Die thermischen Maschinen für die Nutzung der Quellen der Wärme

Die thermischen Maschinen für die Nutzung der Quellen
der Wärme der niedrigen Parameter.
Auf den Wärmekraftwerken, in der Metallurgie bei der Abkühlung Oberflächen der
Ofen oder der Kessel entsteht die grosse Menge des heissen Wassers der niedrigen
thermischen Parameter. Man muß dieses Wasser in die speziellen Bassins
zusammengießen oder in Gradierhäusern kühlen. In der Kommunalwirtschaft bei der
zentralisierten Wärmeversorgung von Fernheizkraftwerk zu den Häusern wird das
heisse Wasser bei der Temperatur 120 - 130 Grade zugeführt (bei uns ist es üblich). Aus
der Auffassungsgabe der Arbeitssicherheit, ein solches Wasser in die Heizkörper reichen
es darf nicht, man muß sie mit Rückwasser bis zu der akzeptablen Temperatur
verdünnen. Das Problem der Nutzung des nicht sehr heissen Wassers entsteht auch bei
der Erarbeitung der geothermischen Quellen.
Weiter werden einige thermischen Maschinen angeboten, die die thermische Energie
der niedrigen Parameter in die mechanische Energie umwandeln können.
Versorgung von der Elektroenergie des kleinen
Einfamilienhauses
Bestimmung
Wird vorgeschlagen eine alternative Weise der Versorgung mit der Elektroenergie des
kleinen Einfamilienhauses mit Hilfe der betrachteten hier thermischen Maschine. Sie
ausschließlich auf dem heissen Wasser arbeitet, das man im Wärmespeicher
ausreichenden Umfanges aufbewahrt hat. Das Wasser in diesem Speicher wird vom
sonnigen thermischen Kollektor oder vom speziellen Ofen erwärmt, die man bei dem
ungünstigen Wetter mit Hackschnitzel oder Pellets beheizt. Vorrätigte Wärme wird für
die heisse Wasserversorgung im Haus und der Heizung der Räume in der herbstlichen Winterperiode gleichzeitig verwendet.
Die Konstruktion
Der auf der Zeichnung dargestellte Motor besteht aus zwei Zylinder des grossen
Umfanges, die mit den Deckeln auf die Faltrohrtinsätze geschlossen ist. Die Deckel sind
knickstützig mit der Kurbelwelle in der Gegenphase so verbunden, dass er in die
Bewegung kommt, wenn das Gas in einem Zylinder ausgedehnt wird, und im anderen
gleichzeitig zusammengepresst wird. Die Luft innerhalb des geschlossenen Umfanges
der Zylinder ist Arbeitskörper, dessen Erwärmen und dessen Abkühlung verwirklicht sich
von der abwechselnden Injektion durch die speziellen Düsen des heissen und kalten
Wassers. Das Wasser wird durch die Düsen mit Hilfe zwei Paaren Tauchkolben
gepresst, die mit Hilfe den Fäustchen auf dem selben Kurbelwelle in Gang gesetzt sind.
Im unteren Teil der Zeichnung ist das Diagramm der Arbeit des Motors aufgezeigt. In
der Zone des oberen und unteren toten Punktes wird das Ventil, das die Zylinder
untereinander verbindet, geöffnet. Dabei strömt das mehr zusammengepresste Gas aus
dem heissen Zylinder in den kalten, den Druck in den Zylindern ausgleicht sich, was
erlaubt, den Teil der Energie einzusparen, die für die Angleichung der Temperaturen
des Gases in den Zylindern gefordert würde. Die Düsen sind auf solche Weise
eingerichtet, damit sich das durchgearbeitete Wasser einzeln in den rechten und linken
Hälften des Zylinders versammelte. Die rückgängigen Ventile erlauben, dieses Wasser in
der Phase des erhöhten Drucks im Zylinder herauszuführen. Die Durcharbeitung für den
kalten Wasser wird zum Kühlschrank gerichtet, wo bis zu 25 Grade gekühlt werden, die
Durcharbeitung für den heissen Wasser kehrt in den Speicher zurück.
