Спосіб єрошенко перетворювання теплової енергії в механічну

Изобретение относится к теплоэнергетике. Изобретение позволяет : l ? повысить КПД без использования регенеранти тепла, упростить конструкцию и уменьшить габариты реализующих способ тепловых двигателей путем организации квазиадиабатического охлаждения. В качестве одной из компонент гетерогенной термодинамической системы 3 берут жидкость 4, у которой вторая производная от коэффициента поверхностного натяжения по т~ре больше нуля. При осуществлении данного способа преобразования тепловой энергии в механическую нет необходимости в созданий регенерирующих устройств для тепловых двигателей. 9 ил. 1 1380357 Изобретение относится к области • ком 7 управления, который, в свою теплоэнергетики, а именно к способам очередь, связан с источниками 3 и 9 преобразования тепловой энергии в соответственно нагрева и охлаждения механическую, и может быть использова-* ^ для осуществления взаимодействия но для повышения эффективности работы рабочей камеры 1 с источником 8 или тепловых двигателей. Изобретение яв9 в различных стадиях термодинамичес ляется усовершенствованием способа кого цикла при реализации описываемопо авт. св. № 1254811. го способа. При реализации способа—прототипа Целью изобретения является повыше— 10 по основному авт. св. (см. фиг. 1 ниє К Д без использования регенерации П и 2) в процессе а-б к гетерогенной тепла, упрощение конструкции и уменьсистеме 3 подводят тепло І q , для шение габаритов реализующих способ нагрева системы 3 от температуры Т2 тепловых двигателей путем организации квазиадиабатического охлаждения. 15 источника 9 охлаждения до температуры Т., источника 8 нагрева. При этом На фиг. 1 представлена T-S диплощадь Я., межфазной поверхности в аграмма термодинамического цикла при системе 3 минимальна, а объем Vt г е реализации способа-прототипа; на терогенной системы 3 максимален. фиг. 2 — P-V диаграмма цикла, изображенного на фиг. 1; на фиг. 3 - T-S 20 диаграмма термодинамического цикла Т, при реализации описываемого способа; = Сіп Т, на фиг. 4 — P-V диаграмма цикла, изоIn браженного на фиг. 3; на фиг, 5 — график зависимости коэффициента по- 25 верхностного натяжения (у от темпера- изменение энтропии гетегде 4 S туры Т для различных жидкостей гетерогенной системы 3 при рогенной термодинамической системы, нагреве; используемой, при реализации способаС=[Ст] + [c^J~* теплоемкость гетерогенпрототипа и описываемого способа; на 30 ной системы 3 (С т и С^~ фиг. 6 ~ схема устройства для реалитеплоемкости соответстзации описываемого способа в положевенно частиц 5 твердого нии, соответствующем процессу а—б тела и жидкости 4 систе(см. фиг. 3 и 4 ) ; на фиг. 7 — то же, мы 3 ) ; в положении, соответствующем процессу 35 Т - средняя температура си— б—в (см. фиг. 3 и 4 ) ; на фиг. 8 - то стемы 3 в процессе а—б. же» в положении, соответствующем процессу в~г (см. фиг. 3 и 4 ) ; на В изобарно— изотермическом процесфиг. 9 — то же, в положении, соответсе б—в (Р,, = const, T, = const, где ствующем процессу г—а (см. фиг, 3 40 Р, — давление системы 3 в процессе и 4). б—в) к системе 3 подводят теплоту dq образования поверхности межфаз— ного контакта жидкости 4 и частиц 5 Устройство для реализации способакапиллярно-пористого тела системы 3.. прототипа и описываемого способа (см. фиг. 6-9) содержит рабочую камеру 1 45 При этом площадь 5? межфазной поверхности изменяется от минимального с установленным в ней поршнем 2. В значения Я!