абсорбційні/взаємодійні властивості (далі "колір") зовнішнього циліндра 1 є такими, що дозволяють абсорбувати стільки електромагнітного випромінювання найширшого спектру, скільки потрібно для прийому теплового випромінювання, що надходить від ЗК через вакуум, і передачі його рідині, розташованій у порожнинах 4,5, (порожнина 6 є термічно ізольованою). Навколо зовнішнього циліндра 1 на його зовнішньому боці встановлено круглі теплообмінні ребра 23 такого ж кольору, виготовлені з такого ж матеріалу і з такою ж теплопровідністю, як і циліндр 1. Призначенням цих ребер, перпендикулярних до зовнішньої поверхні циліндра 1 і його осі, є збільшення площі обміну, через яку проходить випромінена ЗК електромагнітна енергія, дозволяючи термічній енергії від оточення ЗК проходити повним шляхом у неізольовані порожнини 4,5 з такою ж ефективністю і мінімальними перешкодами і мінімально можливою рефракцією, як у джерела термічної енергії. Навпроти ребер 23 розташовано приєднані до внутрішньої поверхні зовнішнього циліндра 1 теплообмінні ребра 21, перпендикулярні до його поверхні і паралельні до його осі. Ці ребра проходять уздовж зовнішнього циліндра 1 і спрямовані до центру його основи таким чином, що 1 UA 102583 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 вони занурюються у рідину, що тече від основи до основи у порожнинах 4 і 5 під час нормальної роботи з мінімально можливим опором протіканню. Ці ребра 21 є паралельними напрямку потоку у порожнинах 4, 5, виготовлені з такого ж матеріалу, як зовнішній циліндр 1, мають той же колір і приєднані з збереженням теплопровідності. Їх призначенням є збільшення площі теплообміну між зовнішнім циліндром 1 рідиною у ньому. На осі зовнішнього циліндра (1) на його неізольованій основі встановлено електричний мотор 17 з ротором 18 у рукаві 20, закріпленому на зовнішній опорній поверхні 19 кожуху. Призначенням цього електричного мотору є обертання ВР відносно ЗК з дією як центрифуга. Мотор 17 встановлено на зовнішньому циліндрі 1 з теплопровідністю, щоб дозволити тепловим втратам у ньому (внаслідок тертя і на електричному опорі) повертатись у рідину у порожнині 5 з максимальною ефективністю. Рукав 20 дозволяє рух уздовж осі для температурного розширення/стискання, але перешкоджає обертанню ротора 18 усередині, щоб створити для ротора необхідну протидійну силу і надати можливість створювати обертання. На іншій основі зовнішнього циліндра 1 і паралельно до осі встановлено опорний стрижень 34. Опорний стрижень 34 утримується у підшипнику 37, закріпленому на опорній поверхні 38 ЗК таким чином, щоб дозволити вільний фрикційний обертальний рух, але не поздовжній рух. Навколо опорного стрижня 34, який є порожнистим, встановлено електрично ізольований циліндр 45, причому опорний стрижень 34 проходить через нього. Циліндр 45 має декілька кругових електропровідників 47 на його поверхні. Кожний з цих провідників має електричний зв'язок з ізольованим від довкілля провідником, що проходить через опорний стрижень 34 у зовнішній циліндр 1 і є герметично ізольованим від будь-якого потоку внутрішнім і зовнішнім боками зовнішнього циліндра 1. Другий, також порожнистий циліндр 35, виготовлений з електроізоляційного матеріалу і розташований навколо циліндра 45, закріплено на ЗК опорними/прохідними герметичними каналами 36. Усередині циліндра 35 встановлено електропровідні щітки 46, притиснуті до відповідного провідного кільця. Отже, коли ВР обертається усередині ЗК, електропровідність постійно зберігається між провідним кабелем від ВР, приєднаним до кільця і електричним провідником, приєднаним до щітки. Для поліпшення електропровідності до кожного кільця можуть бути притиснуті декілька електричних щіток. Кожну щітку (або групу щіток, призначених для одного кільця) електрично приєднано до електропровідника, покритого ізоляцією, який проходить через канали 36 до зовнішнього боку ЗК. Цим забезпечується постійне електричне з'єднання кожного кабелю між зовнішнім боком ЗК і внутрішньою частиною ВР навіть під час обертання (як у звичайному живлення електричних моторів/синхронних генераторів) з збереженням умов герметичності для потоку рідини. Це ковзне з'єднання забезпечує проходження трьох типів електричного силового струму, сигналів моніторингу і сигналів, які розглядаються нижче. Залежно від міркувань стосовно вартості, розмірів, складності тощо, в установці можуть бути використані інші форми передачі потужності і/або сигналу, наприклад, електромагнітний зв'язок або передача. На одній з двох основ зовнішнього циліндра 1 поблизу порожнини 6 встановлено два клапани 32, 33. Клапан 32 є проточним одностороннім клапаном, який дозволяє рідині текти у порожнину 6 ВР, але не назад. У нормальних умовах він закритий, оскільки порожнини ВР у нормальних умовах заповнено рідиною під тиском, а проміжок ззовні ВР між ВР і ЗК є практично вакуумом. Клапан 33 є ручним двоходовим нормально закритим клапаном. Клапан 32 може бути використаний для герметизації порожнин ВР з рідинною герметизацією проміжку між ЗК і ВР з подальшою евакуацією рідини з проміжку без втрати тиску у ВР. Клапан 33 за потреби дозволяє ручну герметизацію/розгерметизацію тиску у ВР. Щоб уникнути/зменшити втрату тиску з часом і погіршення вакууму в установці, ці клапани можуть бути замкнені/покриті зварними накладками. На кожній з основ зовнішнього циліндра 1 на осьовій точці встановлено конічну структуру, тобто конуси 8, 9. Кожний з цих конусів закріплено його основою до основи зовнішнього циліндра 1 з забезпеченням теплопровідності і з спільною віссю з зовнішнім циліндром 1. Головною функцією цих конусів є сприяння потоку рідини між порожниною 4 (уздовж периметру) через порожнини 5, 6 і центральною порожниною 7 з мінімальною турбулентністю і створенням максимально рівного ламінарного потоку. Ці конуси не є правильними - їх стінки, що з'єднують основу з вершиною, мають параболічний профіль, а не прямий (у вигляді збоку), для плавної зміни напрямку потоку. Ці потокові конуси виготовлено з такого ж матеріалу, як і зовнішній циліндр 1. До конусу 8 прикріплено рукав 16, також на його осі, який міцно утримує усередині опорну структуру 11. Конус 9 закріплено на опорі 10. Опорні структури 10 і 11 є стрижневими структурами, виготовленими з 6 стрижнів однакової довжини, з'єднаних один з одним під кутом 60° і приєднаних протилежними кінцями до периметру внутрішнього циліндра 3. У кожній з 2 UA 102583 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 опорних структур 10, 11 у центрі приєднано додатковий стрижень, що розташовується на осі зовнішнього циліндра 1. Цей стрижень скріплює опорну структуру з конусом 9 і у порожнині 5 у рукаві 16 з конусом 8. Ці дві стрижневі опорні структури виконують функцію з'єднання трьох головних частин ВР: зовнішнього циліндра 1, середнього циліндра 2 і внутрішнього циліндра 3. Вони мають спільну вісь, і рідина у порожнинах 4,5,6,7 тече з мінімальним опором потоку від опор 10 і 11. Середній циліндр 2 є циліндричною замкненою структурою з такого ж матеріалу і такого ж кольору, як зовнішній циліндр 1, який є замкненою циліндричною структурою з двома паралельними основами. Середній циліндр 2 є співвісним з зовнішнім циліндром 1 і утримується у зовнішньому циліндрі 1 його двома основами навколо осьових точок опорними структурами 10 і 11, міцно скріпленими з вершиною потокового конусу 9 і фіксованими усередині рукава 16, відповідно. Усередині середнього циліндра 2 знаходиться фіксований циліндр 3 з відкритими кінцями, який виготовлений з такого ж матеріалу і має такий же колір, як середній циліндр 2. Внутрішній циліндр 3 є співосним з середнім циліндром 2 і зовнішнім циліндром 1 і скріплений по периметру з основами середнього циліндра 2, причому частину основи середнього циліндра 2, яка перекривається з основами внутрішнього циліндра 3, видалено. Комбінація циліндрів 2, 3 утворює замкнений циліндр з порожнистою трубкою, що проходить через його основи. Середній циліндр 2 і внутрішній циліндр 3 герметично з'єднані по периметру внутрішнього циліндра 3 і тому рідина не може протікати між порожнинами 4,5,6,7 (з'єднаними одна з одною) і порожниною 40 у середньому циліндрі 2. Середній циліндр 2 має невеликий отвір 48 для зрівнювання тиску у порожнинах 4 і 40. На поверхні середнього циліндра 2 на внутрішніх стінках і периметрі встановлено додаткові теплообмінні ребра 22, термічно з'єднані з ним. Кожне ребро виготовлене з такого ж матеріалу, має той же колір і є перпендикулярним до поверхні, на якій воно встановлене. Конфігурація цих ребер може варіюватись, і їх призначенням є збільшення площі теплообміну, що дозволяє збирання тепла від втрат, викликаних електричним струменем і тертям у генераторах 15 усередині порожнини 40. Теплообмінні ребра 24 на кожусі 49 генератора виготовлені з такого ж матеріалу такого ж кольору і призначені збільшувати поверхню теплообміну для максимального відведення і рекуперації тепла від генераторів. Ця система ребер (випромінюючі ребра 24 разом з приймальними ребрами 22) дає внесок разом з головною, первісною ("первісною" тому, що є джерелом поповнення системи усіх її енергетичних виходів) термічною енергією ззовні ЗК для повторного нагрівання потоку через порожнини 4,5. Усередині внутрішнього циліндра 3 встановлено пропелерну групу 13 на опорних стрижнях 12. Опорні стрижні 12 мають профіль, який мінімізує їх опір потоку рідини у порожнині 7. Кожний з пропелерів складається з крилець (лопатей), адаптованих до умов потоку рідини навколо їх для оптимізації їх ефективності у перетворенні потоку рідини через них у роботу на виході (параметри, наприклад, швидкості, щільності). Пропелери 13 звичайно виготовлено з термічно ізольованого жорсткого матеріалу. Мінімальна кількість пропелерів у групі є один, а максимальна їх кількість може варіюватись і становити n. Гвинтовий напрямок обертання кожного пропелера є протилежним до попереднього для рекуперації кутового компоненту кінетичної енергії потоку рідини навколо нього, який створюється опором до потоку