Die Kraftmöglichkeiten
Wir werden versuchen, die Fähigkeit solches Motors zu bewerten, die mechanische
Arbeit auf dem konkreten Beispiel zu begehen. Wenn auch der Umfang der Zylinder 200
Liter wird, die Fläche des Kolbens 0.25 Q. Meter, den Lauf des Kolbens 0.1 Meter wird
und dieVerschiedenheit der Temperaturen des Arbeitskörpers, die im Laufe von dem
Arbeitslauf 30 Grad unterstützt. (das Plus - das Minus 15 Grade). Diese Verschiedenheit
der Temperaturen nach Kelvin bringt zur Gefälle der Drücke in 0.1 Bars an, und für die
volle Wendung der Kurbelwelle dem Generator werden 500 Joules der Energie
übergeben sein. Bei dem gewählten Tempo der Arbeit 2 Umdrehungen pro Sekunde
kann eine solche Maschine die Macht in 1 Kilowatt erzeugen, was pro Tag mehr als 20
Kilowatt - Stunde der Energie bilden wird. Diese Menge der Elektroenergie ist für die
Bedürfnisse des Einfamilienhauses genügend. Bei der Verkleinerung der Umfänge der
Zylinder, kann man die Menge der Umläufe der Kurbelwelle vergrössern, dass die
Verkleinerung der nominellen Macht teilweise kompensiert.
Physik des Prozesses
Der Arbeitskörper in der Dampfmaschine ist der Dampf, welcher in abgesondertem
Erhitzer – in einem Kessel vorbereitet ist. Im Motor der inneren Verbrennung ist der
Zylinder eine Feuerungstelle, der Stirlingasmotor arbeitet mit dem Arbeitskörper, der
sich im geschlossenen Umfang befindet, bekommend und zurückgebend die Wärme
durch die wärmeleitfähige Scheidewand. Im betrachteten hier Motor den Arbeitskörper die Luft, die im geschlossenen Umfang abgeschlossen ist. Für die Sendung und
entsprechend Wegnehmen der Wärme von des gasartigen Arbeitskörpers dient der
gewisse Zwischenwärmeträger, der sich in der flüssigen Phase befindet, zum Beispiel,
das Wasser. Es ist bequem, der Flüssigkeitswärmeträger zu versprühen und nach dem
thermischen Kontakt mit dem Arbeitskörper aus den Zylinder zu entfernen. Die
Wechselwirkung des Strahles des heissen Wassers mit der Luftmasse im geschlossenen
Umfang muß man wie der Prozess im nichtgleichwiegenden zweiphasigen System - das
Wasser und die Luft mit dem Wasserdampf betrachten. Bei der Bewegung des Kolbens
nach oben nimmt die Verdunstung zuviel Wärme ab, dafür vergrößert sich der
Partialdruck des Wasserdampfes mit dem Wachsen der Temperatur schnell. (20=0.023
40 = 0.074 60=0.199 80=0.447 90=0.702 100=1.014, wo die erste Zahl - die
Temperatur, die zweite - der Druck in den Bars). Das heißt, der Wasserdampf arbeitet,
wie in der Dampfmaschine, neben der Arbeit der ausgedehnten Luft. Die relative
Feuchtigkeit bei der Erweiterung bleibt niedriger als 100 %, abwechselnd je nach dem
Grad des Zerstäubens des Wasserstrahles und von der Geschwindigkeit der Bewegung
des Kolbens. Im kalten Zylinder arbeitet die Luft bei den Temperaturen niedriger die
Punkte des Taus und die Wärme von der Dampfkondensation wird durch das kühlende
Wasser dem Kühlschrank zurückgegeben. In der Zone des oberen oder unteren
Totenpunktes verbinden sich die Umfänge der Zylinder mit Hilfe des Ventiles, das
trocknen und heissen Gas wird mit das kalten gemischt. Dabei richten sich die Drücke
und die Temperaturen aus, und der Teil der Wärme geht über in den Zylinder mit der
kleineren Energie. Auf dem gebrachten Diagramm wird die Arbeit der Maschine im
Bereich Plus - Minus 15 Grade veranschaulicht. Die für dieses Zahlenbeispiele
berechneten Größen wird auf der grafischen Darstellung stillgestanden. Der ziemlich
hohe Wirkungsgrad, der sich zur Carnotgrenze nähert, wird auf Kosten der Rückgabe
der heissen Durcharbeitung zurück in den Speicher, und auch infolge der
Wiedergewinnung der Wärme im oberen und unteren Arbeitspunkt erreicht. Die Wärme,
die in den Kühlschrank abgeführt ist, in die kalte Jahreszeit kann für die Ziele der
Heizung des Gebäudes ausgenutzt werden. Wie Alternative als der
Flüssigkeitswärmeträger kann man, zum Beispiel, das Glyzerin ausnutzen. Seine hohe
Temperatur des Kochens (290 GradС) hätte wesentlich erlaubt, den Temperaturumfang
der thermischen Maschine auszudehnen, ihr Wirkungsgrad zu heben und für sie die
neuen Gebiete der Anwendung zu finden.
