Гравитационно-тепловые генераторы. Часть 2

2022-12-14

Гравитационно-тепловые генераторы. Часть 2. Вооружившись теорией и формулами из этой работы, мы можем приступить к расчёту некоторых параметров тепловых и гравитационно-тепловых генераторов. Главный параметр, который нас будет интересовать, — возможная эффективность реальных устройств, и следующий отсюда вывод о целесообразности их применения и производства. Генераторами такие устройства названы по аналогии с электрическими машинами, т.к. все приводимые здесь устройства будут вырабатывать электроэнергию. С точки зрения термодинамики они называются тепловыми насосами. Генератор на двух гидроаккумуляторах: день-ночь. Этот достаточно простой генератор электроэнергии основан на разнице температур в двух гидроаккумуляторах [1], соединённых относительно тонким шлангом, в разрыв которого установлена обратная помпа PM, вырабатывающая электроэнергию при протекании через неё жидкости , или рабочего тела . Один гидроаккумулятор устанавливается снаружи помещения, а другой — внутри. Из-за возникающей разности температур начинается перетекание рабочего тела из одного ГА в другой по трубе PI. Нам необходимо подсчитать энергию , которую совершит рабочее тело при протекании через обратную помпу. Эта механическая энергия будет равняться электрической, которую выработает помпа, без учёта её КПД.

Поскольку мы считаем, что нам известна разность температур между внутренним и внешним ГА, то сразу же сможем применить формулу из предыдущей теоретической части этой работы. Только здесь, для удобства, мы её запишем немного в другом виде: \[A = {p_1 V_1 \over T_1 } \Delta T \tag{2.1}\] Здесь: \ — разность температур между внутренним и внешним гидроаккумулятором, \ — начальные значения давления, объёма воздуха и температуры, которые можно взять от внутреннего ГА, \ — показатель адиабаты, который для воздуха равен 1.4. Поскольку, обычно, в ГА закачен воздух под начальным давлением в 1.5 атмосферы, то примем \. Возьмём ГА объёмом 0 литров, тогда \, а температуру в помещении, где расположен внутренний ГА, примем равной +20 ℃, или примерно 0 по Кельвину: \. Тогда работа , совершаемая воздухом при его сжатии-расширении, будет находиться так: \[A \approx 128\cdot \Delta T \tag{2.2}\] Например, при разнице температур в 0 градусов, два ГА на 0 литров будут вырабатывать 0 Дж энергии, что равносильно свечению лампы 0 Вт в течение примерно 0 минуты. Учитывая, что такая разница температур может появляться только два раз в сутки: днём и ночью, то целесообразность постройки такого генератора оказывается очень низкой. Можно немного улучшить параметры этой системы, например, взять ГА объёмом 0 литров, и закачать в него начальное давление в 2.5 атмосферы , тогда мы получим энергию примерно 0 Дж на 0 градусов разницы температур, что эквивалентно свечению лампочки в 0 Вт в течение 0-х часов. Как мы видим, принципиально ситуация с эффективностью не изменилась, хотя выходные параметры стали более привлекательными. Чуть улучшить этот генератор можно закачав в ГА вместо воздуха трёхатомный газ, например CO₂. В этом случае полезная энергия увеличится на 20%. Гравитационно-тепловой генератор. Идеи о таком генераторе можно обнаружить в изданиях прошлого века, например в [2]. Принцип его работы заключается в следующем . Компрессор 0 закачивает воздух через трубу 0 в рабочую камеру 6, заполненной жидкостью . Воздух из трубы попадает в контейнеры 0 , частично их заполняет и вытесняет из них жидкость, образуя вертикальную силу Архимеда. Поскольку контейнеры соединены между собой цепью 0 , которая вращается на двух шестернях 5, то полученная сила вращает всю эту конструкцию против часовой стрелки . Верхняя шестерня соединена шкивом 0 с генератором 8, который вырабатывает электрическую энергию, поступающую далее в блок управления и распределения 9. От него часть энергии поступает к компрессору, а часть — направляется к потребителю UG.