попередніх пропелерів. Розмах крила кожного пропелера майже дорівнює діаметру вільної порожнини 7 навколо нього. Кожний пропелер приєднано у його центрі через стрижневий вал 14 до ротора відповідного електричного генератора 15 (наприклад, генератора змінного струму або динамомашини) таким чином, що обертання кожного пропелера 13 потоком рідини через нього передається ротора генератора, приєднаного до нього. Стрижень 14 проходить крізь оболонку внутрішнього циліндра 3 через отвір 43. Оскільки у нормальному режимі тиск рідини падає, коли рідини протікає у порожнині 7 через групу пропелерів (проходячи від порожнини 5 до порожнин 6), то за відсутності блокування створюється потік рідини між отворами 43, порожниною 7 і порожниною 40. Щоб уникнути цього, можуть бути використані декілька варіантів конфігурації: виконання отворів практично герметичними або проведення усіх валів один через одний в одному отворі тощо. Рішенням, застосованим в установці є покриття усієї зони кожного вузла отвір-вал генератора герметично ущільненою індивідуальною коробкою 49, виготовленою з теплопровідного матеріалу і кольору, термічно з'єднаною з тілом генератора і обладнаною випромінювальними ребрами 24, згаданими вище. Це дозволяє герметично відгородити порожнину 7 від порожнини 40, маючи лише точку проходу для рідини між порожниною 40 і іншими порожнинами, а саме, отвір 48 для зрівнювання тиску. Вихід кожного генератор окремо виводиться з ВР назовні ЗК через ізольовані провідники, що проходять з закріпленням уздовж 3 UA 102583 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 стінок внутрішнього циліндра 3, опорні стрижні 10, опорний стрижень 34, кільця 47, щітки 46, канали 36. Усі проходи цих провідників через стінки є герметичними для рідини. Як варіант, альтернативою вузла генератор-група пропелерів-вал-покривна коробка може бути скріплення з ротором кожного генератора відповідним пропелером, роблячи його єдиним цілим з (і наданням форми) пропелером, з статором навколо його, закріпленим на зовнішньому боці внутрішнього циліндра 3. Матеріал внутрішнього циліндра 3 може бути обраний іншим, щоб не порушити електромагнітну взаємодію між ротором і статором. Такий варіант має певні переваги: відсутні прямий прохід для рідини між порожнинами 7 і 40, відсутні рухомі частини усередині порожнини 40 тощо. Ще одною альтернативою незалежній групі пропелер-генератор-навантаження може бути приєднання групами або усіх пропелерів до одного вузла генератор-навантаження і корекція профілю кожного пропелера і швидкості обертання (приєднанням кожного пропелера до ротора генератора через зубчасту передачу з певним коефіцієнтом передачі) з корекцією взаємодії рідини з ним для максимізації додаткового виходу потужності на навантаження. Такі корекції можуть бути здійснені ручним тестуванням. Таке рішення має ряд переваг, наприклад, зниження витрат, маси, потреби об'єму тощо. Воно, однак, може бути, менш гнучким в адаптації до різних експлуатаційних умов. Генератори можуть бути розподілені у порожнині 7 таким чином, щоб забезпечити симетричне розподілення маси відносно осі і цим уникнути вібрацій, додаткового тертя і напружень у матеріалі, пов'язаних з обертанням. Такий принцип застосовано до усіх компонентів установки, тобто встановлення необхідних противаг у такі положення, щоб центр мас усієї установки лежав, якщо можливо, на осі обертання. У кожному з двох крайніх станів внутрішнього циліндра 3 встановлено три вимірювальні пристрої: для тиску 52, 55; для температури 50, 53 і швидкості рідини 51, 54. Вимірювальні пристрої для тиску і швидкості рідини можуть бути комбіновані з використанням таких інструментів, як трубки Піто для вимірювання статичного, динамічного і загального тиску. Ці пристрої надають дані про виміряні параметри у вигляді електричного сигналу (напруги, зміни електричного опору, або будь-як іншим відомим способом). Сигнал проходить через канали (провідники) виведення потужності, через спеціалізоване кільце 47, щітку 46, що забезпечує ковзне з'єднання, назовні ЗК для зчитування відповідним приймальним обладнанням у ЗВ, з перетворенням цих електричних даних у придатну для зчитування (або іншу придатну) форму. Проведення сигналу назовні ВР і ЗК здійснюється ізольованими провідниками, що містяться у каналах, герметичних для рідини. У ВР, усередині і між циліндрами є порожнини, які у нормальному режимі є герметичними для рідини (звичайно у газоподібному стані). Порожнина 40 є вільним об'ємом ззовні внутрішнього циліндра 3, усередині середнього циліндра 2 і суттєво відділеним від інших порожнин, але з зрівнюванням тисків через дихальний отвір 48. Усередині цієї порожнини знаходяться покривні коробки 49, генераторного вузла, які відвертають проходження рідини між внутрішнім циліндром 3 (через отвори 43) і порожниною 40. Ця порожнина може бути перекрита герметично або щільно встановленими пластинами, виготовленими з теплопровідних матеріалів для поліпшення передачі термічної енергії з генераторів і рідини усередині її до рідини усередині порожнин 4 і 5. Крім того, ці сепаратори, якщо дивитись від одної з круглих основ, відвертають кутовий рух рідини навколо осі. Порожнина 7 усередині внутрішнього циліндра 3 має зв'язок через два виводи з порожнинами 5 і 6 для вільного протікання рідини. Рідина у цій порожнині за нормального режиму має вільно текти з порожнини 5 через пропелерну групу у порожнину 6. Усередині периметру стінок внутрішнього циліндра 3, навколо цієї порожнини укладено термоізоляційний шар 27, виготовлений звичайно з гуми, каменю або скловолокна, для зниження до мінімуму будь-якого нагрівання рідини усередині порожнин 7 теплом генераторів або будь-якого іншого джерела, що потрапляє у порожнину 40. Порожниною 6 є вільний об'єм між основою середнього циліндра 2 і основою зовнішнього циліндра 1 (і конусу 9). Ця циліндрична порожнина з'єднує порожнину 7 і порожнину 4, забезпечуючи вільне протікання рідини. Навколо цієї порожнини встановлено термоізоляційний шар 25, 26, який покриває усередині зовнішнього циліндра 1 основу і конус 9 і покриває основу ззовні середнього циліндра 2. Ця ізоляція виготовлена з того ж матеріалу, як ізоляція 27 і має відвертати проходження тепла через стінки. Рідина, що проходить через порожнину 6 повинна мати значно нижчу температуру, ніж довкілля, і має залишатись такою доки не вийде до порожнини 4. Порожниною 4 є об'єм між зовнішній периметром середнього циліндра 2 і серединою периметру зовнішнього циліндра 1. У цій порожнині потік рідини з порожнини 6 у порожнину 5 отримує тепло від зовнішнього ВР і зсередини порожнини 40. Рідина у цій порожнині надходить охолодженою з порожнини 6 і виходить при вищій температурі у порожнину 5. Порожниною 5 є 4 UA 102583 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 вільний об'єм між основою середнього циліндра 2 і основою зовнішнього циліндра 1 (і його конусу 8). Ця циліндрична порожнина з'єднує порожнину 4 і порожнину 7, забезпечуючи вільне протікання рідини (у нормальному режимі від порожнини 4 до порожнин 5 і до порожнини 7). Три порожнини 6,4,5, з'єднані для протікання рідини і з'єднані з центральною порожниною 7, перерізаються щонайменше одною теоретичною площиною (що проходить через осьову лінію). У цій теоретичній площині встановлено реальні пластини у порожнинах, які відвертають вільний кутовий рух рідини навколо осі обертання відносно порожнин. Ці пластини обмежують рух рідин у порожнинах таким чином: у порожнинах 5 і 6 - уздовж радіусу, і у порожнині 4 - паралельно осі обертання. Ці пластини забезпечують (майже повну або повну) герметизацію для потоку рідин і є відсутніми (зрізані, щоб уникнути порушення) і об'ємах, призначених для інших компонентів, наприклад, юбкового ущільнення 30 (або набору клапанів) і мотору 28, опорних стрижнів 10, 11 і конусів 9,8. Порожнини можуть перекриватись також пластинами, розташованими у двох або більше площинах під однаковими кутами (як "скибки пирогу ", якщо дивитись від одної з основ). ВР має три регульовані клапани або заслінки, два з яких (41 і 42) обладнані керуючим мотором 44 і розташовані у порожнині 7. Ці дві заслінки є круглими і можуть займати будь-яке з двох крайніх положень - видкрите і замкнене. У відкритому положення заслінки мають профіль мінімального опору потоку рідини, а у замкненому положенні герметично перекривають будьяке проходження потоку. Ці дві заслінки незалежно контролюються ЗВ, розташованими ззовні ЗК. Мотори 44 заслінок живляться і активуються через ізольовані провідники, з'єднані через ковзні конектори індивідуальними кільцями 47 з щітками 46. Ці ізольовані провідники проходять з герметичним ущільненням через стінки циліндрів на шляху до кілець 47 через місця проходження. Для заслінок 41, 42 можуть бути використані будь-які придатні комерційні вироби з подібними функціональними параметрами. Третє ущільнення 30 виготовлене з гумової еластичної стрічки (далі - "гумова юбка" або "юбка") і зафіксоване герметично навколо зовнішньої основи середнього циліндра 2 навпроти ізоляційного шару 26. Усередині гумової юбки з однаковим інтервалом розміщено плоскі жорсткі стрічки, менш еластичні і прямі (фіг. 6). Ці стрічки забезпечують герметичне притискання гумовою юбки до внутрішньої поверхні зовнішнього циліндра 1 по його периметру, зокрема, до круглого сальника 31. Навколо гумової юбки закріплено привідний пас з рядом подовжень (або "зубців"), з'єднаний з ротором 29 мотора 28 юбки. Ротор 29 також має відповідні зубці і керується ззовні, як і інші заслінки. Мотор 28 обертанням і фіксацією його ротора у заданому положенні закриває або відкриває привідний пас, штовхаючи його зуб і встановлюючи цим зовнішній діаметр юбки, що дозволяє їй варіювати її функцію завершенням ущільнення, обмеженням зворотного потоку рідини або незаважанням потоку повним притисненням привідного пасу до поверхні зовнішнього периметра середнього циліндра 2. Замість юбкового клапану може бути використаний будь-який інший наявний клапан. Зовнішній корпус 61 є герметично