Пристрій перерозподілу теплової енергії на високий і низький енергетичний рівень

1. Пристрій перерозподілу теплової енергії на високий і низький енергетичний рівень, що містить корпус, в якому встановлений резервуар, заповнений робочим агентом, систему підведення і відведення теплової енергії робочого агента, яка, наприклад, включає перший теплообмінник для підведення теплової енергії від зовнішнього середовища робочому агенту і др угий теплообмінник для відведення теплової енергії від робочого агента у зовнішнє середовище, який відрізняється тим, що зазначений резервуар виконаний у вигляді (19) UA kT = 3 RTO1,2 36191 - теплова потужність, передана першим теплообмінником у зовнішнє середовище або теплова потужність передана зовнішнім середовищем другому теплообміннику; РК - механічна (електрична) потужність, підведена до компресора. Третя характеристика роботи теплового насоса - коефіцієнт втрат механічної (електричної) потужності kL, який визначається по формулі: R - Rмех R kL = K = 1 - мех , RK RK де: Рмех - максимальна механічна (електрична) потужність, яка може бути одержана від використання різниці температур, отриманої від теплового насоса; РК - механічна (електрична) потужність, підведена до компресора. Ще одна характеристика роботи теплового насоса - температурний діапазон, який залежить від використовуваного робочого агента. У разі, коли робочим агентом є повітря, температурний діапазон складає, від -50°С до +50°С, який перекриває будь-яку точку Земної кулі. Коефіцієнт трансформації kT максимальний при холостій роботі пристрою і зменшується під навантаженням. Залежить від використованого робочого агента і від різниці тисків перед і після компресора. Коефіцієнт перетворення потужності kР максимальний тільки в тому випадку, при інших фіксованих параметрах, якщо відбувається перетворення фаз (пap-рідина) робочого агента в першому і в другому теплообміннику теплового насоса. У реальних конструкціях сучасних теплових насосів коефіцієнт kР складає не більше 10 одиниць, який до того ж залежить від різниці температур середовища, яке нагрівається і охолоджується, a kL завжди позитивний і менше одиниці. Недоліками відомого пристрою перерозподілу теплової енергії на високий і низький енергетичний рівень є обов'язкова наявність компресора з приводом обертання, виконуючого функцію стиснення - переводу на високий енергетичний рівень і просування робочого агента по трубопроводу, а робота підведена до компресора завжди більша роботи, отриманої від використання різниці температур після перерозподілу. В основу корисної моделі поставлено задачу: за рахунок використання потенційного поля - поля відцентрових сил з ура хуванням закону Ар хімеда об умові плавання тіл, закону Максвела про розподіл молекул за швидкостями і закону залежності щільності речовини від її температури, які і дозволяють розподілити одну частину макроскопічно енергетично однорідного стану речовини (газ, рідина, паро-рідинна суміш) на вищий енергетичний рівень за рахунок іншої частини цієї речовини, яка перейде на нижчий енергетичний рівень з мінімальною витратою енергії поля на цей перерозподіл; створити пристрій перерозподілу теплової енергії на високий і низький енергетичний рівень без використання процесів стиснення і розрядження газу 4 з мінімальним використанням зовнішньої роботи і зі створенням більш простих пристроїв. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрої перерозподілу теплової енергії на високий і низький енергетичний рівень, що містить корпус в якому встановлений резервуар, заповнений робочим агентом, систему підведення і відведення теплової енергії робочого агента, яка, наприклад, включає перший теплообмінник для підведення теплової енергії від зовнішнього середовища робочому агенту і другий теплообмінник для відведення теплової енергії від робочого агента у зовнішнє середовище, відповідно до корисної моделі, зазначений резервуар виконаний у вигляді тіла обертання з порожнистою віссю, яка встановлена на підшипниках в корпусі, заповненому холодоагентом, причому порожнина корпусу з'єднана з першим теплообмінником, а внутрішня порожнина порожнистої осі з'єднана