Теплоэнергетика

магнитного состояния  в немагнитное и обратно. Двигатель  может иметь

коэффициент полезного  действия выше, чем у двигателей внутреннего сгорания

и для своей  работы может даже использовать низкотемпературные газы (порядка

100 град. С), которые другие двигатели не могут использовать совсем или

использовать  с меньшей эффективностью.

Используя горячие  газы, полученные сжиганием жидкого  или газообразного

топлива, предложенный двигатель может заменять двигатели  внутреннего

сгорания. Однако новый двигатель гораздо проще по конструкции и работает

без шума, что  является его большим достоинством.

Новый двигатель  может также работать используя  горячие газы, являющиеся

отходами при  работе различных высокотемпературных  агрегатов:

металлургических  печей, котельных установок и т.п.

Рассматриваемый ниже двигатель с внешним подводом теплоты предназначен для

утилизации тепловой энергии горячих газов, являющихся отходами различных

производств и  процессов. Извлеченное тепло двигатель  превращает в

механическую  работу, которая с помощью электрогенератора может быть

превращена в  электроэнергию. В современном производстве тепловых отходов в

виде газов  горячих очень много. Это горячие  газы, выходящие из

металлургических  печей, котельных установок разного  рода, газы в трубах

систем отопления.

Наиболее перспективным  применением двигателя является использование его в

частных домах  в районах с холодным климатом (Север РФ, Сибирь, Аляска,

Канадский Север, Скандинавия). В этом случае тепло  отходящих газов системы

отопления будет использовано для обеспечения дома электроэнергией.

Двигатель также  может приводить в движение насос  для подачи в дом воды из

реки.

Рассматриваемый двигатель разработан в Екатеринбурге  Конюховым Дмитрием

Леонидовичем  и не имеет зарубежных аналогов. 
 
 

                     Термодинамика теплового двигателя. 

В настоящий  момент для двигателей с внешним  подводом теплоты наиболее

известен термодинамический  цикл Стирлинга, состоящий из двух изотерм  и двух

изохор. Но возможно применение и других термодинамических циклов в подобных

двигателях.

Рассмотрим идеальный  термодинамический цикл с изотермическим сжатием и

адиабатическим  расширением некого гипотетического  двигателя. На рис. 1

приведен такой  идеальный термодинамический цикл, показанный в pV

координатах.

                                  [pic] 

Рис. 1. Идеальный  термодинамический цикл 
 

В цикле принят изохорический процесс подвода  теплоты так как, его

термический КПД  больше изобарического. Для упрощения  расчетов,

изохорический процесс 2–3 показан прямой линией. 
 
 

Термический КПД  цикла по pV-диаграмме рис. 2 :

где: 

P - степень повышения  давления; 

Q – показатель  адиабаты; 

T – степень  сжатия. 

Как видно из формулы (1) термический КПД такого цикла зависит от отношения

температур холодильника и нагревателя. Например, при T3 = 1173K; T1 = 337K;

? = 6,5; ? = 1,6 и ? = 3,5 термический КПД цикла составит 0,55. Что, при

прочих равных условиях, сопоставимо с термическим  КПД цикла Стирлинга. Но в

реальном двигателе  добиться, чтобы он работал по такому циклу конечно

трудно, поэтому  обобщенный термодинамический цикл реального двигателя будет

выглядеть так, как показано на рис. 2.

                                     [pic]

Рис. 2. Реальный термодинамический цикл 
 
 

                              Работа двигателя. 

Для объяснения принципа работы ДВПТ по циклу с изохорическим сжатием и

адиабатическим  расширением воспользуемся рис. 3. 
 

[pic]

                    Рис. 3. Принцип работы ДВПТ 
 
 

Такт впуска (рис. 3а).

В верхней мертвой  точке (ВМТ) открывается клапан расположенный в поршне и

при движении поршня к нижней мертвой точке (НМТ) рабочее  тело, с давлением

p1 и температурой T1, поступает в цилиндр. В НМТ  клапан в поршне

закрывается. 

Такт сжатия (рис. 3б).

При движении поршня к верхней мертвой точке (ВМТ) происходит сжатие

рабочего тела, при этом выделяющаяся в процессе сжатия теплота Q1 (см. рис.

1) рассеивается  в окружающей среде, вследствие  этого температура стенки

цилиндра, а, следовательно, и температура рабочего тела поддерживается

постоянной и  равной T1. Давление рабочего тела возрастает и достигает

значения p2. 

Такт расширения (рис. 3в).

В процессе нагревания теплота через стенку цилиндра передается рабочему

телу. При мгновенном подводе теплоты Q2 к рабочему телу давление и

температура в  цилиндре возрастают, соответственно до p3 и T3. Рабочее тело

воздействует  на поршень и перемещает его к  НМТ. В процессе адиабатного

расширения рабочее  тело производит полезную работу, а  давление и

температура уменьшаются  до p1 и T1. 

