Горюнов Дмитрий Викторович (uhfnl) wrote,
Горюнов Дмитрий Викторович
uhfnl

Про «Солнечный паровоз»(энергоустановка)

Про «Солнечный паровоз»(энергоустановка)
Все вновь предложенные в данном тексте идеи и технические решения, если таковые отыщутся, могут свободно использоваться, распространяться и модифицироваться в соответствии со «Стандартной Общественной Лицензией» (СОЛ), с указанием авторства вашего покорного слуги uhfnl.
Прямой и обратный циклы Карно.
Начало здесь...
Посмотрим как работает тепловая машина на примере классического прямого цикла Карно. В процессе участвуют рабочее тело внутри машины и два внешних объекта, нагреватель, от которого происходит нагревание рабочего тела внутри машины и холодильник, в который сбрасывается излишек неиспользованного тепла. Внешними эти объекты являются по отношению к рабочему телу, а теплообмен с ними осуществляется при помощи теплообменников. В результате работы тепловой машины часть тепловой энергии Qн преобразуется в механическую работу Aм, а оставшаяся тепловая энергия Qх безвозвратно теряется в холодильнике. График процесса проиллюстрирован в части (а) рис. 1, где процесс представлен в координатах температура T и энтропия S. КПД всего процесса никак не может быть больше чем (Qн - Qх)/ Qн или как показал Карно (T1- Т2)/ Т1. Для того, что бы увеличит КПД тепловой машины нужно увеличивать температуру нагревателя, но ещё важнее – уменьшать температуру холодильника. Современным теплотехникам на поверхности планеты удалось уверенно добиваться КПД примерно в 40%, но они в своей работе беззастенчиво пользуются неисчерпаемым объёмом холодильника, которым является сама планета, а вот где такой холодильник взять в космосе?


А нет ли возможности, обойтись вовсе без внешнего холодильника и всю нерастраченную в процессе работы тепловой машины энергию вернуть назад рабочему телу для повторного использования? На ум сразу приходит механизм, который осуществляет процесс обратный тому, что происходит в тепловой машине. Механизм называется тепловой насос и широко распространён в нашем быту в виде «холодильников» и «кондиционеров». В тепловом насосе под действием механической работы Aн, происходит отбор тепловой энергии от внешнего холодильника Qх и передача её внешнему же нагревателю Qн. Внешними эти объекты являются по отношению к рабочему телу, а теплообмен с ними осуществляется при помощи теплообменников.

Попытка теоретически скрестить два механизма: тепловую машину и тепловой насос, - проиллюстрирована на рис.2, в тех же координатах. Получается, что в такой комбинации нет ничего невозможного, главное, что бы выполнялось условие, что работа тепловой машины меньше работы теплового насоса( Aм>Aн ). Кроме того, такая комбинация даёт реальную возможность получить КПД близким к 100%, что возможно будет полезным не только в космосе.
Посмотрим, реально ли выполнить условие ( Aм>Aн )? Для оценки эффективности тепловых насосов введён коэффициент COP=( Qх+ Aн)/Qх. КПД для комбинированного случая будет рассчитываться по формуле: КПД=(Qп- Aм)/ Qп, где Qп= Qх+Aн+Qн – полная энергия рабочего тела после нагревателя. Рассмотрим предельный случай, когда Aм=Aн, полезной работы не производится, вся механическая работа тепловой машины тратится на функционирование теплового насоса. Тогда Aп=0,Qн=0, КПД=( Qх+Aн- Aм)/( Qх+Aн)= Qх/( Qх+Aн), поскольку Aм=Aн. Присмотревшись к формуле для COP, замечаем, что она соответствует формуле для 1/КПД. Окончательно получаем COP=1/КПД, для случая, когда Aм=Aн  и   Aп=0. Значит, условием работоспособности данной конструкции служит неравенство COP>1/КПД.
Для случая, когда КПД тепловой машины равен 40%, COP теплового насоса должен быть больше 2,5. В реальности существуют тепловые насосы с COP больше 4-х, а значит реализация подобной комбинации, может быть вполне работоспособной.
Для оценки эффективности комбинированной установки, можно ввести специальный коэффициент эффективности: КЭ=COP-1/КПД= Qн/Qх, который показывает, как соотносятся количество энергии поступающего в установку от нагревателя Qн = Ап (полезная работа установки) и количество энергии постоянно циркулирующей внутри установки Qх. Для лучшей наглядности желательно заменить значения энергий на значения соответствующих им мощностей и исключить неоднозначность, возникающую из-за циркуляции энергии Qх внутри установки. Схематично комбинированная энергоустановка изображена на рис.3.

На поверхности Земли, в качестве рабочего тела турбины можно выбрать водяной пар, а в тепловом насосе применить аммиак. В случае применения комбинированной энергоустановки на орбите, следует подумать о азоте, в качестве теплоносителя для турбины и неоне как хладагенте  для теплового насоса. Выбор именно этих газов вызван их минимальной химической активностью и подходящими температурами их конденсации. Применение за пределами атмосферы Земли воды, как теплоносителя для энергетической установки, представляется крайне рискованным решением, из-за очень высокой температуры её замерзания, и эффекта увеличения объёма при замерзании. Также не следует забывать о трудностях связанных со сбором конденсата в условиях невесомости.
Если в качестве турбины тепловой машины и компрессора теплового насоса использовать что-то на подобии соответствующих агрегатов от АЛ-31Ф, то можно будет подумать о КПД тепловой машины в 90%,  коэффициенте эффективности в районе 2-х, мощности сдвоенной установки в 30 МВт при весе всего в 3,5 т.
Следует понимать, что создание комбинированной энергоустановки вызвано не желанием добиться для неё КПД=100% - это просто неожиданный бонус, а попыткой отказаться от использования в качестве «холодильника тепловой машины» громоздких, малоэффективных и тяжелых излучателей-рассеивателей тепла.


Все представленные здесь идеи, конечно, требуют дальнейшего анализа и проработки, но на первый взгляд не видно кардинальных проблем, которые бы препятствовали их реализации.

Tags: Космос, Моё, Солнечный паровоз
Subscribe

Recent Posts from This Journal

  • По поводу ВАД-ы и их подпевал.

    Поскольку "наезд" произошёл на Государство, то и ответ должен исходить от Государства. Если даже в таком "плёвом" деле, наше…

  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 1 comment