Ви є тут

Термомолекулярна енергетика


Термомолекулярна енергетика

Перетворення відбувається в робочих тілах, які поглинають енергію одного виду і віддають назовні – іншого виду. Ще Саді Карно вказував, що для перетворення теплоти в механічний рух необхідно використовувати тіла, які можуть долати опір, змінюючи об’єм при зміні температури. Він також зазначав, що з цією метою можна використовувати тверді тіла, рідини, але найбільш доцільним є застосування газів, які при нагріванні розширюються найбільшою мірою. В перетворювачах теплової енергії в механічну – теплових двигунах як робочі тіла застосовувались і застосовуються гази і пара, які при нагріванні поглинають теплову енергію, а при розширенні здійснюють механічну роботу.

Таким чином, в усіх теплових машинах відбувається перетворення кінетичної енергії хаотичного теплового руху молекул газу в направлений рух поршня або потоку газу. Ще двадцять років тому будь-який енергетик чи механік міг, як кажуть, підписатися під словами Саді Карно, що гази ніби створені для застосування в теплових двигунах. Як ще можна змінювати об’єм тіл при зміні температури, як не через теплове розширення або зміну об’єму при фазових переходах?

На початку 80-х рр. минулого століття В.А.Єрошенко запропонував новий принцип зміни об’єму при зміні температури і, відповідно, принципово нове робоче тіло для перетворювачів теплової енергії в механічну – теплових двигунів. Суть ідеї В.А.Єрошенка полягає в тому, що в гетерогенній термодинамічній системі виду “рідина – капілярно-пористе тіло, яке не змочується цією рідиною”, сумарний об’єм системи залежить від ступеня заповнення пор рідиною, відповідно від тиску, а також і від температури, оскільки ступінь заповнення пор при даному тиску залежить від поверхневого натягу рідини, а останній залежить від температури. Таким чином, у таких перетворювачах енергії “працюють” не сили, обумовлені хаотичним рухом молекул газу, а сили міжмолекулярної взаємодії. Оскільки останні залежать від температури, науковий напрямок, який досліджує використання сил поверхневого натягу для виконання механічної роботи, названо “термомолекулярною енергетикою”.

Гетерогенне робоче тіло виду “рідина – капілярно-пористе тіло, яке не змочується цією рідиною” має багато незвичних властивостей.

На відміну від традиційних тіл, стан нового робочого тіла описується двома рівняннями, при цьому тиск і об’єм виступають уже як взаємонезалежні параметри системи, що відкриває перспективи створення енергопристроїв, які не мають аналога в традиційній технічній термодинаміці.

До незвичайних фізичних і термодинамічних властивостей нового робочого тіла належать наступні: адіабатична нестисливість у рівноважному процесі; коефіцієнт ізотермічного стиснення і коефіцієнт ізобаричного розширення можуть бути необмежено великими (аж до нескінченності); можливе здійснення ізобарно-ізотермічних процесів стиснення (розширення) без фазового переходу в системі; ізотермічні процеси стиснення і розширення можуть протікати з гістерезисом по координаті «тиск»; термічний коефіцієнт пружності нового робочого тіла негативний, тобто легше стиснути систему при підвищеній температурі, ніж при низькій; нове робоче тіло самовільно розширюється не при нагріванні, а при охолодженні, має ефект пам’яті форми при термомеханічному впливі на нього, причому, ефект збільшення його об’єму в 10 разів перевищує показники нітінолу й інших сплавів з ефектом пам’яті форми; процеси стиснення і розширення нового робочого тіла протікають безшумно; час стиснення (розширення) системи може досягати значень 0,001 с.

Розроблено новий термодинамічний цикл із використанням зазначеного робочого тіла, у якому процес перетворення теплової енергії в механічну характеризується ступенем карнотизації 0,6-0,8. Доведено можливість реалізації зворотного термодинамічного циклу і створення безфреонових холодильників. На базі нових робочих тіл створені компактні акумулятори механічної і теплової енергії, амортизатори і демпфери з великим коефіцієнтом дисипації енергії, автономні (від традиційних джерел енергії і каналів зв’язку) виконавчі механізми із широким діапазоном переміщень і зусиль, що розвиваються, і створений термомолекулярний привод з розірваним у часі термодинамічним циклом.

На основі термомолекулярних ефектів можна створювати теплові двигуни, безфреонові холодильники, високоефективні амортизатори та інше. В них можна застосовувати воду і водні розчини, рідкі низькотемпературні евтектики. Як капілярно-пористі матриці застосовуються тефлонові пористі плівки, силікагелі, алюмосилікати, пористі стекла, окис алюмінію, цеоліти та інші.

У гетерогенних системах роботу виконує міжфазова поверхня. Оскільки питома поверхня високодисперсних речовин може сягати кілька тисяч квадратних метрів на 1 грам, енергія, що накопичується гетерогенним робочим тілом, може бути на 2-3 порядки вищою, ніж у газу і пари, а значить, робочі камери-перетворювачі можуть бути суттєво компактнішими.

Сьогодні механізми і пристрої, конструкції яких базуються на принципі відкриття, використовуються в космічній та авіаційній техніці, на атомних електричних станціях та на інших об’єктах. Оскільки і нове робоче тіло, і пристрої на його основі створені недавно, можливості для розробки і застосування пристроїв, в яких воно використовується, без перебільшення можна назвати необмеженими.

Загальнонаукове значення базових концепцій термомолекулярної енергетики і їхня застосовність для коректного аналізу з єдиних позицій багатьох явищ і закономірностей у живій і неживий природі, а також для обґрунтованого прогнозу розвитку термомеханічних систем, випливає з установленого наукового факту: мірність простору може виступати як термодинамічний потенціал системи. Це означає, що поряд зі звичною для технічної термодинаміки роботою стиснення (розширення) з обов’язковою зміною об’єму системи існує робота формоутворення, коли відповідні процеси в термодинамічній системі можуть здійснюватися при постійному об’ємі компонентів системи.

Більш докладно з новим напрямком техніки можна ознайомитись за статтею: Ерошенко В.А.Термомолекулярная энергетика / Промышленная теплотехника. – 1992. – т.14. - №1-3. – С.24-25

В.А.Єрошенко, д.т.н., професор, В.М.Ігнатович, к.т.н.

x

Електронний кампус

Інформаційні ресурси

Викладачі КПІ

GitHub репозиторій