Такт выпуска (рис. 3г).

При движении поршня к ВМТ в цилиндре открывается клапан и через него

осуществляется  выпуск рабочего тела из цилиндра, с  давлением p1 и

температурой T1. В НМТ клапан в цилиндре закрывается. 

Цикл замыкается. 
 
 

                              Схема двигателя.

              [pic] 

                        Рис. 4. Схема работы ДВПТ 
 
 

В двигателе  такты сжатия и расширения осуществляются в разных цилиндрах,

соответственно  компрессионном 1 и расширительном 2. Цилиндры 1 и 2 связаны

между собой  через компрессионную 3 и расширительную 4 магистрали. В

компрессионной  магистрали 3 находится охладитель 5, а в расширительной

магистрали 4 находится  нагреватель 6. Компрессионная магистраль 3

подключена к  компрессионному цилиндру 1 через  выпускной клапан 7, а к

расширительному цилиндру 2 через впускной клапан 8. Расширительная

магистраль 4 подключена к расширительному цилиндру 2 через  выпускной клапан

9, а к компрессионному  цилиндру 1 через впускной клапан 10. Поршни 11 и 12

цилиндров 1 и 2 связаны  с валом двигателя 13 через механизм преобразования

движения 14. 
 
 

                 Экологические проблемы тепловой  энергетики. 

    За  счет  сжигания  топлива  (включая   дрова  и  другие  биоресурсы)  в

настоящее время  производится около 90%  энергии.  Доля  тепловых  источников

уменьшается до 80-85% в производстве электроэнергии. При этом в  промышленно

развитых  странах  нефть  и  нефтепродукты  используются  в   основном   для

обеспечения нужд транспорта. Например, в США (данные  на  1995 г.)  нефть  в

общем энергобалансе  страны  составляла  44%,а  в  получении электроэнергии

-только 3%. Для  угля характерна противоположная  закономерность:  при  22%  в

общем энергобалансе  он является основным в получении  электроэнергии  |52%).

В Китае доля угля в получении электроэнергии близка к 75%, в то же  время  в

России преобладающим  источником получения электроэнергии является  природный

газ (около 40%), а  на долю угля приходится только  18%  получаемой  энергии,

доля нефти  не превышает 10%.

    В  мировом  масштабе  гидроресурсы  обеспечивают  получение  около  5-6%

электроэнергии  (в  России   20,5%),   атомная   энергетика,   дает   17-18%

электроэнергии. В России ее доля близка к 12%, а в  ряде стран  она  является

преобладающей в энергетическом балансе (Франция - 74%, Бельгия -61%,  Швеция

- 45%).

    Сжигание топлива - не только основной источник энергии, но и  важнейший

поставщик  в  среду  загрязняющих   веществ.   Тепловые   электростанции   в

наибольшей степени  «ответственны»  за  усиливающийся  парниковый  эффект  и

выпадение  кислотных  осадков.  Они, вместе  с транспортом,  поставляют  в

атмосферу основную долю техногенного  углерода  (в  основном  в  виде  СО2),

около 50% двуокиси серы, 35% - окислов  азота  и  около  35%  пыли.  Имеются

данные, что тепловые электростанции в  2-4  раза  сильнее  загрязняют  среду

радиоактивными  веществами, чем АЭС такой же мощности.

    В   выбросах  ТЭС  содержится  значительное  количество  металлов  и  их

соединений. При  пересчете  на  смертельные  дозы  в  годовых  выбросах  ТЭС

мощностью 1 млн. кВт содержится алюминия и его  соединений  свыше  100  млн.

доз, железа-400 млн. доз,  магния  -1,5  млн.  доз.  Летальный  эффект  этих

загрязнителей не проявляется только потому, что  они попадают в  организмы  в

незначительных  количествах. Это,  однако,  не  исключает  их  отрицательного

влияния через  воду, почвы и другие звенья экосистем.

    Можно  считать, что тепловая энергетика  оказывает отрицательное  влияние

практически на все элементы среды, а также на человека, другие  организмы  и

их сообщества. В обобщенном виде эти воздействия представлены в таблице. 
 
 

|Технол|Влияние  на элементы среды и биоту                     |Примеры цепных  |

|огичес|                                                      |реакций         |

|кий   |                                                      |                |

|процес|                                                      |                |

|с     |                                                      |                |

|      |воздух |почвы и    |воды         |экосистемы и      |                |

|      |       |грунты     |             |человека          |                |

|1     |2      |3          |4            |5                 |6               |

|Добыча|Углевод|Повреждение|Загрязнение  |Разрушение и      |Загрязнение     |