замкненою коробкою, в якій встановлено ВР, виготовленою з теплопровідного кольору і матеріалу, наприклад, алюмінію або сталі, достатньої міцності для витримування тиску зовнішнього довкілля відносно вакуумних умов, що існують між нею і ВР у порожнині 60 у нормальному режимі (фіг. 2). На ЗК закріплено ручний клапан 63, через який рідина може бути уштовхнута або виштовхнута, забезпечуючи герметизацію порожнин усередині ВР (через односторонній клапан 32) і, після цього, евакуацію якомога більше рідини з порожнини 60. Цей клапан у нормальному режимі є закритим. Ребра 62 виготовлено з теплопровідного матеріалу, наприклад, алюмінію або сталі, абсорбуючого кольору, такого, як тіло 61 і ВР. Ці ребра приєднано до тіла 61 з збереженням теплопровідності з метою збільшення до максимуму поверхні теплообміну, через яку ЗК приймає енергію з довкілля і передає її далі через порожнину 60 електромагнітним випромінюванням у рідину, що знаходиться під тиском у порожнинах усередині ВР. Кількість ребер, їх форма і компоновка можуть значно варіюватись і залежать від умов використання. Прикладом такої компоновки може бути "кліткоподібна" структура з декількох шарів, яка дозволяє рідині навколо ЗК передавати максимальне тепло і вільно текти. Форма тіла ЗК 61 може також широко варіюватись від циліндра, коробки, кулі до будь-якої іншої форми залежно від застосування. Ребра 65 усередині ЗК виготовлено з того ж матеріалу і кольору, як ребра 23 ВР, і слугують для збільшення поверхні випромінювання між ЗК і ВР. Кабелі 66 є ізольованими провідниками, через які здійснюється моніторинг і контроль електричних струмів між ЗВ і ВР. Ці кабелі прокладено з герметизацією від будь-яких потоків рідини між зовнішньою і внутрішньою частинами тіла 61 ЗК. Опори 64 виготовлено з жорсткого матеріалу, щоб утримувати ЗК навішеним/приєднаним до опорної платформи. Резервуар 67 є колектором, який є опцією і слугує для збирання рідкого 5 UA 102583 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 конденсату, наприклад, води для подальшого використання. Оскільки у робочих умовах температура усередині ЗК падає, ребра 65 і ребра 23 ВР розділяються, щоб не торкатись одне одного при будь-якому градієнті робочих температур (оскільки ВР обертається усередині ЗК). На тілі ЗК 61 може бути встановлений опційний електромотор 68 з збереженням теплопровідності з пропелером 69 для збільшення дії на ЗК безперервно оновлюваних молекул довкільної рідини і збільшення цим загального тепла, що отримується системою за певний час. Мотор обертає пропелер, який створює потік. Живлення для мотору надходить через ізольовані провідники 66 і обмежується частиною повної виробленої ефективної вихідної потужності системи, визначеної в описі процесу. Мотор 68 може бути використаний для забезпечення просування, обертання або циркуляції рідини. Наприклад, така система, занурена у воду, може рухати її платформу (судно), забезпечувати циркуляцію холодного повітря тощо у конфігураціях процесу, що вимагають максимізації виходу потужності, а частина наявної вихідної потужності, яка подається до цього мотору, коригується для отримання максимального виходу решти. ЗВ можуть бути реалізовані у різних формах і конфігураціях і тому розглядаються тут лише функціонально. ЗВ є вузлом, що взаємодіє з компонентами установки: приймає енергію, керує моторами і клапанами (а також заслінками) і веде моніторинг тисків, температур, швидкостей рідини, а також забезпечує зворотний зв'язок від контрольованих компонентів, наприклад, швидкостей і положень моторів і клапанів (ущільнень). Потужність від генераторів ВР подається через ізольовані провідники до ЗВ. Через ЗВ вихід кожного генератора розподіляється по регульованих електричних навантаженнях згідно з вимогами, визначеними для секції пропелерної групи. Крім цих навантажень існують зовнішні користувачі, і ЗВ переспрямовує частину потужності через регульовані електричні навантаження, схему захисту, перемикачі і/або контрольні засоби згідно з характеристиками кожного комерційного компоненту для моторів і клапанів (або ущільнень). Аналогові або цифрові засоби контролю, які встановлюють швидкості обертання і положення клапанів можуть бути вбудованими або відокремленими від джерела потужності. Вихідні сигнали різних компонентів забезпечують зчитування зовнішніх для них параметрів (наприклад, температури, тиску, швидкості рідини) або зворотний зв'язок для їх функцій (наприклад, швидкість мотору, положення клапану). Ці дані, аналогові або цифрові передаються через ізольовані провідники або будь-яким іншим шляхом (наприклад, радіопередачами) і мають бути перетворені у придатну для зчитування (людиною або машиною) форму, і ця функція виконується компонентами ЗВ. Найпростішою придатною формою є, наприклад, аналоговий вимірювач, який може зчитуватись оператором, але можливими є різні варіанти залежно від загальної конфігурації установки і більших агрегатів, в яких установка є лише компонентом. Оскільки спосіб, який є об'єктом даної заявки, може бути втілений в установках з дуже різними розмірами, параметрами, формами і конфігураціями, він далі буде описаний для стандартизованих спрощених форм і структур для роз'яснення прикладних фізичних принципів у їх найбільш безпосередній формі. Для цього ВР описано у схематичній стандартизованій формі (фіг. 4, 5). Оскільки характеристики потоків рідини у двох симетричних протилежних шляхах є практично однаковими, один з шляхів заблокований і ігнорується, як показано на фіг. 5 (центральна порожнина 7 використовується лише для аналізу залишку шляху). Числові позначення компонентів у схемах є такими ж, як і в інших кресленнях для порівнянь і посилань. Площі перерізів порожнин є однаковими і симетричними за розмірами. Рідина під тиском подається у порожнину 60 між ЗК і ВР і проходить через односторонній клапан 32 у порожнини ВР. Однорідно стиснута рідина заповнює усі порожнини ВР, включаючи порожнини 4,5,6,7 і, через невеликий отвір 48, також порожнину 40. Після досягнення бажаного тиску, тиск рідини навколо ВР падає, і це викликає закриття клапану 32 і підтримання тиску у порожнинах усередині ВР близьким до пікового значення. Рідина евакуюється з порожнини 60 між ЗК і ВР насосом до досягнення майже абсолютного вакууму. Після завершення цієї стадії ЗК розміщують у довкіллі, дуже охолодженому (зовнішніми засобами) відносно нормальної температури робочого довкілля (при цьому у практичних умовах бажаною є температура, яка забезпечує у рідині температуру трохи вище фазового переходу). Через певний час відбувається однорідне охолодження усіх частин і рідини усередині ВР, включаючи ізольовані частини. Після досягнення бажаної низької температури у ВР, заслінку 42 закривають і майже повністю закривають заслінки 41 і 30, дозволяючи лише невелике проходження рідини для вирівнювання тисків. Ще холодний мотор 17 активується, надаючи ВР бажану кутову швидкість обертання (ω) і здатність діяти як центрифуга. ЗК утримується у такому ж холодному довкіллі доки температура не стабілізується при таких же умовах обертання. 6 UA 102583 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 На цій стадії ЗК вносять у нормальне типове робоче довкілля (з температурою, значно вищою, ніж після охолодження). Температура у порожнинах ВР починає підніматись внаслідок випромінювання термічної енергії довкілля, прийнятого від ЗК через вакуумну порожнину 60 ЗК і ВР. Температура ізольованих зон піднімається значно менше, ніж температури неізольованих зон, оскільки їх швидкість підйому температури є меншою і потребує більше часу для досягнення такої температури, як неізольовані частини. Температури ізольованих і неізольованих секцій спостерігаються, і час досягнення максимального диференціалу коригується. Ці варіації температур рідини у різних порожнинах ВР, що викликають відповідні різниці щільностей рідин у холодних зонах і рідин у теплих зонах, у сполученні з умовами центрифугування рідин обертанням створюють диференціали тисків між теплішими і холоднішими рідинами. Ці диференціали тисків зумовлюють потік рідини з зон високого тиску до зон низького тиску для зрівнювання тисків (кутову швидкість коригують до отримання піку диференціалу тиску між обома кінцями порожнини 7). Після припинення цього потоку і потоку рідини у порожнинах з'являються умови практичного спокою з незначним потоком або без нього, і умови у порожнинах з рідиною усередині можуть бути описані таким чином: Порожнину 6, що містить холоднішу рідину, можна назвати "Холодною колонкою", в якій у даний момент енергія рідини Холодної колонки = ентальпія + потенційна (від центрифуги) енергія. Згідно з робочим припущенням для стандартизованого процесу сила тяжіння відсутня або незначна порівняно з робочими параметрами процесу. Слід зазначити, що для осі обертання, паралельній горизонту Землі, сила тяжіння, що діє на рідину в Гарячій/Холодній колонках постійно обертається. Оскільки потенційна енергія є відносною до вибраної базової поверхні, загальна енергія при нульовій швидкості потоку рідини може бути репрезентовано таким чином: Відносно осі обертання: 2 2 1) E0 = (Y/(Y -1))рcvc - (V2) mcω hc Відносно центру мас рідини усередині Порожнини 4: 2 2 2 2) E0 = (γ/(γ -1))p0v0 +(1/2)m0ω (r -h0 ) При цьому: 3) Y = ср/сv 4) γ = H/U 5) H=U+PV 6) R=Cp - cv, де E0 - відповідна енергія рідини у Холодній колонці, γ - відношення питомих теплоємкостей, сp - питома теплоємкість газу при постійному тиску, cv, - питома теплоємкість газу при постійному об'ємі, H - ентальпія, U - внутрішня енергія рідини системи, P - тиск, V - об'єм, R - універсальна газова константа, p0 - тиск рідини у Холодній колонці (у центрі мас рідини), vc - об'єм Холодної колонки, m c - маса рідини Холодної колони ω - кутова швидкість, r - радіус або відстань між віссю обертання і центром мас рідини усередині Порожнини 4, hc - радіус або відстань між віссю обертання і центром мас (m c) рідини усередині Холодної колонки у Порожнині 5, що містить теплішу рідину, далі "Гаряча колонка", причому: Енергія рідини Гарячої колонки = ентальпія + потенційна (від центрифуги) енергія, загальна енергія при нульовій швидкості потоку рідини може бути репрезентована таким чином: Відносно осі обертання: 2 2 7) EH = (Y/(Y -1)) pнvн - (1/2)mHω hH Відносно центру мас рідини усередині Порожнини 4: 2 2 2 8) EH = (Y/(Y -1)) pнvн + (1/2)mHω (r -hH ), де EH - відповідна енергія рідини у Гарячій колонці, γ - відношення питомих теплоємкостей, pH тиск рідини у Гарячій колонці (у центрі мас рідини), vH -об'єм Гарячої колонки, m H - маса рідини у Гарячій колонці, ω - кутова швидкість, r - радіус або відстань між віссю обертання і центром мас рідини усередині Порожнини 4, hH - радіус або відстань між віссю обертання і центром мас рідини (mH) усередині Гарячої колонки. 