В.А. Коноваленко

Утилизация низкоградиентного тепла         Термодинамика, строго говоря, занимается взаимопревращениями механической энергии и теплоты источника энергии в разного рода тепловых машинах, однако, ещё во времена основоположников этой области физики наметился водораздел между «двигателистами» и «холодильщиками», который со временем только увеличивался. В наше время эти две ипостаси теплотехников практически совсем не слышат друг друга, хотя и те, и другие пользуются одинаковыми терминами и общей теорией. Основным гребнем этого водораздела стало состояние рабочего тела и происходящие в нём процессы: «двигателисты» оперируют газовыми законами и смотрят на агрегатные переходы как на неизбежное зло. «Холодильщики», напротив, «молятся» на агрегатные состояния, а газовые законы для них инструмент, без которого не обойтись, хотя и очень хочется. И те, и другие совершенствуют свои изделия, добиваясь повышения кпд в лучшем случае на проценты и не замечая «смежников». Между тем над «двигателистами», в частности, уже навис дамоклов меч топливных элементов, уже сейчас, вместе с электроприводом превышающим кпд ДВС на десятки процентов.
        Именно этот водораздел мешает заметить, что «двигателисты» счастливы, получая по 300 Вт работы из каждого кДж теплоты, тогда как «холодильщики» (например, в бытовом холодильнике с аммиаком), получают тот же кДж «лишней» для них теплоты, затратив всего 90 Вт работы. Жаль, что из этого нельзя «сочинить» вечный двигатель – «холодильщики» выдают «низкотемпературную теплоту», а «двигателистам» нужна «высокотемпературная»! Но вот что интересно – различие в способах повышения эффектиности этих процессов. Двигатель тем эффективнее, чем больше разность температур нагревателя и охладителя, а холодильник – тем эффективнее, чем эта разность меньше!
        Причина вполне очевидна: скрытая теплота агрегатного перехода жидкость – пар много больше  теплоёмкости пара (на два с лишним порядка). Само собой напрашивается вывод – использовать агрегатный переход в процессе получения работы из теплоты. Технических решений здесь множество, можно, например, модифицировать двигатель Стирлинга, а можно применить роторно-лопастной двигатель (см., напр. патент на изобретение РФ № 2220308), модифицировав его так, как показано на рисунке 1:
Рис. 1. Роторно-лопастной испарительный двигатель         На этом рисунке снизу расположен нагреватель, температура которого такова, что при существующем в нём давлении рабочее тело – жидкость. Сверху – охладитель, температура и давление в котором несколько ниже температуры и давления нагревателя, настолько, что рабочее тело в нём находится в парообразном состоянии. Разность давлений вызывает вращение ротора по часовой стрелке, в итоге жидкость в нагревателе получает возможность испаряться, совершая затем работу по вращению ротора. На рисунке 2 показаны два положения ротора, позволяющие понять происходящие процессы:
Рис. 2. Отдельные фазы работы испарительного двигателя         Для иллюстрации рассмотрим левую часть рисунка 2. При равенстве температур нагревателя и охладителя нагреватель, рабочие полости и охладитель заполнены легко кипящим рабочим телом РТ (например, н-пентаном), причём, нагреватель и часть нижних рабочих полостей статора (под действием силы тяжести) заполнены жидкой фазой, а всё остальное – парами рабочего тела (давление должно соответствовать жидко-паровому состоянию рабочего тела). При возникновении разности температур между нагревателем и охладителем (за счёт нагрева первого или охлаждения второго) возникнет разность давлений (в полостях, связанных с нагревателем давление станет выше, чем в полостях, связанных с охладителем), что приведёт к появлению момента, вращающего ротор по часовой стрелке. При этом объём левой нижней полости станет увеличиваться, испаряя жидкую фазу РТ (отбирая у неё энергию и совершая внешнюю работу). После отсечения лопастью этой полости от нагревателя расширение продолжится до положения ротора, показанного на рис. 2 справа. Совершая работу, пары РТ охладятся и снизят давление, затем попадут в охладитель, из него в правые полости, будут сжиженны при сжатии и поступят в нагреватель. Цикл повторится.
        Понятно, что основное поглощение энергии, необходимой для совершении работы, происходит при испарении жидкого РТ, поэтому необходимо такое РТ, которое обеспечит осуществление всего цикла в области жидко-паровой фазы. Однако выбор здесь достаточно широк даже среди широко распрстранённых углеводородов.

Ниже приведена таблица свойств нескольких алканов

Показатель	Этан	Пропан	н-Бутан	Изобутан	Изобутилен	н-Пентан
Хим. формула	C2H6	C3H8	C4H10	C4H10	C4H8	C5H12
Мол. масса	30,068	44,097	58,124	58,124	56,104	72,146
Мол. объем, м3/кмоль	22,174	21,997	21,500	21,743	22,442	20,870
Плотность газовой фазы, кг/м3;
при 0°С и 101,3 кПа	1,356	2,004	2,702	2,685	2,502	3,457
при 20°С и 101,3 кПа	1,263	1,872	2,519	2,486	2,329	3,221
Температура, °С, при 101,3 кПа:
кипения tкиn	-88,6	-42,1	-0,5	-11,7	3,7	36,1
критическая tкрит, °C	32,3	96,8	152,0	135,0	155,0	196,6
Удельная теплоемкость, кДж/(кг•°С), при 0 °С и:
постоянном давлении ср	1,65	1,554	1,596	1,596	1,604	1,600
постоянном объеме сV	1,37	1,365	1,457	1,457	1,445	1,424
Скрытая теплота испарения при 101,3 кПа:
кДж/кг	487,2	428,4	390,6	383,2	299,0	361,2
кДж/л	230,2	220,1	229,7	215,0	239,4	–
Давление крит.ркр, МПа	4,82	4,21	3,75	3,60	4,10	3,33

        Как видно из таблицы, даже этот небольшой список позволяет выбирать диапазоны низкоградиентных интервалов температур природных источников тепла в достаточно широких пределах. Предлагаемый способ можно применить для использования тепла горячих источников (РТ – н-пентан), разности температур подо льдом и над ним в Арктике (РТ – изобутилен) и других природных источников тепла. Конечно, предлагаемые «утилизаторы» не конкуренты топливным элементам, как и ДВС, но это и не нужно. Нет смысла даже говорить о кпд, – «утилизаторы» используют «даровую» энергию и не нуждаются ни в горючем, ни в окислителе. 

---

В оглавление