л до максимальной величины камере 1 помещена гетерогенная терS?. и происходит сжатие системы 3 с модинамическая система 3 в виде изменением ее объема V от максимальвзвеси в жидкости 4 частиц 5 капилного значения V до минимального ^ лярно—пористого тела с лиофобной по50 значения V (см. фиг. 1 и 2 ) . верхностью. Заполненные жидкостью 4 e частицы 5 капиллярно-пористого тела гетерогенной термодинамической сиВ процессе в т энтропия гетерогенстемы 3 на фиг. 7 и 8 показаны з а ной системы 3 уменьшается на величичерненными кружками, а не заполненну Д Sfc , т . е 0 от системы 3 отводитные жидкостью 4 частицы 5 - покаfc , q = lAqJ . При этом плося тепло межфазной поверхности макси™ заны на фиг. 6 и 9 светлыми кружками. щадь ь^ Поршень 2 соединен при помощи штока мальна, а объем V, системы 3 минима* 6 с нагрузкой (не показана) и с блолен. ,3 .г Т 1380357 & І 90°); = О (линия g на фиг, 5 ) . Такую завиК - коэффициент формы пор и касимость имеют большинство жидкостей пилляров с радиусом г частиц в природе. 5 капиллярно—пористого телаг усганавливающий связь между 45 Однако, наряду с подобными, сущеплощадью Qo поверхности и ствуют жидкости с нелинейной зависимостью поверхностного натяжения от температуры. Например, муравьиная объемом V n пор: = К V кислота 8 фенол и в какой—то степени 50 вода характеризуются зависимостью, для которой характерно соотношение При отсутствии регенерации тепла vs./ термический КПД термодинамического -2-SL ЭТ а ,9, (Ю) - cos : лТ 'ж Изменение энтропии гетерогенной Р системы 3, содержащей такую жидкость 4, в процессах нагрева и охлаждения — среднее значение второй tO где показано на фиг. 3 . производной в интервале температур дТ = Т>~Т-. В общем случае суммарное изменение энтропии AS гетерогенной систеПоскольку в соответствии с описымы 3, определяющее величину затрат ваемым способом преобразования тепла тепла 4q* и Aq* соответственно в работу используют жидкость 4 с ха— на нагрев и на охлаждение системы 3, 0. (см. кривую рактеристикои равно . . • • ж на фиг. 5 ) , то из равенства (10)?, Я. (8) следует, что при нагреве (ЛТ > О) величина A S J 0 ) . В связи с вышеизложенным при осуществлении способа преобразования тепловой энергии в механическую нет необходимости в создании регенерирующих устройств для тепловых двигателей, так как все тепло 4q*, подведенное к гетерогенной системе 3 в процессе ее нагрева (см. Т—S диаграмму на фиг. 3, процесс а-б) практически полностью оседает в системе 3 после ее охлаждения (процесс в—г на T-S диаграмме фиг. 3 ) , и справедливо неравенство д q* « , в то время как при реализации способа—прототипа (фиг. 1) выполняется равенство л q = Увеличение площади Т—S диаграммы термодинамического цикла а—б—в—г—а в соответствии с описываемым способом (фиг, 3) по сравнению с площадью тер50 модинамического цикла а-б—в—г в способе—прототипе на величину площади (15) треугольника в~г —г на Т—S диаграмме фиг. 3 означает увеличение термичес^ кого КПД при реализации описываемого 55 способа вплоть до значений, близких к термическому КПД предельного цикла 2 Карно, без необходимости регенерации тепла. (16) и тогда справедливы будут выражения для изменения энтропии A S 3 _ 4 И тепла Aq* м / СР 10 1380357 Критерий физической реализуемости радиусом г его пор подвергают теплоописываемого способа преобразования механическому воздействию в соответэнергии следует из равенства (14), ствии со способом, термодинамический которое после преобразований можно цикл которого представлен на фиг. 3 записать в виде и 4. y В процессе а—б к гетерогенной системе 3 подводят тепло & q* от 1 — V .In источника 8, нагревая ее от темпера" :0s 10 туры Т до Т, при минимальной площа(18) ди Q 1 межфазной поверхности контакта и максимальном объеме V^ . системы 3. При этом капиллярное давление Отсюда следует выражение для