7 UA 102583 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Оскільки у фазі підготування заслінку 42 закрито, а заслінку 30 трохи відкрито рідини у Холодній колонці і у Гарячій колонці після заспокоєння (або при незначному потоку) знаходяться під однаковим тиском на їх "дні" (порожнини 4). У стандартизованих умовах вважаємо, що однаковими є об'єми в обох колонках і розподілення маси з незначною різницею центрів мас рідин відносно загального радіусу (r), і тому з припустимим наближенням: 9) vc = vH = v, 10) hH = hc = h. Рідина поводиться як ідеальний газ, наприклад, моноатомний, і залишається у цьому стані протягом усього процесу (без фазового переходу і при температурі значно вище, ніж температура фазового переходу, тому без урахування варіацій енергії латентного тепла). Оскільки потік відсутній: 11) рн b = рс b і 2 2 2 2 2 2 12) [(Y/(Y -1) )pнv + (1/2) mHω (r -h )]/v = [(Y/(Y -D)pcv + (1/2) mcω (r -h ) ]/v, При цьому: 13) mH = pнv, 14) mc = Pcv, де рн b - статичний тиск на дні Гарячої колонки (на кінці Порожнини 4), pc b - статичний тиск на дні Холодної колонки (на іншому кінці Порожнини 4), ρH - середня щільність Гарячої колонки, ρc - середня щільність Холодної колонки. Отже, 2 2 2 15) (Y/(Y-D)рС(Y/(Y-D)рН(1/2)ω (r -h )(ρc - ρH) Оскільки ρc - щільність холоднішого газу, ρн < ρc. З рівняння 15 ρc < ρH (за умови, що ω лежить у заздалегідь визначеному робочому діапазоні). У верхній частині Гарячої колонки (на осі обертання) статичний тиск становить: 2 2 16) рнt= (Y/(Y -D)рн - (1/2)PHω h У верхній частині Холодної колонки статичний тиск становить: 2 2 2 2 2 2 2 17) pct = (γ/(γ -1))pc - (1/2) pcω h = (γ/(γ -1))рн - (1/2)ω (r -h )(pc - pH) - (1/2)pcω h Отже, диференціал статичного тиску у верхній частині: 2 2 2 2 2 18) Δpt = рнt - pct = (1/2)ω (r -h )(pc - pH) + (1/2)ω h (pc - pH), де рнt - статичний тиск у верхній частині Гарячої колонки (на кінці порожнини 7), pct - статичний тиск у верхній частині Холодної колонки (на іншому кінці порожнини 7, Δpt - диференціал статичного тиску між обома кінцями порожнини 7. Наслідком цього є те, що після фази приготування у верхній частині Гарячої і Холодної колонок на обох кінцях порожнини 7 утворюється диференціал тиску, який після відкриття заслінок викликає протікання рідини через порожнину 7 від Гарячої колонки до Холодної. Після відкриття заслінок може виникнути потік у порожнинах, оскільки тиск у верхній частині Гарячої колонки є вищим за тиск у верхній частині Холодної колонки, і це примушує рідину текти через порожнину 7 у Холодну колонку. Пропелерна група (мінімум один пропелер) активується потоком рідини через зовнішню порожнину (яка створює для рідини замкнену систему (далі - "система")) і і виконує роботу через вали до електричних генераторів (обертаючи їх ротори). Кожний з цих генераторів (наприклад, генератор змінного струму або динамо) генерує електричну напругу в результаті активації ротора. Ця напруга за законом Ленца може бути обчислена як 19) E = NBuI, де E - електрорушійна сила, B - щільність магнітного поля, u - швидкість провідника у магнітному полі, І - довжина провідника у магнітному полі, N - кількість витків провідника. Ця електрорушійна сила створює електричний струм у навантаженні (яким є ВР зовнішньої установки, приєднаний через Ковзний Конектор 35 (для спрощення вважається, що навантаженням є лише активний опір для постійного струму. Цей електричний струм: 20) I = E/Z = NBul/Z, де Z - електричний опір навантаження, I - електричний струм у вихідному ланцюгу кожного генератора і через нього у відповідному зовнішньому навантаженні (див. схему електричних з'єднань). 8 UA 102583 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Цей струм викликає протидію руху провідника (відносно магнітного поля), і тому обертання ротора здійснюється через вал і створює протидію обертанню відповідного пропелера. Отже, ця протидія створює опір потоку рідини через пропелерну групу у Порожнині 7. Сила, що діє на провідник, який рухається у магнітному полі у кожному генераторі становить: 2 2 2 21) F= NBIl = N B I u/Z, де F - сила протидії (між провідником і магнітним полем), створена струмом через провідник (і відповідним регульованим навантаженням) і спрямована проти сили, створеної рухом. Ця сила опору (яка через вал протидіє обертанню пропелерів і, отже, потоку рідини) може бути модульована корекцією електричного опору. Через цю взаємодію потік рідини через пропелерну групу, віддає частину його енергії у зовнішню систему через генератори у навантаження (а також витрачає її на втрати у генераторах і на тертя у зовнішній системі). Рідина, перебуваючи у газовій формі, передає частину кінетичної енергії її молекул зовнішній порожнині (системі), виконуючи цю роботу. Кожна з молекул рідини у газоподібному стані дає внесок в обертання кожного пропелера, через одну з його лопатей, відбивається від неї з швидкістю, меншою за швидкість удару у лопать. Кожна така молекула, відскокуючи назад від лопаті, зіштовхується з іншими молекулами, створюючи зниження середньоквадратичної швидкості молекул рідини, що взаємодіють з пропелерами, (тобто охолоджує рідину). Зовнішня робота, виконана рідиною системи (вихідна електрична потужність генератора і втрати) викликає охолодження газоподібної рідини на її шляху до виходу з порожнини 7 до Холодної колонки. Профілі пропелерів разом з відповідним електричним навантаженням, значенням опору і швидкістю рідини навколо них адаптовані до оптимального поглинання енергії і її передачі у вигляді електричного струму і втрат зовнішньої порожнини. На практиці електричні опори можуть бути кориговані індивідуально для максимізації відбору енергії пропелерною групою. Повна енергія, що передається протягом часу t назовні (включаючи втрати), називається далі Ee (t) і/або "Електрична Енергія". Слід зазначити, що у пропелерній групі з декількох пропелерів напрямок обертання кожного з них є протилежним до напрямку обертання попереднього, щоб забезпечити рекуперацію кутової швидкості молекул рідини, на яку вплинула сила протидії попереднього пропелера. Це не слід плутати з кутовою швидкістю, яка може бути викликана силою Коріоліса у Порожнині 7. Завдяки виходу енергії рідина, що виходить з порожнини 7, є холоднішою за рідину, що входить. У стабільних умовах температура і маса рідини, що входить у верхню частину Холодної колонки з порожнини 7 у кожному періоді часу t є рівними масі і температурі рідини, що виходить звідти униз. У таких стабільних умовах потрібно, щоб чиста термічна енергія, отримана з довкілля (а також з інших джерел, що розглядаються як зовнішні, наприклад, рекуперовані втрати тепла, отримані від генераторів у Порожнині 40 і втрати мотору центрифуги) дорівнювала виходу електричної енергії за той же період часу. Розглядаючи у стандартизованій версії переходу чистого тепла до рідини у порожнині 4 протягом часу t, тобто "тепла" або Qτ(t), слід зазначити, що це є результатом того, що його температура є нижчою за температуру довкілля. Це тепло надходить з зовнішнього довкілля через випромінювання (через вакуум між ЗК і ВР), теплопровідність стінок порожнини 4 і конвекцію рідини. Потік рідини з дна Холодної колонки у порожнину 4 є значно холоднішим за довкілля. Оскільки він тече через порожнину 4 до дна Гарячої колонки, він поглинає частину чистої термічної енергії, отриманої з довкілля (зовнішнього для ЗК, а також втрат зовнішньої системи). Термічна енергія, абсорбована рідиною, впливає на декілька факторів, наприклад, теплообмін поверхні з рідиною (для цього є ребра 21,22,23), теплопровідність матеріалу стінок порожнини, здатність стінок порожнини ефективно абсорбувати максимальний спектр електромагнітних хвиль, швидкість рідини у порожнині 4 (яка визначає тривалість впливу; потік у стандартизованій версії є відносно повільним, що забезпечує максимальну його ламінарність), відмінність її температури відносно довкілля, довжину порожнини 4 і рівень турбулентності рідини у Порожнині 4 (більша турбулентність збільшує конвекцію і тому сприяє більш однорідному розподіленню температури усередині рідини). Оскільки більш холодна рідина є більш щільною, вона має схильність натискати на зовнішні стінки порожнини 4 ВР (по периметру стінки з боку ЗК), додаючи внесок для прийому енергії з довкілля. Рідина на виході порожнини 4 у стабільному процесі має температуру, вищу за температуру у момент входження у Порожнину 4, але суттєво нижчу за температуру зовнішнього довкілля. 