з другим теплообмінником і також заповнена холодоагентом, а вісь з резервуаром з'єднана з приводом обертання. Як зовнішня поверхня корпусу так і зовнішня поверхня резервуару, крім поверхонь теплообміну, може бути теплоізольована для збереження градієнта температур. Пристрій може бути виконаний у вигляді системи сполучених пристроїв, кожен з яких з'єднаний з приводом обертання. Допускаються різні варіанти з'єднання пристроїв в каскади. Допускаються різні способи підводу і відводу теплової енергії робочого агента, наприклад: - підвід теплової енергії можна здійснити шляхом пропускання потоку теплоносія через периферійну, холоднішу частину робочого агента, а відвід теплової енергії можна здійснити шляхом пропускання потоку теплоносія через осьову, теплішу частину робочого агента; - підвід теплової енергії можна також здійснити шляхом опромінення периферійної, холоднішої частини робочого агента, а відвід теплової енергії можна також здійснити шляхом поглинання випромінення осьової, теплішої частини робочого агента; - та інші. Запропонований пристрій перерозподіляє теплову енергію (наприклад, теплову енергію навколишнього середовища: повітря, вода, грунт) на високий і низький енергетичний рівень. Принцип роботи пристрою аналогічний принципу роботи електричного трансформатора змінного струму. Як робочий агент пристрою застосовуються екологічно чисті речовини (холодоагенти). Відомі пристрої, експериментально підтверджуючі основну ідею: гідротаран, електричний трансформатор змінного струму, пролітний багаторезонаторний клістрон. Корисна модель пояснюється кресленнями, на яких на: Фіг.1 зображена схема пристрою перерозподілу теплової енергії на високий і низький енергетичний рівень - тепловий трансформатор відцентрового типу; Фіг.2 - вид по осі Фіг.1, вид зверху; Фіг.3 - вид по осі Фіг.1, вид у перетині; 5 36191 Фіг.4 зображена перегородка ротора пристрою відцентрового типу; Фіг.5 зображено каскад з пристроїв відцентрового типу; Фіг.6 зображено графік, який пояснює закон Максвела про розподіл молекул за швидкостями (1859р.) для довільної речовини; Фіг.7 зображено графік, який пояснює залежність щільності речовини r від її температури t при різних тисках на прикладі атмосферного повітря; Фіг.8 зображена схема досліду Штерна (1920p.), який експериментально підтверджує закон Максвела про розподіл молекул за швидкостями. Пристрій, що патентується, перерозподілу теплової енергії на високий і низький енергетичний рівень містить корпус 1, в якому встановлений резервуар 2, виконаний у вигляді тіла обертання, наприклад, циліндром, в замкнутому об'ємі якого поміщений робочий агент 3. Резервуар 2 містить порожнисту осьову трубку 4, яка перетинає його в осьовому напрямку. Осьова трубка встановлена в корпусі 1 на підшипниках 5, 6, герметично ізольована гранбуксами 7, 8, 9 і є валом обертання. Як зовнішня поверхня корпусу 1 так і зовнішня поверхня резервуару 2, крім поверхонь теплообміну, може бути вкрита теплоізолятором 10 для збереження градієнта температур. Допоміжними компонентами пристрою відцентрового типу є: - холодний теплообмінник 11, замкнутий через патрубок 14 і 15 на периферійний контур пристрою, який заповнений рідким холодоагентом 13; - теплий теплообмінник 12, замкнутий через патрубок 16 і 17 на осьовий контур пристрою, який також заповнений рідким холодоагентом 13. Допоміжні компоненти застосовуються тільки для універсалізації використовуваного теплоносія: газ, рідина, сипкі і нерухомі теплоносії, оскільки в пристрої присутні деталі, що обертаються. Ці компоненти не є обов'язковими. Крім того позиціями на Фіг.1 позначені: 18 фланець кріплення привода пристрою, 19 - заглушка, 20 - напрям дії вектора поля відцентрових сил, 21 - напрям руху робочого агента, 22 - потік теплоносія, який охолоджується, 23 - потік теплоносія, який нагрівається, 24 - потік теплоносія, який охолоджується із зовнішнього середовища, 25 - потік теплоносія, який нагрівається, із зовнішнього середовища. Конструктивною особливістю виконання ротора є наявність перегородок (Фіг.3, поз. 26; Фіг.4) з прорізями (Фіг.4, поз. 27). Перегородки встановлюються за для утримання робочого агента при обертанні ротора, а прорізі виконані за для рівномірного розташування робочого агента по всій полості ротора. Доцільно використання каскаду однотипних пристроїв (Фіг.5). Допускаються різні варіанти з'єднання пристроїв в каскади. Далі, для наочності, нумерацію позицій наступної Фіг.5 розпочнемо з 31. Каскад пристроїв перерозподілу теплової енергії на високий і низький енергетичний рівень містить декілька сполучених пристроїв 31, 32,...,33. 6 Перший теплообмінник 41 з'єднаний з периферійним, холодним контуром першого пристрою 31 і з потоком теплоносія 34 із зовнішнього середовища, який охолоджується. Кожен осьовий контур пристрою, крім останнього, сполучений з периферійним контуром наступного при строя і заповнений холодоагентом 13. Осьовий, теплий контур останнього пристрою 33 з'єднаний з другим теплообмінником 42, через який проходить потік теплоносія 35 із зовнішнього середовища, який нагрівається. Крім того на Фіг.5 позицією 36 позначено потік теплоносія, який охолоджується, а позицією 37 потік теплоносія, який нагрівається. Кількість каскадів не обмежується і залежить від розмірів, маси системи і від бажаної величини градієнта температур. Пристрій, що патентується, працює наступним чином. Спочатку робочий агент 3 (холодоагент) знаходиться в макроскопічно енергетично однорідному стані: кожна мала частина об'єму агента 3, але значно більша об'єму молекули речовини агента, має таку ж середню температуру як і весь агент в цілому. Але в той же час має місце закон Максвелла про розподіл молекул за швидкостями, закон залежності щільності речовини від її температури і закон Архімеда об умові плавання тіл. Отже можливі 3 випадки: 1). Вага тіла більше ваги витисненого робочого агента: тіло рухається по вектору поля. 2). Вага тіла точно дорівнює вазі витисненого робочого агента: тіло знаходиться в рівновазі з газом (рідиною) - не рухається ні по, ні проти вектора поля. 3). Вага тіла менше ваги витисненого робочого агента: тіло рухається проти вектора поля. Інакше можна переформулювати так: щільніші формування рухаються по вектору поля, а менш щільні проти вектора поля. У випадку з однокомпонентною речовиною ті формування щільніші, які холодніші, а менш щільні - тепліші (Фіг.7). Маючи теплі і холодні формування на мікрорівні можна одержати градієнт (розподіл) температур уздовж дії вектора потенційного поля - поля відцентрових сил на макрорівні. Чим сильніше поле, тим більше різниця температур. Якщо робочий агент знаходиться в замкнутому об'ємі і після розподілу не змінилося положення центра мас системи або відбувся рух по замкнутій траєкторії, то робота поля дорівнює нулю. В резервуарі 2 з робочим агентом 3 пристрою відцентрового типу за рахунок різниці щільності теплих і холодних формувань (наявність цих формувань обумовлена законом Максвелла про розподіл молекул за швидкостями) відбувається енергетичне розділення: у процесі роботи пристрою менш щільні, тепліші формування рухаються проти вектора поля - до осі обертання, в той час як щільніші, холодніші формування рухаються по вектору поля - від осі обертання до периферії. Величина вектора відцентрових сил прямо пропорційна кількості обертів резервуару в одиницю часу, а абсолютне значення вектора відцентрових сил може досягати тисячі м/с2. 7 36191 Система побудована на основі каскаду пристроїв, що патентуються, за другим варіантом працює наступним чином. До першого теплообмінника 41, з'єднаного з периферійним, холодним контуром першого пристрою 31, підводиться теплова енергія від зовнішнього середовища робочому агенту 3 пристрою за допомогою потоку теплоносія 34, який охолоджується. Від осьового контуру першого пристрою 31 відводиться перетворена теплова енергія від робочого агента 3 до периферійного контуру другого пристрою 32 за допомогою холодоагенту 13. Від осьового контуру др угого пристрою 32 відводиться перетворена теплова енергія від робочого агента 3 до периферійного контуру наступного пристрою 33 за допомогою холодоагенту 13. Процес аналогічно повторюється для всіх наступних пристроїв. А від другого теплообмінника 42, з'єднаного з осьовим, теплим контуром останнього пристрою 33, відводиться