крижидкости 4 в системе 3 -снижается от терия физической реализуемости описыjr значения Р до ваемого способа преобразования из—за снижения поверхностного натяжения жидкости 4 (см. P-V диагК cos© от значения Uf'/cp • (т,- т 2 ) (19) рамму на фиг. 4до Очевидно, что теп). ло д q* на нагрев равно теплу А Ч 1 т 20 в способе-прототипе (см. Т—S диаграмС учетом вышеизложенного сущность му на фиг. I и положение частей устописываемого способа заключается в ройства для реализации описываемого следующем. способа на фиг. 6 ) . В качестве одной из компонент геПосле этого в процессе б-щ терогенной термодинамической системы (фиг. 3) при постоянных максималь— 25 3 берут жидкость 4, у которой вторая ной температуре Т, и минимальном давлении Р, сжимают систему 3 до объема > 0, (например, трипроизводная > V,, развивая межфазную поверхность палмитин или триолеин), и для заданконтакта до максимального значения ного интервала температур Т 2 - Т^, в 30 ее площади Я.г , Для этого к гетерокотором осуществляют преобразование генной системе 3 подводят от источтепловой энергии в механическую, с ника 8 скрытое тепло і q* изобарноучетом плотности j>^ и удельной теплоизотермического образования поверхемкости С ж этой жидкости 4 рассчитыности, которое в точности равно тепвают по уравнению (19) величину радилу A q 7 образования поверхности уса г микропор, подставляя в выраже- 35 в термодинамическом цикле способа— ниє (19) значение К = 3 (для шаровид(Прототипа (фиг. 1 ) * В процессе б—в, ной поры) к cos @ по известному знасжимая систему 3, совершают небольчению угла смачивания ( 6 > 90°) для шую работу Р (V2 - V, ), при этом данного сочетания жидкость 4 — тверпоршень 2 перемещается влево, и жид40 кость 4 системы 3 заполняет капиллядое тело частиц 5. Зная значение г, подбирают требуемую степень дисперсры частиц 5 ее пористого тела (см. ности капиллярно—пористого тела часфиг. 7 ) . При перемещении поршня 2 тиц 5, в качестве которого можно исвлево прекращается при помощи блока пользовать силикагели, алюмосиликаты, 7 управления взаимодействие камеры 1 45 с источником 8 нагрева, а источник цеолиты, молекулярные сита, широко применяемые в катализной промышлен9 охлаждения, наоборот, начинает возности, а также высокодисперсные фтордействовать на камеру 1 и помещенную органические или кремнииорганические в ней гетерогенную термодинамическую соединения. Как правило, величина г, систему 3. вычисленнаяопо уравнению (19), составляет 8—20 А , а в катализной промышДалее в процессе в~г (см. T-S диленности имеются такие мелкодисперсаграмму на фиг. 3) охлаждают гетероные материалы. генную систему 3 от температуры Т^ и -т.) эт Полученную указанным образом гедо Т 2 при неизменной чрезвычайно разтерогенную термодинамическую систему 55 витой межфазной поверхности с площад ь ю ^ и минимальном объеме V 2 систе3 жидкость 4 с > 0 - капиллярнод1 мы 3 (см. P-V диаграмму на фиг. 4 ) , пористое тело частиц 5 с вычисленным При этом поверхностное натяжение 12 380357 жидкости h в порах и капиллярах часристого тела частиц 5, которая в батиц 5 системы 3 достигает своего лансе теплосодержания всей гетерогенмаксимального значения Ь г , что выной системы 3 (как указывалось раньзывает рост капиллярного давления до ше) составляет исчезающе малую долю. максимальной величины Р а . Если это Основная доля тепла Aq* осела в геобычная гетерогенная система 3 по терогенной системе 3, чтобы в период способу-прототипу (фиг. 1 ) , то проследующего такта г—а превратиться в цесс охлаждения характеризуется л и полезную работу. нией в—г (фиг. 3 ) , и от системы jo После охлаждения гетерогенной сиотводят тепло л q 3 , которое в точностемы 3 до температуры Т 2 (при постости равняется iq ( (см. T-S диаграмму янных максимальной площади ft2 поверхна фиг. 1 ) , т.