Die Würden und die Mängel
Die vorliegende thermische Maschine erlaubt, in die mechanische Arbeit die Energie
der Quellen der Wärme der niedrigen Parameter umzuwandeln, in dieser Nische für sie
gibt es keine Alternative. Ihre Würden sind auch die Umweltfreundlichkeit, die
Einfachheit der Einrichtung, die nicht gespannten Bedingungen der Arbeit der Knoten
der Konstruktion und das niedrige Niveau der Lärme bei ihrer Arbeit. Auf die Mängel
muss man der nicht hohe Wirkungsgrad zuschreiben, dass von den Bedingungen ihrer
vermuteten Ausbeutung teilweise kompensiert wird, wenn die thermische im Zyklus
ungenutzte Energie in den Speicher zurückkehrt wird und für die Heizung der Räume
angewendet. Mangel ist die Abwesenheit der praktischen Nutzungsdauern im
Konstruieren der ähnlichen Maschinen und der Zweifel an der Perspektivität dieser
Richtung auch. In Kasachstan im Jahre 2002 war von mir für den Aufstieg des Wassers
aus dem Brunnen eine Pumpe gebaut, die nach solchem Prinzip arbeitete. (freilich, mit
einzigem Zylinder, ohne Elektrizität und ohne Rekuperator). In das sonnige Wetter es
genügt war das Schwungrad umzudrehen, damit die Maschine begann, das Wasser aus
der Spalte auszupumpen.
Noch die Variante des thermischen Motors
Die Ausstattung, die auf der ersten Zeichnung gestaltet ist, antwortet den
Hauptmerkmalen des Stirling-motors. Im geschlossenen Umfang der Arbeitskammer
und des Speichers befindet sich das Gas unter dem unbedeutenden Druck. Dieser
Arbeitskörper wird dem abwechselnden Erwärmen und der Abkühlung
untergezogen. Die Maschine begeht die Arbeit, die in die Elektroenergie
umgewandelt werden wird. Erhitzer und der Kühlschrank dabei befinden sich außen.
Die Rolle des Regenerators der Wärme spielt den Umfang des Speichers, der den
Teil der heissen Luft in der Phase der Arbeit der Einrichtung unweit des oberen
toten Punktes übernimmt. (siehe das Diagramm auf der zweiten Zeichnung). Die
Wärme kehrt in die gekühlte Arbeitskammer nach dem Durchgang des unteren toten
Punktes zurück.
Alle Teile der Einrichtung, die sich mit dem Arbeitskörper berühren, sind aus dem
Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit erfüllt, es erlaubt, gerade Überströmungen der
Wärme vom Erhitzer zum Kühlschrank zu verringern. Die Erwärmung und die
Abkühlung des Gases wird durch Aufsprühen der Flüssigkeit durch die sich periodisch
einschaltenden Düsen 1 und 2 erstellt. Die Pumpen 3 und 4, arbeitend ununterbrochen,
entfernen getrennt der durchgearbeitete Agent zurück in den Erhitzer und der
Kühlschrank. Die Arbeit der Düsen und des Ventiles ist zu Kurbelgetriebezyklus befestigt
(siehe die Abb. 2). Die Zeitweiligen Diagramme erlauben, den Prozess mit dem Ziel des
Erhaltens der maximale Wirkungsgrad der Einrichtung zu optimisieren.