перетворена теплова енергія від робочого агента 3 у зовнішнє середовище за допомогою потоку теплоносія 35, який нагрівається. У відомих пристроях для переведення робочого агента з низького на високий енергетичний рівень проводиться стиснення агента в компресорі з підведенням зовнішньої роботи, а для переведення з високого на низький енергетичний рівень проводиться дроселювання, на відмінну від запропонованого пристрою відцентрового типу, в якому перерозподіл теплової енергії досягається за рахунок потенційного поля - поля відцентрових сил. У відомих пристроях робота приводу обертання компресора витрачається на стиснення робочого агента - переведення на високий енергетичний рівень і просування робочого агента по трубопроводах, на відміну від запропонованого пристрою відцентрового типу, в якому робота приводу обертання витрачається на подолання сил тертя при обертанні деталей пристрою. В залежності від конструктивного виконання роботу на подолання сил тертя можна наблизити до нуля, на відміну від роботи, яку витрачає компресор на стиснення газу. Робота компресора значно більша роботи проти сил тертя. В основу корисної моделі закладено наступні закони і експериментальні дані: 1). Закон Архімеда об умові плавання тіл (200 роки до н.е.). 2). Закон Максвела про розподіл молекул за швидкостями (1859p.). 3). Закон залежності щільності речовини від її температури. 4). Дослід Штерна (1920p.). 1). Закон Архімеда об умові плавання тіл свідчить: "На тіло, занурене в газ або рідину, діє сила прямо пропорційна об'єму витисненого газу або рідини". Закон застосовний тільки за наявності гравітаційного поля, поля відцентрових сил та інших потенційних полів. 2). Закон Максвела про розподіл молекул за швидкостями свідчить, що в замкнутому об'ємі, заповненому великою кількістю молекул якоїсь певної речовини, не дивлячись на їх хаотичний рух, не всі частки рухаються з однаковою швидкістю: більше всього часток рухаються з деякою се 8 редньою швидкістю, але також існує мала вірогідність наявності часток з нульовою і нескінченно великою швидкістю (із швидкістю світла). На наведеній Фіг.6: ΔΝ - це кількість молекул у речовині, які мають температуру (енергію) в інтервалі Τ+ΔΤ (Ε+ΔΕ), N - загальна кількість молекул у речовині. 3). Закон залежності щільності речовини від її температури експериментально встановлений для багатьох речовин як газів так і рідин. В нашому випадку більш цікава є залежність щільності газу від його температури, яка з підвищенням температури зменшується. 4). Дослід Штерна - дослід експериментального визначення середньої швидкості руху молекул газу на прикладі газу з молекул срібла. Далі, для наочності, нумерацію позицій наступної Фіг.8 розпочнемо з 51. Атоми срібла ("срібний газ") випаровуються з поверхні розжареного дроту 53 і через щілини 55 рухаються до внутрішньої поверхні циліндра 51 (тиск газу усередині циліндра 52 більший ніж тиск в решті порожнини циліндра 51). Циліндр 51 і 52 разом з екраном 54 обертаються з деякою частотою n. За час пробігу атомів від зовнішньої щілини 55 циліндр 51 провертається, тому швидкі атоми срібла знаходитимуться правіше за атоми тих, що мають меншу швидкість, на внутрішній поверхні циліндра 51, при вказаному напрямі обертання, якщо дивитися по напряму руху атомів. Таким чином, на внутрішній поверхні циліндра 51 осідає шар срібла 56 змінної товщини з максимумом посередині. Огинаюча поверхні шару срібла 56, лежача в площині перпендикулярної осі обертання, подібна кривій розподілу Максвела. Середня швидкість руху молекул газу визначається по формулі: 2 pn(R - r )R = , L де n - частота обертання циліндрів R - радіус циліндра 51 r - радіус циліндра 52 L - ширина розмитості смужки срібла. У нашому випадку дослід Штерна неважливий як визначення середньої швидкості, а важлива його зворотна сторона - підтвердження наявності в системі, що складається з великого числа молекул, молекул з різними швидкостями і цього стану системи як стійкий (час проведення досліду значно більший середнього часу вільного пробігу молекул) і як наслідок - експериментальне підтвердження закону Максвела про розподіл молекул за швидкостями. Характеристики. Пристрій, що патентується, по агрегатному стану використовуваного робочого агента можна класифікувати на 3 види: 1). Газовий. 