9 UA 102583 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Вона має таку ж температуру і масу, як рідина, евакуйована з дна Гарячої колонки у її верхню частину (до осі обертання) протягом того ж часу. Безпосереднє довкілля навколо ЗК втрачає температуру внаслідок передачі тепла (теплопровідністю, випромінюванням і конвекцією) у рідину. Ця прийнята енергія має рівень, який потім подається на вихід для різних застосувань через пропелери, генератори і електричні вихідні ланцюги. Отже, стабільний регулярний процес проходить таким чином: тепліша рідина у верхній частині Гарячої колонки створює вищий тиск, ніж холодніша рідина у верхній частині Холодної колонки, забезпечуючи потік рідини у Порожнині 7, активуючи цим пропелери, виробляючи на виході Електричну Енергію Ee(t). Втративша енергію, еквівалентну Ee(t), внаслідок виконання роботи, тобто генерації електричної потужності і втрат, рідина охолоджується і до верхньої частини Холодної колонки додається маса (m (t)) більш холодної рідина. Ця додана охолоджена маса рідини збільшує щільність Холодної колонки і, як результат, тиску у цій колонці. Це порушує рівновагу тисків поблизу дна і примушує таку ж масу (m (t)) витекти з дна Холодної колонки до порожнини 4. У Порожнині 4 рідина поступово нагрівається довкіллям навколо порожнин 4, протікаючи з дна Холодної колонки до дна Гарячої колонки і поповнюючи Гарячу колонку рідиною з температурою і масою (m (t)), які дозволяють не втрачати тиск, температуру і масу, незважаючи на перехід маси (m (t)) з її верхньої частини до Порожнини 7. Цей процес є безперервним, доки витримуються встановлені умови стосовно різних параметрів. Далі розглядаються міркування щодо стабільного процесу у його стандартизованій формі: За нормальних постійних робочих умов рідина у Гарячій колонці може мати відповідну енергію відносно осі обертання: 2 2 2 22) EH = (γ/(γ -1)) pнv - (1/2)mHω h + mHuH /2 За таких же робочих умов рідина у Холодній колонці може мати таку відповідну енергію відносно осі обертання: 2 2 2 23) Ec = (Y/(Y - 1)) pcv - (1/2)mcω h + mcuc /2, де EH - відповідна енергія рідини у Гарячій колонці відносно осі, яка складається з ентальпії, потенційної енергії і спрямованої кінетичної енергії, EC - відповідна енергія рідини у Холодній колонці відносно осі, яка складається з ентальпії, потенційної енергії і спрямованої кінетичної енергії, Y - відношення питомої теплоємкості pH до тиску рідини у Гарячій колонці (у центрі мас рідини), рc - тиск рідини у Холодній колонці (у центрі мас рідини), v - об'єм Гарячої колонки і Холодної колонки, mH - маса рідини у Гарячій колонці, mc - маса рідина у Холодній колонці, ω - кутова швидкість, r - радіус або відстань між віссю обертання і центром мас рідини усередині Порожнини 4, h - радіус або відстань між віссю обертання і центром мас (m H) і (mc) рідини усередині Гарячої і Холодної колонок, відповідно, UH - швидкість рідини у Гарячій колонці, Uc - швидкість рідини у Холодній колонці. Оскільки за постійних умов рідина у Гарячій колонці тече у Порожнину 7, а рідина у Холодній колонці приймається з Порожнини 7, а маса m (t), прийнята протягом часу (t) у Порожнину 7 є такою ж, як маса, що пройшла до Холодної колонки з Порожнини 7 за той же час, і, оскільки за постійних умов рівні загальної енергії системи, включаючи енергії E H і Ec залишаються незмінними протягом цього часу, відбувається наступне: Електрична Енергія Ee(t), яка є роботою на виході протягом часу (t), квантифікується як така, що дорівнює енергії рідини, прийнятої з Гарячої колонки протягом цього часу, без енергії рідини такої маси, яка виходить у Холодну колонку протягом цього часу (при цьому форми енергії, які не залежать від стандартизованого процесу, наприклад, ядерна або хімічна енергії, ігноруються). 24) Ее(t) = ЕH(t) - ЕC(t), де Ее(t) - електрична енергія, а також усі втрати енергії (зовнішні відносно системи - на тертя тощо), прийнята протягом часу (t) у результаті роботи, виконаної системою, ЕH(t) - енергія відносно осі обертання теплішої рідини, що входить у пропелерну групу протягом часу (t) з Гарячої колонки, ЕC(t) - енергія відносно осі обертання холоднішої рідини, що виходить з пропелерної групи протягом цього ж часу (t) до Холодної колонки. 10 UA 102583 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Наслідком є також те, що відношення між енергією рідини, що входить у пропелерну групу з Гарячої колонки протягом часу (t), EH(t), і повною енергією рідини у Гарячій колонці, EH, дорівнює відношенню між масою m (t), що проходить через неї протягом цього часу (t) і повною масою (m H) рідини у Гарячій колонці. 25) (EH(t)/ EH) = (m(t)/ mH) Крім того, відношення між енергією рідини, що входить з пропелерної групи у Холодну колонку протягом часу (t), EC(t), і повною енергією рідини у Холодній колонці E c дорівнює відношенню між масою m(t), що входить у Холодну колонку протягом того ж часу (t), і повною масою mc рідини у Холодній колонці. Отже, 26) (EC(t)/Ec) = (m(t)/ mc) Об'єднання попередніх рівнянь дає: 2 27) Ee(t) = (m(t)/mH)[((Y/Y-1)pHv - (1/2)mHωV + mHuH /2] - (m(t)/mc)[((γ/(γ-1))рcv - (1/2)mcωV + 2 mcuc /2]. Оскільки маса, що виходить з Гарячої колонки і маса, що входить у Холодну колонку протягом того ж часу за постійних умов, є однаковими, маємо: 28) m(t)) (вхід) = m (t) (вихід) Тому: 29) pHUHtA = рcUctA і тоді: 30) UC - (ρH/ρC)UH 2 2 31) Ee(t) = UHtA{(Y/(Y-I))рH + ρHUH /2} - UHtA(ρH/ρc){(Y/Y - D)рC +(ρH/ρC)ρHUH /2} 2 2 2 32) Ee(t) = UHtA{ (γ/(γ-I))pH - (ρH/ρc)(Y/(Y-I))рc + (ρHUH /2)(1 - ρH /ρc )} З іншого боку, аналіз чистої термічної енергії, прийнятої протягом часу (t), Qτ(t) при енергетичній рівновазі дає висновок: чисте тепло, прийняте протягом часу Q τ(t), яке підвищує повну ентальпію системи, без роботи на виході Ee(t) не змінює енергетичних рівнів системи: 33) E4+E7+ EC+EH +Qτ(t) -Ee(t) = E4+E7 +EC+EH де E4 - відповідна енергія рідини у порожнині 4 відносно осі, яка складається з ентальпії, потенційної енергії і спрямованої кінетичної енергії, E7 - відповідна енергія рідини у порожнині 7 відносно осі, яка складається з ентальпії, потенційної енергії і спрямованої кінетичної енергії. Тому: 34) Q7(t) = Ee(t) Для визначення співвідношення між PH і Pc за постійних робочих умов, можна розглянути такі міркування: За постійних робочих умов EH залишається незмінною протягом часу, і те ж стосується E c. Це означає, що рідина у Гарячій колонці і рідина у Холодній колонці знаходяться у стані рівноваги, завдяки чому вони течуть через порожнини 7 і 4 і циркулюють через колонки, постійно отримуючи протягом кожного періоду (t) чисту термічну енергію Qτ (t) і виконуючи роботу Ee(t), яка дорівнює термічній енергії. Відношення між енергіями EH і Ec залишається незмінним. Слід зазначити, що Qτ(t), будучи теплом, збільшує неупорядковану молекулярну кінетичну енергію системи. З іншого боку, Ee(t) є, по суті, робота на виході, пов'язана з силою, прикладеною до пропелерної групи (диференціалом тиску), з верхньої частини Гарячої колонки до верхньої частини Холодної колонки, з урахуванням швидкості рідини через неї і часу (t). За цих динамічних умов відношення між EH і Ec підтримується постійним тим, що тиск на Порожнину 4 від Гарячої колонки є суттєво рівним тиску на її іншому кінці від Холодної колонки. Це є прийнятною апроксимацією, коли потік рідини через порожнину 4 є достатньо повільним і ламінарним, а порожнина 4 є достатньо короткою. (в іншому разі слід брати до уваги диференціал тиску між кінцями порожнини 4). З урахуванням наведеного вище: 2 2 2 2 35) {(Y/(Y - I )) рcV + (1/2 )mcω ( r -h ) + mcUc /2}(1/V) = 2 2 2 2 = {(Y/(Y - D) рHV + (1/2 )mHω ( r -h ) + mHUH /2 }(1/V). Отже: 2 2 2 2 36) (Y/(Y-I)) рc= (Y/(Y-I))рH - (1/2)ω (r -h )(pC - рH) + (pHUH /2)(1- pH/pC) Беручи до уваги (32), отримуємо: 2 2 2 37) Ee(t) = UHtA[(γ/(γ-I))pH - (pH/pC){(Y/(Y - D)рH - (1/2)ω (r -h )(pc - pH) + 2 2 2 2 (рHUH /2)(1- рH/pC)} + (pHUH /2)(1- pH / pC )] При цьому: 38) рHvH = m(t)(R/M)TH де TH - абсолютна середня температура рідини у Гарячій колонці. 11 UA 102583 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 M - молярна маса рідини у системі. Звідси маємо 29, 37, 38: 2 2 2 2 39) E e(t) = m(t) (1- рH/рC){(Y/(Y-I))RTH/M+(1/2) ω (r -h ) + UH /2} Або, з 6, 3: 2 2 2 2 40) E e(t) = m(t)(1-pH/pC) {(cp/M)TH +(1/2)ω (r -h ) + UH /2} Формула 39 у спрощеній стандартизованій версії установки квантифікує значення електричної енергії (включаючи зовнішні втрати), яке є виходом системи у вигляді роботи, виконаної назовні у стабільному стані. ЇЇ можна застосовувати при ω ≠ 0. При цьому для низьких швидкостях потоку кінетичний компонент стає вторинним (або навіть несуттєвим) у пропорційному внеску в електричну енергію відносно інших енергетичних компонентів. У цих формулах маса m(t) може бути перенесена у лапки з отриманням 2 2 2 2 41) Ee(t) = (1-рH/рC){ m(t)(cp/M)TH + m(t)(1/2)ω (r -h ) + m(t)UH /2} Зміною фокальної точки формули 41 може бути обчислене відношення між щільностями у Гарячій і Холодній колонках, зумовлене параметрами системи і виходом електричної енергії: 2 2 2 2 2 2 2 2 42) ρН/ρС = [m(t){(сp/M)TH +(1/2)ω (r -h ) + UH /2} - Ee(t)]/[ m(t){(сp/M)TH +(1/2)ω (r -h ) + UH /2 }] У формулі 42 вважається, що будь-яка прийнята електрична енергія, є виходом системи у зовнішнє довкілля, і це дає: 43) ρН < ρС 44) Tc < TH, де Tc - абсолютна середня температур рідини у Холодній колонці. ККД системи у забезпечення роботи на виході, E e(t). Для обчислення ККД у виробленні роботи через пропелерну групу ККД необхідно визначити. Протягом часу t система забезпечує еквівалент: 2 2 2 2 45) {m(t)(сp/M)TH + m(t)(1/2)ω (r -h ) + m(t)UH /2} Цим же процесом здійснюється рекуперація: 2 2 2 2 46) (ρH/ρC){ m(t)(cp/M)TH + m(t)(1/2)ω (r -h ) + m(t)UH /2} На основі визначення цього ККД як відношення між вихідною енергією E e(t) і повною енергією, визначеною 45, ККД: 2 2 2 2 47) η = E e(t)/{ m(t) (cp/M)TH + m(t)(1/2)ω (r -h ) + m(t)UH /2} Отже: 48) η = (ρH/ρC). Це дає критерії для стабільного стану системи з умовою, що у регулярному робочому процесі система не буде стабільною, якщо існує рівновага між її ККД η і відношенням щільностей (з урахуванням різних робочих параметрів, наприклад, розмірів, тиску рідини, диференціалу температур рідин Гарячої/Холодної колонок, кутової швидкості тощо). Крім того, ця безперервність регулярного робочого процесу вимагає, щоб швидкість теплопередачі з довкілля у систему була щонайменше такою ж як виведення енергії, з стабілізацією при Q τ(t) = Ee(t). Сила Коріоліса і її вплив на стабільний стан процесу. Рідина у Гарячій і Холодній колонках тече у протилежних напрямках паралельно до радіусу обертання. Для сталого потоку рідини кутова швидкість молекул, що віддаляються від осі, зростає з зростанням радіусу. З молекулами, що наближаються до осі відбувається