е. в результате обратиности межфазного контакта и минимых процессов нагрева и охлаждения мальном объеме V ) гетерогенную систеплосодержание гетерогенной системы * 5 тему 3 связывают с нагрузкой (процесс З не изменяется. г-4 на T-S диаграмме фиг. 3 ) , и она расширяется до значения ее объема V, Однако, в силу специфичности г е с вытеснением жидкости 4 из пор и терогенной термодинамической системы капилляров частиц 5 и перемещением 3 по описываемому способу * 0 > 20 поршня 2 вправо (см. фиг. 9) при постоянных минимальной температуре и расчетное значение радиуса г микроТ 2 и максимальном давлении Р 2 (см. . пор), а также из—за чрезвычайно разP-V диаграмму на фиг. 4 ) . Отмеченный витой межфазной поверхности контакта процесс г~а изобарно-изотермического поверхностная энтропия жидкости 4 системы 3 в процессе охлаждения уве- 25 сокращения межфазной поверхности происходит самопроизвольно, и за счет личивается (процесс в-г на фиг. 3) именно этого процесса совершается на величину AS*, (отрезок г —г полезная работа. В процессе г-а (см.„ на T-S диаграмме фиг. 3) и полностью T-S диаграмму на фиг. 3) от системы компенсируется снижение объемной энтропии жидкости 4 в процессе охлаж- 30 3 отводится количество тепла &q^ , которое несколько больше, чем величи— дения (отрезок г —г характеризует н а ДЧ4 в способе—прототипе (фиг, 1 ) , изменение объемной энтропии, этот но по абсолютному уровню величины отрезок, ествественно, равен отрезку Діл и А^ї сравнительно малы и соизг -г ) . меримы, так как рабочие такты г—а в обоих сравниваемых случаях происхоРезультатом указанного теплофизи— дят при низкой температуре Т2» На ческого явления в процессе охлаждения этом рабочем такте г—а термодинамигетерогенной системы 3 является резческий цикл завершается, и система кое снижение количества тепла Aq* 3 приходит в исходное состояние (точотводимого от гетерогенной системы 3 40 ка а на T-S и Р—V диаграммах цикла в процессе в—г (фиг. 3) по сравнению на фиг. 3 и 4 ) • После перемещения с теплом д q 3 процесса в-г в способепоршня 2 вправо (см. фиг. 9) прекрапрототипе (фиг, ] ) . Суммарное изменещается при помощи блока 7 взаимодейние энтропии & S гетерогенной систествие камеры 1 с источником 9 охлажмы 3 в процессе в-т (фиг. 3) сводит45 дения, а источник 8 нагрева, наобося к уменьшению объемной энтропии рот, начинает воздействовать на калишь капиллярно—пористого тела часмеру 1, Далее описанный цикл повтотиц 5 (отрезок г-т на T-S диаграмме ряется . фиг. 3 ) , нагретого ранее в процессе и а—б до температуры Т , . Физически это ., означает, что в процессе охлаждения 50 в-г (T-S диаграмма на фиг. 3) теплоемкость гетерогенной системы 3 возрастает из—за резкого увеличения по—, верхностной теплоемкости. Именно по этой причине от гетерогенной системы -" 3 удалось отвести лишь незначительную часть тепла Aq*t > равную изменению теплосодержания лишь капиллярно—по Из сопоставительного анализа термодинамических циклов а-б—в-г-д на фиг» J и 3 следует, что в описываемом способе (фиг. 3) плошадь T-S диаграммы больше, чем аналогичная площадь в способе—прототипе (фиг. !) на величину площади треугольника в—г -г (при условии, что в известном способе не применяют регенерацию \\ 13803 57 1 5 С \ - O _ °- ОJ .о — В о — о -° _j 9 Фиг 9 Тедактор О. Юркова Заказ 51/ДСП Составитель JI, ї у г а р е в Техред Л.Сердюкова Корректор Г. Решетник Тирад 208 Подписное В Н И Ш Ш Государственного комитета СССР по делам изобретений н открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная,