Термомолекулярная энергетика

см. видео
Термомолекулярная энергетика решает задачи эффективного аккумулирования, преобразования и диссипации энергии в термомеханических системах с использованием принципиально новых физико-энергетических принципов.

В отличие от традиционных рабочих тел (газ или пар) впервые в мире в конце 90-х годов было предложено использовать в термомеханических системах межфазную поверхность в гетерогенных лиофобных системах (в репульсивных клатратах) для накопления и преобразования энергии (автор - профессор В.А. Ерошенко, Киевский политехнический институт).

Физические репульсивные клатраты представляют собой квазиконденсированный ансамбль «жидкость – капиллярно-пористая матрица, несмачиваемая этой жидкостью» (рис. 1 - рис. 3).


Рис. 1


Рис. 2

В отличие от традиционных клатратов в химической промышленности, где ”гость“ (кластеры жидкости) и “хозяина” (пористая матрица) остаются имобильными относительно друг друга после внедрения кластеров в матрицу, в репульсивных клатратах кластеры после принудительного внедрения в поровое пространство матрицы, могут самопроизвольно покидать поровое пространство. Здесь проявляется феномен молекулярной пружины.


Рис. 3

Как видно из изотермы сжатия гетерогенной системы (см. рис. 3), изменения объема гетерогенного рабочего тела (репульсивные клатраты) определяется объемом порового пространства матрицы

Признаком наличия в системе репульсивных (отталкивающих) сил является большая величина контактного угла Θ в системе «жидкость - жесткая матрица»: 120 ≤ Θ ≤ 170°(cм. рис.1). Межфазная поверхность Ω выступает здесь в качестве экстенсивного параметра системы, а поверхностное натяжение жидкости σ – в качестве интенсивного параметра. В этих условиях иной физический смысл применительно к репульсивным клатратам приобретают такие понятия, как работа W, теплота Q и энтропия S системы:

W= σ Ω cosΘ; Q = T (dσ/dT) Ω cosΘ; S = T (dσ/dT) cosΘ

Зависимость отношения W/Q от температуры Т процесса развития/сокращения межфазной поверхности показывает (см. рис. 4 с замечательной точкой А, где температура представлена в безразмерной форме Т/Ткр), что в области температур, меньше 0,5 Т/Ткр, целесообразно накапливать механическую энергию, а в области температур, больше 0,5 Т/Ткр, можно накапливать тепловую энергию


Рис. 4

Чрезвычайно развитые удельные межфазные поверхности Ωуд (100 - 1000м2/грамм матрицы) обуславливают большие значения аккумулирующей и энергопреобразующей способностей нового рабочего тела, в том числе способность указанной гетерогенной системы эффективно рассеивать механическую энергию. Такие эффекты достигаются благодаря тому, что жидкость принудительно внедряется в поровое пространство матриц с размером пор и каналов от 5 до 100 Ангстрем (например, диаметр молекулы воды не превышает 3-х Ангстрем) и самопроизвольно выходит из него. В процессах молекулярного диспергирования жидкости и развития огромной межфазной поверхности (принудительное сжатие системы) и её сокращения (самопроизвольное расширение системы) задействована громадная потенциальная энергия сил межмолекулярного взаимодействия при минимальном уровне проявления при этом кинетической энергии молекул. Слабое проявление последней связано с тем, что в репульсивных клатратах молекулы жидкости всегда пространственно «зажаты» под капиллярным давлением Лапласа то ли в гидробассейне системы, то ли в поровом пространстве матрицы и поэтому не имеют возможности существенным образом изменять амплитуду и скорость своих колебаний, что необходимо для обеспечения их большой кинетической энергии (подобно тому, как это происходит в газе или в паре).

Естественно, что основные термодинамические функции этой гетерогенной системы (внутренняя энергия, энтальпия, функция Гельмгольца, функция Гиббса) также разительно отличаются от соответствующих функций, принятых в традиционной термодинамике (указанное отличие относится и к её термическим коэффициентам и дифференциальным уравнениям Максвелла). Термодинамическая сущность ТМЭ не противоречит I и II началам термодинамики, но представляет собой своего рода «зеркальное отображение» традиционной термодинамики: рабочие процессы в ТМЭ протекают по принципу «всё наоборот». В качестве примера некоторых необычных свойств репульсивных клатратов, как новых рабочих тел в термодинамике, можно привести следующие:

  • рабочие тела при нагревании сокращаются, а при охлаждении расширяются;
  • при изменении объёма системы давление в ней может оставаться неизменным (причём, при отсутствии фазового перехода в системе);
  • впервые удалось разорвать привычную изотермическую связь между давлением и объёмом (вместо одного уравнения состояния - уравнения Менделева-Клайперона – имеется два и сделать её произвольной и управляемой по желанию потребителя;
  • в равновесном адиабатическом процессе невозможно сжать (расширить) систему;
  • в равновесных процессах изотермическое сжатие является эндотермическим процессом, а расширение – экзотермическим;
  • в новых разработанных термодинамических циклах (в тепловых двигателях) рабочий такт происходит при температуре источника холода…

Наряду с этим многие свойства и характеристики репульсивных клатратов остаются малоизученными и представляют обширное поле для научных и технологических исследований, а также для конструкторских поисков: расширение спектра новых рабочих тел, создание высокоэффективных термомеханических и теплоэнергетических устройств и систем принципиально нового класса. К последним можно отнести: енергоемкие аккумуляторы механической энергии и портативные исполнительные механизмы на их базе. (рис. 5, механизм развертывания солнечной батареи космического аппарата после его выхода на орбиту), бамперы, амортизаторы (рис. 6 и 7), антивибрационные и антисейсмические системы для защиты гражданских зданий и инженерных сооружений (рис. 8 и 9), тепловые двигатели с внешним теплоподводом, а также - безаммиачные и безфреоновые холодильники (рис. 10), приборы контроля и управления термомеханическими системами.


Рис. 5


Рис. 6


Рис. 7


Рис. 8


Рис. 9


Рис. 10

Принцип действия термомолекулярного двигателя (рис. 10, а) основан на том, что в высокотемпературной рабочей камере (красный цвет) кластеры самопроизвольно входят в поровое пространство матриц (матрицы находятся на поверхности роторов и на подвижных лопастях гидродвигателя), а в низкотемпературной камере двигателя (синий цвет) кластеры жидкости самопроизвольно выбрасываются из порового пространства, обеспечивая вращение роторов двигателя и совершение полезной механической работы

Как видно, рабочие камеры и механизм теплового двигателя нового класса не нуждается в системе клапанов.

В отличие от традиционных холодильников, производство холода в термомолекулярной машине (рис. 10, б) происходит перед дросселем (поз. 3).

В качестве обобщающего положительного эффекта применения устройств и систем с применением концепций термомолекулярной энергетики можно указать: снижение расхода топлива и конструкционных материалов, повышение надёжности работы и придание экологической привлекательности всем устройствам и системам ( из-за практического отсутствия технического масла в гидросистемах).

Научный руководитель направления: проф., д.т.н. Ерошенко Валентин Андреевич

Кафедра теплотехники и энергосбережения, Институт энергосбережения и энергоменеджмента НТУУ «КПИ», 37, Проспект Победы, 03056, г. Киев

Тел.: 044 406-80-30; факс: 044 241-70-38; E-mail: eroshenko@ntu-kpi.kiev.ua

с начала >>