протилежне. У стабільному стані протягом кожного періоду t одна і та ж маса m (t) входить і виходить у кожній з колонок. Тому: 49) FH = -2mHUHω 50) Fc= -2mcUcω = -2(pc/pH)mH(pH/Pc)UHω = -2mНUНω, де FH:- сила Коріоліса, створена потоком рідини у Гарячій колонці у ВР, що обертається, Fc - сила Коріоліса, створена потоком рідини у Холодній колонці у ВР, що обертається. Оскільки у Гарячій і Холодній колонках напрямки потоків є протилежними, у Гарячій колонці потік спрямовано до осі обертання, а у Холодній від цієї осі. Загальна дія сил Коріоліса на частоту обертання є нульовою, тобто потік рідини у кожній з колонок буде нерівномірно притискатись до стінок завдяки цій силі. Це впливає на розташування молекул потоку уздовж колонок і може викликати додаткові тертя і турбулентності, але може бути ігноровано у стандартизованих установках (внаслідок повільності потоку). Крім того, сила Коріоліса може вплинути на структуру потоку у Порожнині 7 внаслідок нерівномірного охолодження рідини, але це також може бути ігноровано у стандартизованій версії. Стискання і вивільнення рідини у колонках (додаткові міркування). Рідина у кожній з колонок у ВР, що обертається, у стабільному процесі зазнає різних тисків на різних відстанях від осі обертання. Ці тиски впливають на щільність газоподібної рідини на кожному радіусі обертання. Для кожної частини маси внутрішнє розподілення енергії рідини між 12 UA 102583 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 кінетичною, потенційною і ентальпією зсувається з потоком. Оскільки рідина у Холодній колонці безперервно тече "униз" (від осі обертання), молекули колонки зазнають стискання. У Гарячій колонці, оскільки рідина у безперервно тече "угору" (до осі обертання), молекули колонки вивільняються від тиску. Стискання, нагрівання рідини Холодної колонки (у добре ізольованому адіабатичному процесі) і вивільнення від тиску, яке охолоджує рідину Гарячої колонки, протирічать конструктивним вимогам системи стосовно входження у порожнину 4 для повторного нагрівання при найнижчій можливій температурі і максимальній різниці температур рідин Гарячої і Холодної колонки. Згідно з аналізом впливу такого стискання на кожну масу m(t) з моменту виходу з порожнини 7 (і пропелерної групи) і входження у Холодну колонку до моменту виходу з Холодної колонки через дно до порожнини 4 ( через час tc) енергія відносно осі обертання у верхній частині і дні є: 2 51) E c(t)1 = m(t){(Y/(Y-D)RTc1/M + Ud /2} 2 2 2 52) EC(t)2 = m(t){(Y/(Y-D)RTc2/M - (1/2)ω r + Uc2 /2} В умовах, коли маса m (t) є добре ізольованою і відсутні додаткові входи/виходи енергії з нею, повна енергія маси на вході і виході відносно осі обертання залишається незмінною. 53) Ec(t)1 = Ec(t)2 2 2 2 2 54) m (t){(Y/(Y - D )RT01 /M + Ucl /2 } =m (t){(Y/(Y - D )RTc2/M - (1/2 )ω r + Uc2 /2}, а також, оскільки маса є такою ж: 55) ρc1Uc1At= pc2Uc2At Різниця температур цієї теоретичної маси m (t) (тече униз з верхньої частини до дна) на проміжку часу присутності у колонці tc (при температурі, що забезпечує газоподібний стан і далекій від температури фазового переходу) становить: 2 2 2 2 2 56) ΔTmc(t) = Tc2- Td = ((γ -1)/γ)(M/R){(1/2)ω r + Ud /2(1- ρc1 /ρc2 )}, де Ec(t)1 - відповідна енергія рідини маси m (t) у верхній частині Холодної колонки відносно осі обертання, яка складається з ентальпії, потенційної енергії і спрямованої кінетичної енергії. Ec(t)2 - відповідна енергія рідини тієї ж мас m (t) на дні Холодної колонки відносно осі обертання, яка складається з ентальпії, потенційної енергії і спрямованої кінетичної енергії. Tc1 - абсолютна температура маси m (t) на вході у верхній частині Холодної колонки, Tc2 - абсолютна температура маси m (t) на виході у дні Холодної колонки, ΔTmo(t) - різниця температур маси m (t) на проміжку часу присутності у Холодній колонці tc з моменту входу до моменту виходу, ρc1 - щільність маси m (t) у точці входу, ρc2 - щільність маси m (t) у точці виходу. Uc1 - швидкість маси m (t) у точці входу, Uc2 - швидкість маси m (t) у точці виходу. Цей же принцип застосовується для зниження температури у рідині Гарячої колонки (в адіабатичному процесі) на вході на дні і виході у верхній частині через час t H. Для Гаряч колонки у точці входу: 2 2 2 57) EH(t)1 = m(t){(Y/(γ -1))RTH1/M - (1/2)ω r + UН1 /2) У точці виходу: 2 58) EH(t)2 = m(t){(Y/(Y - D)RTH2/M + UH2 /2 } У Гарячій колоні в адіабатичних умовах: 59) EH(t)1 = EH(t)2 Тому: 2 2 2 2 60) m(t){(Y/(Y - D)RTH2/M + UH2 /2}= m(t){(γ/(γ - 1))RTH1/M - (1/2)ω r + UH1 /2} а також: 61) ρH1UH1At= ρн2UН2At 2 2 2 2 2 62) ΔTmH(t)=TH2 - TH1= -((Y - D/Y)(M/R){(1/2)ω r +UH2 /2(1- ρH2 /ρHi )}, де EH(t)1 - відповідна енергія рідини маси m (t) на дні Гарячої колонки відносно осі обертання (у точці входу), яка складається з ентальпії, потенційної енергії і спрямованої кінетичної енергії, EH(t)2 - відповідна енергія рідини маси m (t) у верхній частині Гарячої колонки відносно осі обертання (у точці входу), яка складається з ентальпії, потенційної енергії і спрямованої кінетичної енергії, TH2 - абсолютна температура маси m (t) у точці виходу у верхній частині Гарячої колонки, ΔTmH(t) - різниця температур маси m(t) на проміжку часу присутності у Гарячій колонці tН з моменту входу до моменту виходу, ρH1 - щільність маси m (t) у точці входу, ρH2 - щільність маси m (t) у точці виходу, UH1 - швидкість маси m (t) у точці входу, UH2 - швидкість маси m (t) у точці виходу. 13 UA 102583 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Дія стискання/звільнення від тиску може бути мінімізована зниженням швидкості потоку рідини, а також наступними заходами. Охолоджуюча дія звільнення від тиску може бути мінімізована підданням рідини у Гарячій колонці додатковому нагріванню від довкілля уздовж колонки, включаючи у перерізі частини, ближче до осі обертання (повторне нагрівання). Повторне нагрівання робить цю частину процесу більш схожою на ізотермічне зняття тиску, а не адіабатичне. Нагрівання від стискання може бути мінімізоване встановленням температури рідини у точці входу у верхній частині Холодної колонки (після виходу з пропелерної групи) дуже близькою до температури фазового переходу (конденсації) після абсорбування частини латентного тепла пропелерної групою і виходу з системи. Це дозволяє послабити повторне нагрівання потоку "униз", оскільки рідина рекуперує латентне тепло. Отже, латентне тепло, що бере участь у процесі, додається до інших компонентів енергії відповідної рідини і може бути репрезентоване як: 63) QL= m(t)L, де QL - кількість енергії, вивільненої або абсорбованої під час зміни фази рідини, L - питома латентна теплоємкість рідини. Крім того, безперервні частини маси не ізольовані одна від одної уздовж колонки і тому виникає потік тепла у колонці, головним чином через випромінювання і конвекцію, який впливає на внутрішнє розподілення температури. Уповільнення потоку подовжує час обміну середньої енергії для кожної масової частини у колонці (від входу до виходу) і робить більш плоскою різницю температур у кожній колонці. Зміни температури внаслідок змішування рідини різних фаз можуть бути використані у порожнинах для підтримання газоподібної поведінки (у частині виходу енергії через пропелерну груп) одної або більше рідин у суміші, що є сприятливим у цьому фазовому переході (конденсації) в одній або більше інших рідин. Отже, описано установку і спосіб використання єдиного джерела термічної енергії для перетворення її частини у корисну енергію. У цьому процесі рідина, яка входить у порожнину 6 ("Холодну колонку"), може стабільно мати первісну низьку температуру після кожного циклу проходження рідини через систему. Рідина у порожнині 5 (Гаряча колонка) підтримуватиметься теплішою за рідину у Холодній колонці завдяки надходженню термічної енергії з теплого довкілля, а також охолодженню рідини, викликаному виходом енергії через пропелерну групу (у порожнину 7), без потреби теплового стоку для евакуації надлишку термічної енергії з Холодної колонки і доведення її цим до первісної низької температури. Запропоновані поліпшення і корекція описаних вище установки і способу включають тепловий стік, який забезпечуватиме постійну у часі різницю температур частин рідини у Гарячій колонці і у Холодній колонці. У будь-яких випадках, коли вихід енергії з рідини через її взаємодію з пропелерною групою не охолоджує рідину достатньо для доведення її до первісної заданої низької температури, тепловий стік евакуюватиме надлишок тепла з рідин у Холодній колонці, підтримуючи первісні умови різниць температур, які забезпечують вихід потоку і енергії. Корекції установки, описані вище, ілюстровано на фіг. 10. Зовнішній циліндр 1, який утворює зовнішню оболонку внутрішнього ротора ВР, є порожнистим герметично замкненим циліндром, виготовленим з теплопровідного матеріалу, і має кільцевий поперечний шар термоізоляційного матеріалу 70. Цей ізоляційний шар 70 приєднано до теплопровідного матеріалу зовнішнього циліндра 1 герметично і достатньо міцно, щоб витримати вакуумні умови у порожнині 60 між зовнішнім циліндром і серединою зовнішньої оболонки 61 під дією тиску рідини усередині ВР. Кільцевий шар 70 розташовано поблизу замкненої основи на боці порожнини 6 (Холодної колонки) як частини зовнішнього циліндра 1. До цього термоізоляційного шару 70 приєднано навколо його зовнішнього периметру дві кільцеві плоскі поверхні 71, 72. Ці кільцеві приставки також виготовлено з термоізоляційного матеріалу кольору, що відбиває електромагнітне теплове випромінювання для максимального зниження випромінювання тепла через приставки 71, 72 в об'єм між внутрішньою частиною зовнішньої оболонки 61 і зовнішнім циліндром 1 (який утримується у вакуумних умовах). Метою цього є максимальне послаблення теплопередачі між об'ємом, відкритим до теплішої довкільної зони ("теплішого довкілля"), і об'ємом, відкритим до холоднішого довкілля по обидва боки 71, 72, і зниження цим небажаного повторного нагрівання частини рідини у порожнині 6 (Холодній колонці). Зовнішню оболонку 61 подібним чином приєднано до зовнішнього циліндра 1, з утворенням кільцевої секції з теплопровідного матеріалу навколо нього і з термоізоляційним шаром 73 такої ж форми, як секція, приєднаним до зовнішньої оболонки 61 герметично і достатньо міцно для 14 UA 102583 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 витримування тиску зовнішнього довкілля на вакуум, створений усередині зовнішній оболонки 61 у порожнині 60. Термоізоляційний шар 73 звернений і є паралельним до відповідного ізоляційного шару 70 на зовнішньому циліндрі 1. До перерізу 73 на внутрішньому боці зовнішньої оболонки 61 приєднано два термоізоляційні кільця з плоскими поверхнями (уздовж секції 73) 74, 75, виготовлені з термоізоляційного матеріалу, які також мають колір, що відбиває теплове випромінювання (як секції 73 і 70). Ці елементи виконують ту ж роль, як і приставки 71, 72, і разом знижують теплопередачу. Теплообмінні ребра не встановлено на ізоляційних секціях 70, 73 або на будь-яких їх термоізоляційних елементах. До термоізоляційного шару 73 уздовж його зовнішньої частини приєднано термоізоляційну секцію 76, призначену відділяти тепліше і холодніше довкілля, до яких відкрита установка, від зовнішньої оболонки 61. Установку відкрито до цих двох довкіль таким чином: весь об'єм навколо зовнішньої оболонки 61 від секції 76 назовні, де розташовано порожнини 4 і 5, є відкритим до теплішого довкілля. Весь об'єм навколо зовнішньої оболонки 61 від секції 76 до іншого боку назовні порожнина 6 є відкритим до холоднішого довкілля (порівняно з теплішим довкіллям). Термоізоляційний шар 25 (фіг. 1), розташований між порожниною 6 і основою зовнішнього циліндра 1 призначено забезпечувати охолодження частини рідини у порожнині 6 (Холодна колонка) завдяки його відкритості до холоднішого довкілля зовнішньої оболонки 1 через вакуум у відповідній частині порожнини 60. Для поліпшення такого охолодження до внутрішньої частини основи зовнішнього циліндра 1 усередині порожнини 6 приєднано ряд теплопровідних теплообмінних ребер 77. Напрямок цих теплообмінних ребер 77 є таким, що потік рідини усередині порожнини 6 зазнає мінімальних порушень і турбулентності. На зовнішніх поверхнях основ зовнішнього циліндра 1 і на внутрішніх поверхнях відповідних стінок (або основ, якщо зовнішня оболонка 61 є циліндричною) зовнішньої оболонки 61, встановлено ряд кругових теплопровідних теплообмінних ребер з забезпеченням теплопровідності на різних радіусах навколо осі обертання: ребер 78, 79 і ребер 80, 81, відповідно. Ребра 78, 79 збільшують зону тепловипромінювання усередині вакуумної порожнини 60, підвищуючи швидкість охолодження рідини усередині порожнині 6 зовнішнім холоднішим довкіллям. Ребра 80, 81 збільшують зону тепловипромінювання усередині вакуумної порожнини 60, підвищуючи швидкість нагрівання рідини усередині порожнини 5 зовнішнім теплішим довкіллям. Кругова форма ребер і різні радіуси дозволяють відповідним ребрам 78, 79 і 80, 81 бути спрямованими одне до одного без створення перешкод, коли внутрішній ротор обертається усередині зовнішньої оболонки 61. Далі розглядається спосіб використання удосконаленої установки. Після активації мотор 17 обертає внутрішній ротор ВР з бажаною кутовою швидкістю ω, зовнішня оболонка ЗК утримується у тому ж холодному довкіллі до стабілізації температури при обертанні, а зовнішня оболонка 61 установки є відкритою до робочого довкілля у двох різних температурних зонах, розділених термоізоляційною секцією 76. Частина рідини усередині порожнин 4, і 5 знаходиться у газоподібному стані і є відкритою до теплішої (відносно холоднішого довкілля) зони довкілля назовні зовнішньої оболонки 61 навколо них. Частина рідини усередині порожнині 6 знаходиться у газоподібному стані (може також бути у рідкому стані) і є відкритою до холоднішої (відносно теплішого довкілля) зони довкілля назовні зовнішньої оболонки 61 лицем до неї. Оскільки рідина у порожнинах і зовнішньому довкіллі розділені теплопровідним матеріалом і вакуумом, теплообмін між частинами рідини у порожнинах і їх відповідними довкільними зонами здійснюється через конвекцію (у рідині), теплопровідність (у теплопровідній оболонці і матеріалі ребер) і випромінювання (через порожнину 60 у вакуум) і комбінацією цих процесів. Термоізоляційні секції 70, 73 і відповідні ізоляційні елементи 71, 72 і 74, 75, 76 послабляють до мінімуму взаємний вплив температур і нагрівання між двома зонами довкілля, їх відповідними порожнинами усередині внутрішнього ротора і частинами рідини у них. Внаслідок цього дві довкільні зони рідини, стиснутої усередині порожнин внутрішнього ротора мають змінну температуру: рідина усередині порожнин 4, 5 є теплішою за частину рідини усередині порожнини 6. Тому перед активацією мотору 17 центрифуги щільність газового стану рідини є вищою у порожнинах з нижчою температурою. Частина рідини у порожнині 6 (Холодна колонка) є щільнішою і тому має більшу масу на одиницю об'єму, ніж тепліша частина рідини у порожнині 5 (Гаряча колонка такого ж об'єму у стандартизованій версії). Після доведення мотору 17 центрифуги до потрібної швидкості обертання, частини рідини у Гарячій і Холодній колонках зазнають дії відцентрових сил згідно з їх масою і швидкістю і протитиском одна на одну через їх дно і порожнину 4. 15 UA 102583 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Холодніша більша маса частини рідини у Холодній колонці тисне на нижню теплішу частину рідини у Гарячій колонці для урівноваження тиску на обох кінцях порожнини 4. Внаслідок цього тиск на кінці порожнини 7, приєднаної до верхньої частини Холодної колонки падає відносно тиску на іншому кінці порожнини 7, приєднаному до верхньої частини Гарячої колонки. Цей диференціал тиску викликає проходження рідини через порожнину 7, через пропелери 13 пропелерної групи, активуючи їх і забезпечуючи вихід електричної або іншої корисної енергії назовні системи. Виведена енергія є частиною кінетичної енергії молекул рідини (пропорційної температурі рідини) і викликає охолодження рідини при її проходженні через порожнину 7 до верхньої частини Холодної колонки. Ця свіжа рідина у Холодній колонці є холоднішою відносно її температури температур у точці входу у порожнину 7 і у верхній частині Гарячої колонки. Холодніша довкільна зона Холодної колонки забезпечує подальше зниження температури рідини у Холодній колонці, яка віддає тепло цій холоднішій зоні. В умовах рівноваги різниця температур між частинами рідини у Гарячій і Холодній колонках є наслідком різниці температур холодної і гарячої зон довкілля, а також умовами центрифуги, створеними обертанням внутрішнього ротора, і забезпечує протікання рідини через порожнини 7, 6, 4, 5 і стабільний вихід корисної енергії. Наслідком цього процесу є охолодження теплішої зони довкілля і нагрівання холоднішої зони. Тиск рідини усередині порожнини внутрішнього ротора, швидкість обертання мотору 17 центрифуги і опори вихідних електричних ланцюгів (і, отже, опір потоку кожного відповідного ротора 13) мають бути кориговані для оптимізації рекуперації енергії з будь-яких двох параметрів довкільних зон. Енергія, рекуперована у цьому процесі, є частиною різниці термічних енергій цих двох довкільних зон, до яких є відкритою оболонка 61. Термічна енергія втрачена у моторі 17 центрифуги, вихідних генераторах 15 і через тертя, спрямовується назад і рекуперується у значній мірі у теплішу рідину через порожнини 4 і 5. Турбулентність і тертя, створені остаточним газом у порожнині 60 (в якій створено максимально глибокий вакуум), дають додаткове нагрівання теплішої довкільної зони і порушують охолодження холоднішої довкільної зони і мають бути мінімізовані оптимізацією вакууму і внутрішньої форми зовнішнього циліндра 1, внутрішньої частини зовнішньої оболонки 61 і їх елементів з найкращими аеродинамічними властивостями. Енергія, потрібна для обертання мотору 17 центрифуги (без втрати тепла, рекуперованого через теплішу рідину), є мінімально потрібним корисним виходом, що забезпечує ненульовий корисний вихід. Джерела гарячої і холодної довкільних зон і засоби збирання: Є багато джерел гарячої і холодної довкільних зон у безпосередній близькості. Прикладом можуть бути деякі варіанти для таких зон і засобів відбору, а саме, використання двох окремих теплопровідних трубок/ребер для максимального теплообміну, одні для холоднішої довкільної зони, а інші для теплішої зони, кожні з рідиною (у рідкому або газоподібному стані) або без, з циркуляцією за допомогою вбудованого насосу. Один комплект призначено для евакуації тепла з частини рідини, що потребує охолодження, у холоднішу довкільну зону і інший для відбирання тепла від теплішої зони у частину рідини, що потребує нагрівання. Переміщення тепла через теплообмінні поверхні може бути використане, наприклад, для переміщення судна на морі; літака у повітрі тощо. Вітряні умови також збільшують теплообмінні властивості таких поверхонь. Як комбіноване гаряче/холодне джерело можуть бути використані різниці температур між, наприклад, такими комбінаціями: глибока і поверхнева вода моря, море і повітря, підземна і атмосферна температури, вище і нижче повітря, сонячна і тіньова зони, сухе і зволожене повітря (водою або іншою рідиною), випарюванням (корисне у довкіллях з низькою вологістю). Як інші комбіновані джерела можна використовувати різниці температур між нагріванням через втрати (наприклад, у будь-якому електричному/електронному пристрої, потужних генераторах, двигунах транспортних засобів тощо) разом з сусіднім повітряним/водним довкіллям як холоднішою довкільною зоною. Можливими є також активні джерела теплішої довкільної зони, спалювання палива для створення такого джерела, перетворюючи цю установку у термічно ефективний генератор. Частина корисної енергії, виробленої системою, може бути надіслана назад, якщо бажаним є додаткове охолодження холодної довкільної зони і/або нагрівання теплої довкільної зони. Фіг. 11 містить схему з'єднання з холоднішою/теплішою довкільними зонами: зовнішню оболонку 61, теплопровідна зовнішня частина якої розділена термоізоляційним шаром 76. На двох теплопровідних частинах встановлено теплопровідні теплообмінні ребра 88, 89. Ці дві частини зовнішньої оболонки 61 обладнано герметичними термоізоляційними кришками 82, 83, герметично з'єднаними з термоізоляційною секцією 76. До кожної з цих кришок 82, 83 герметично приєднано теплопровідні трубки 86, 87, відповідно. Кожна з цих трубок 86, 87 містить термічну рідину і обладнана насосом, 84, 85, відповідно. Насоси забезпечують 16 UA 102583 C2 5 циркуляцію рідини між зовнішньою частиною зовнішньою оболонки 61 і джерелами гарячої/холодної температур, які утворюють дві довкільні зони, потрібні для процесу. Серед додаткових застосувань способу і установки залежно від обраної конфігурації є охолодження, конденсація і забезпечення руху. Ці спосіб і установка можуть брати участь прямо і/або непрямо у багатьох процесах і установках різноманітного призначення. Деякі з них вже існують у момент презентації, а інші є перспективними. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 1. Установка, призначена перетворювати термічну енергію, присутню у даному робочому довкіллі, у корисну енергію, яка відрізняється тим, що: - має зовнішній корпус (ЗК), бажано, циліндричної форми, який має двосторонній клапан (63) і містить внутрішній замкнений циліндричний ротор (ВР), який відділений від зовнішнього корпусу (ЗК) вакуумом, утримується зовнішнім корпусом на двох опорних поверхнях (19, 38) і складається з трьох порожнистих циліндричних частин, виготовлених з теплопровідного матеріалу і встановлених один усередині одного на спільній осі обертання (18), де першою частиною є зовнішній порожнистий замкнений циліндр (1), що містить другу частину, якою є менший середній циліндр (2), і третю частину, якою є внутрішній циліндр (3), встановлений усередині середнього циліндра (2) на спільній осі обертання; - внутрішній циліндр (3) є відкритим на його осьових кінцях і має дві контрольовані заслінки (41, 42), що дозволяють закривати або відкривати порожнину (7) усередині внутрішнього циліндра (3); - середній циліндр (2) є замкненим навколо внутрішнього циліндра (3) і утворює порожнину (40); - стінка внутрішнього циліндра (3), одна з кінцевих стінок середнього циліндра (2) і протилежна стінка зовнішнього циліндра (1) забезпечені термоізоляційним шаром (26, 25); - периферія кінця середнього циліндра (2) має термоізоляційний шар (26) з набором контрольованих клапанів або контрольованим юбковим ущільненням (30), які дозволяють герметично розділяти на дві частини порожнину (4, 5, 6), розташовану між стінками середнього (2) і зовнішнього циліндрів (1), і відкривати або закривати прохід між зазначеними частинами; - зовнішній циліндр (1) має односторонній клапан (32) і двосторонній клапан (33); - усередині внутрішнього циліндра (3) встановлено групу пропелерів (13), забезпечену засобами, що дозволяють перетворювати енергію обертання пропелерів у корисну енергію; - усередині зовнішнього корпусу (ЗК) розташовано мотор, призначений забезпечувати обертання внутрішнього ротора (ВР); - має засоби контролю мотора (17), пропелерів і заслінок для передачі назовні установки перетворену енергію обертання пропелерів для моніторингу температури і тиску усередині внутрішнього ротора (ВР), і - усередині внутрішнього ротора (ВР) знаходиться рідина під тиском. 2. Установка за п. 1, яка відрізняється тим, що - зовнішня бічна поверхня зовнішнього ротора (1) має кругові теплообмінні ребра (23) і - внутрішня поверхня зовнішнього циліндра (1) має теплообмінні ребра (21), які є перпендикулярними до цієї поверхні і паралельними до її осі і сходяться у напрямку осі обертання. 3. Установка за п. 1 або п. 2, яка відрізняється тим, що пропелери забезпечено засобами перетворення їх енергії обертання в електричну енергію. 4. Установка за будь-яким з пп. 1-3, яка відрізняється тим, що зовнішній циліндр (1) має кільцевий поперечний шар термоізоляційного матеріалу (70), розташований поблизу замкненої основи на боці порожнини (6), як частину зовнішнього циліндра (1), і тим, що має: - дві кільцеві плоскі поверхні (71, 72) з термоізоляційного матеріалу, встановлені навколо зовнішнього боку кільцевого поперечного шару (70), - зовнішній корпус (61) з кільцевим шаром (73) з термоізоляційного матеріалу, розташованим лицевою частиною у бік і паралельно до відповідного шару (70) з ізоляційного матеріалу на зовнішньому циліндрі (1); - дві термоізоляційні кільцеві плоскі поверхні (74, 75), встановлені на внутрішньому боці зовнішнього корпусу (61) у зоні, утвореній зазначеним кільцевим шаром (73) з термоізоляційного матеріалу; - термоізоляційну поперечину (76), закріплену на зовнішньому боці зазначеного кільцевого шару (73) з термоізоляційного матеріалу, причому стінки кінцевої основи зовнішнього циліндра (1) не мають термоізоляційного шару; 17 UA 102583 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 - декілька теплопровідних теплообмінних ребер (77), приєднаних з забезпеченням теплопровідності до внутрішньої частини основи зовнішнього циліндра (1) і - декілька теплопровідних теплообмінних ребер (78, 79; 80, 81), приєднаних з забезпеченням теплопровідності на змінних радіусах навколо обох кінців осі обертання, розташованих усерединізовнішнього корпусу (ЗК). 5. Спосіб використання установки за будь-яким з пп. 1-3 для перетворення термічної енергії, присутньої у даному робочому довкіллі, у корисну енергію, який відрізняється тим, що включає такі операції: - рідину під тиском з порожнини (60), утвореної між зовнішнім корпусом (ЗК) і внутрішнім ротором (ВР), пропускають через односторонній клапан (32) зовнішнього циліндра (1) у порожнини внутрішнього ротора (ВР); - після заповнення рівномірно стиснутою рідиною усіх порожнин внутрішнього ротора (ВР) тиск у рідині навколо внутрішнього ротора (ВР) скидають, викликаючи цим закриття одностороннього клапана (32) зовнішнього циліндра (1); - рідину з порожнини (60) між зовнішнім корпусом (ЗК) і внутрішнім ротором (ВР) евакуюють викачуванням до досягнення майже абсолютного вакууму; - зовнішній корпус (ЗК) потім вносять в охолоджене довкілля; - після досягнення бажаної низької температури усередині внутрішнього ротора (ВР) заслінку (42), розташовану на кінці внутрішнього циліндра (3) поблизу стінок, утворених ізоляційним шаром, герметично закривають, а заслінку (41), розташовану на іншому кінці внутрішнього циліндра (3), і клапани або ущільнюючу юбку (30) закривають таким чином, щоб дозволити протікання рідини для зрівнювання тисків; - активують мотор (17), що обертає внутрішній ротор (ВР), і доводять до бажаної кутової швидкості (ω) обертання, утримуючи зовнішній корпус (ЗК) у тому ж холодному довкіллі до стабілізації температури в умовах обертання; - далі зовнішній корпус (ЗК) розміщують у робочому довкіллі, яке має температуру, вищу за температури, знижені охолодженням, викликаючи нагрівання порожнин внутрішнього ротора випромінюванням від довколишньої термічної енергії, яке приймається від зовнішнього корпусу (ЗК) через вакуум порожнини (60), причому температура ізольованих зон піднімається значно менше, ніж температури неізольованих зон; - моніторинг температур ізольованих і неізольованих секцій з коригуванням тривалості піддавання дії для досягнення їх максимальної різниці і створення відповідної різниці між щільностями рідини у холодніших зонах і рідини у тепліших зонах у сполученні з умовами центрифуги, яким рідину піддають обертанням, а також створення різниці тисків між теплішою і холоднішою рідинами для забезпечення протікання рідини з зони високого тиску у зону низького тиску і зрівнювання цим тисків; - після припинення протікання і досягнення рідиною у порожнинах практичного стану спокою заслінки (41, 42) на кінцях внутрішнього циліндра (3) і клапани або ущільнюючу юбку (30) відкривають, забезпечуючи викликане різницею тисків протікання рідини з тепліших зон у холодніші зони усередині внутрішнього циліндра (3), яке активує пропелери, енергія обертання яких перетворюється у корисну енергію і викликає охолодження рідини, що продовжує текти до частини внутрішнього ротора (ВР), яка утворена ізоляційним шаром і містить холоднішу рідину; - після цього холодніша рідина продовжує текти через клапани або ущільнюючу юбку (30) до неізольованих зон внутрішнього ротора (ВР), де його температура підвищується довколишньою термічною енергією. 6. Спосіб за п. 5, який відрізняється тим, що після активації мотора (17), що обертає внутрішній ротор (ВР), і досягнення бажаної кутової швидкості (ω) обертання зовнішній корпус (ЗК), як варіант, утримують у тому ж холодному довкіллі до стабілізації температури в умовах обертання, після чого зовнішній корпус (ЗК) вносять у робоче довкілля з двома зонами різних температур для вироблення корисної енергії. 7. Спосіб за п. 5 або п. 6, який відрізняється тим, що зазначену рідину у зонах внутрішнього ротора доводять до температури, близької до температури фазового переходу рідини (конденсації) енергією виходу установки, послаблюючи цим негативний вплив нагрівання і охолодження, пов'язаний зі стисканням і звільненням від тиску, які мають місце у теплішій і холоднішій зонах (5, 6) внутрішнього ротора (ВР), і поліпшуючи параметри функціонування установки. 8. Спосіб за п. 7, який відрізняється тим, що замість монотипної рідини використовують суміш рідин, щоб досягти такої температури цієї суміші, яка дозволяє одній або більше рідинам поводитись як газ, після виходу енергії у зоні (7), розташованій усередині внутрішнього циліндра (3), і дозволяє одній або більше іншим рідинам конденсуватись, поліпшуючи цим здатність 18 UA 102583 C2 рідинної суміші використати при фазовому переході перевагу абсорбції латентної енергії і вивільнення її для підсилення впливу нагрівання/охолодження, пов'язаного зі стисканням і звільненням від тиску, які мають місце у теплішій і холоднішій зонах (5, 6). 19 UA 102583 C2 20 UA 102583 C2 21 UA 102583 C2 22 UA 102583 C2 Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 23