Die Anlage auf der nächsten Zeichnung kann für die Verwertung der Wärme auf
dem industriellen Platz verwendet sein. Arbeitskammer ist die senkrechte Kolonne
des genügend grössen Umfanges, zum Beispiel 100 Kubikmeter. In ihrem oberen
Teil sind Sprühgeräte des heissen und kalten Wassers aufgestellt, die entsprechend
dem Diagramm, das auf der Zeichnung gestaltet ist, arbeiten. Bei der Abgabe des
heissen Wassers wird das Gas in der Kammer ausgedehnt und wird in den
Regenerator durch die obere Rohrleitung verdrängt. Dabei wird die
Schraubenturbine mit dem Elektrogenerator auf dem Wall bewogen. In der Kammer
des Regenerators erwärmt die heisse Luft den Füllstoff und frei erweist es sich in die
Atmosphäre. Durch einige Zeit wird Schieber 3 in die obere Lage umgeschaltet und
in die Kammer wird das kalte Wasser gerichtet. Herabgesetzter Druck zwingt der
Luft in der Arbeitskammer, in entgegengesetzter Richtung, fortsetzend versetzt zu
werden, die Turbine zu drehen. Gespeicherte im Regenerator Wärme dehnt die
äußerliche Luft, vergrößernd sein Umfang warm aus, was zur wirksameren
Einwirkung auf die Turbine in der Phase des "Atemzuges" bringt. Das
durchgearbeitete Wasser entfernt sich durch das rückgängige Ventil bei dem
erhöhten Druck in der Arbeitskammer.
Auf der nächsten Zeichnung ist die Variante der Einrichtung auf dem selben Prinzip,
aber ohne Regenerator aufgezeigt. Hier das Arbeitsgas, unter der Handlung sich
abwechselnd ändernde Temperatur bringt aus einem Turm in andere, und dann zurück,
drehend dabei die Turbine des Generators. Schieber 5 und die Ventile 1 - 4 kommen
vom Prozessor im optimalen Regime zurecht. Wenn eine solche thermische Maschine,
zwischen dem gekühlten Aggregat und Gradierhaus einzubauen, so wird sie den Teil
der wertlosen thermischen Energie erlauben, als die Elektrizität zurückzugeben.
In unserem Beispiel, wenn der Umfang der Arbeitskammer 100 Kubikmeter bildet, und
der Unterschied der Temperaturen des Arbeitskörpers 30 Grade (das heisse Wasser der
nicht hohen Parameter), für einen Zyklus dem Arbeitskörper wird 100*1.225*30*1.005
= 3693 Kilokalorien der Wärme übergeben sein. Übernehmend der Zyklus der Arbeit
der Einrichtung 10 Sekunden, und der Wirkungsgrad 10 % (d.h. (T2-T1)/T2~ 0.1)
werden wir bekommen, dass pro Sekunde auf den Generator 0.1*3693*0.1*4.2= 155.1
Кдж übergeben sein wird, was der elektrischen Macht der Anlage etwa 150 Kilowatt
entspricht. Für das übernommene Gefälle der Temperaturen in 30 Grade, bildet das ein
Zehntel von der Temperatur des normaler Umgebung (in Kelvin) zusammen. Dann wird
der Unterschied des Gasdrucks in der Arbeitskammer auf dem "Atemzug" und auf dem
"Ausatmen" 0,1 Bar gebildet. Dieser Drückunterschied knittert die metallische
Konstruktion der Kammer nicht und zur gleichen Zeit kann von der speziellen
Schraubenturbine, die nach der Einrichtung dem Schraubenpaar der modernen
Kompressoren ähnlich ist, genügend wirksam verwendet sein. Möglich, vorteilhafter ist,
das System zu isolieren, vertretungsweise des Arbeitskörpers das kohlensauere Gas
auszunutzen und im Überdrückbereich 0 … +0.3 Bars zu arbeiten.