2). Рідинний. 3). Паро-рідинний. При роботі пристрою дотримується закон трансформації: c1dT1m t1 = c2dT2m t2, де С - питома теплоємність або питома теплота паротворення речовини-енергоносія; dT1 - зміна температури, а 9 36191 m t1 - масова витрата потоку речовини-енергоносія, який охолоджується; dT2 - зміна температури, a m t2 - масова витрата потоку речовини-енергоносія, який нагрівається; cdTm t - зміна теплової потужності потоку. Аналогічно в електричному трансформаторі змінного струму: dU1J1 =dU2J 2, де dU1 - зміна напруги, a J1 - стр ум, що протікає у первинній обмотці; dU2 - зміна напруги, a J2 - стр ум, що протікає у вторинній обмотці трансформатора; dUJ перетворена потужність. Перша характеристика пристрою, що патентується, - коефіцієнт трансформації kT, який визначається по формулі: Tвихід kT = , Tвихід > Tвхід Tвхід Твхід - температура на вході пристрою. Твихід - температура на виході пристрою. Коефіцієнт трансформації kT може бути визначений як при холостій роботі пристрою, так і під навантаженням. Друга характеристика (не властива відомим пристроям перерозподілу теплової енергії) пристрою, що патентується, - напруженість вектора ® потенційного поля – поля відцентрових сил E : ® ® F E = , де m ® F - сила, що діє на частинку маси m. ® Величина напруженості поля E може прийма® ти різні значення. Величина напруженості поля E визначає швидкість і якість перерозподілу температур. Третя характеристика роботи в реальних умовах пристрою, що патентується, - коефіцієнт перетворення потужності kР, який визначається по формулі: R k R = тепл , Rтертя де Ртепл - теплова потужність, підведена або відведена від пристрою. Ртертя - механічна (електрична) потужність, що витрачається на подолання сил тертя при обертанні деталей пристрою. Четверта характеристика роботи в реальних умовах пристрою, що патентується, - коефіцієнт 10 втрат механічної (електричної) потужності kL , який визначається по формулі: Rтертя - Rмех R kL = = 1 - мех , Rтертя Rтертя Рмех - максимальна механічна (електрична) потужність, яка може бути одержана від використання різниці температур, о триманої від пристрою; Ртертя - механічна (електрична) потужність, що витрачається на подолання сил тертя при обертанні деталей пристрою. Ще одна характеристика роботи пристрою, що патентується, - температурний діапазон, який залежить від використовуваного робочого агента. У разі, коли робочим агентом є повітря, температурний діапазон складає, від -50°С до +50°С, який перекриває будь-яку точку Земної кулі. Коефіцієнт трансформації kT максимальний при холостій роботі пристрою і зменшується під навантаженням. Залежить від використованого робочого агента і від напруженості потенційного поля - поля відцентрових сил. У пристрої, що патентуються, коефіцієнт перетворення потужності kР може досягати 100 одиниць, а коефіцієнт втрат механічної (електричної) потужності kL може бути як позитивним так і негативним, а по модулю може бути більше одиниці. Якщо 0 £ k L £ 1, то пристрій знаходиться в режимі роботи теплового насоса. Якщо kL < 0, то можливо отримання виграшу в механічній (електричній) потужності. Експериментально перевірено наявність градієнта температур в атмосферному повітрі у полі відцентрових сил: діаметр центрифуги складав 250мм, частота обертання близько 3000об./хв. при цьому температура змінювалася від 18°С до 25°С уздовж радіусу на відстані 90мм від периферії. Переважними особливостями пристрою, що патентується, є: 1). В пристрою, що патентується, енергія, витрачена на перерозподіл теплової енергії в реальних умовах, значно менша енергії, яку можна отримати від використання різниці температур цього перерозподілу, на відмінну від теплових насосів. 2). Простота конструкції. 3). Екологічна чистота і безпека. Пристрій, що патентується, може використовуватися як в побутови х, так і в промислових цілях для отримання тепла і холоду. 11 36191 12 13 36191 14 15 Комп’ютерна в ерстка Л.Литв иненко 36191 Підписне 16 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601