Давайте попробуем рассчитать такой генератор для идеального случая, т.е. когда не учитываются КПД составляющих его частей и механизмов. Тогда энергия компрессора, затрачиваемая на закачивание объёма воздуха \ в рабочую камеру находится по уже известной нам формуле : \[A_C = {k\, p_1 V_1 \over k-1} \left[ 0 - \left^{k - 0 \over k} \right] \tag{2.3}\] Здесь: \ — атмосферное давление, \ — давление на выходе компрессора, также равное давлению высоты водного столба [3]: \[ p_2 = p_1 + p_w, \quad p_w = \rho_w g H \tag{2.4}\] где: \ — плотность жидкости , \ — ускорение свободного падения, для Земли равное 9.81 м/с², \ — рабочая высота водяного столба . Теперь рассчитаем совершенно другой процесс: работу силы Архимеда на выталкивание этого объёма из рабочей камеры, а затем просто сравним эти две энергии. У нас уже ранее полученная формула для описания такого процесса : \[A = \rho_w\, g \int \limits_{0}^{H} V\, \partial h \tag{2.5}\] При выталкивании вверх контейнеров с воздухом, последний расширяется по мере выстоты подъёма \. Для получения этой зависимости воспользуемся выражением : \[V = V_2 \left} \right)^{1/k} = V_1 \left} \right)^{1/k} \tag{2.6}\] Здесь: \ — объём воздуха на поверхности и на глубине \ соответственно. Т.е. по мере подъёма давление водного столба, а значит и воздуха уменьшается, а его объём увеличивается. Зависимость давления от высоты также очевидна: \[p = p_2 - \Delta p\, {h \over H}, \quad \Delta p = p_2 - p_1 \tag{2.7}\] Для упрощения дальнейших вычислений обозначим: \[x = {h \over H}, \quad p = p_2 - \Delta p\, x \tag{2.8}\] Подставляя это в получим: \[V = V_1 \left^{1/k} \tag{2.9}\] Теперь необходимо подставить этот результат в : \[A = p_w V_1\, p_1^{1/k} \int \limits_{0}^{1} {\partial x \over ^{1/k}} \tag{2.10}\] Взяв этот интеграл, и приведя его слагаемые в порядок, мы с удивлением получим: \[A = {k\, p_1 V_1 \over k-1} \left[ \left^{k - 0 \over k} \right] \tag{2.11}\] Яков Перельман был совершенно прав [2], когда назвал в своё время этот генератор вечным , т.к. энергия, затрачиваемая компрессором на сжатие воздуха в точности равна работе, полученной от силы Архимеда , но с противоположным знаком. Заметьте, начальные формулы были взяты из разных разделов физики, но полностью сошлись в полученном результате! Казалось бы, что мы в тупике и никакой прибавки из окружающей среды нам здесь не получить, но выход есть. Здесь мы не учитываем изменения потенциальной энергии воды при изменении объёма воздуха в контейнерах т.к. это периодический процесс, и чем больше контейнеров будет задействовано, тем меньше это изменение будет влиять на весь процесс. Но мы также не учитываем и вихревое движение воды, увлекаемой всей конструкцией, которое должно снижать нагрузку на компрессор из-за пониженного давления на воздушном вводе. В следующих разделах мы рассмотрим и другие варианты увеличения COP. Многоступенчатые компрессоры. Само название такого компрессора говорит о том, что сжатие воздуха у него разбито на несколько ступеней. После каждой ступени производится охлаждение сжатого воздуха, после чего он поступает на следующую ступень сжатия. В идеале, такой компрессор сжимает воздух по логарифмической зависимости: \[A_C = p_1 V_1 \ln \left \tag{2.12}\] В реальности же, число его ступеней ограничено , и зависимость немного другая [4]: \[A_C = n {k\, p_1 V_1 \over k-1} \left[ 0 - \left^{k - 0 \over n\, k} \right] \tag{2.13}\] где: \ — число ступеней компрессора. Идеальный коэффициент эффективности установки будет находиться так: \[ C\!O\!P = {A \over A_C} = {1 \over n} {1 - ^{k - 0 \over k} \over 0 - ^{k - 0 \over n\, k}} \tag{2.14}\] Ниже приводится график зависимости дополнительной прибавки COP в зависимости от числа компрессоров и высоты установки \:.

До 10% дополнительной прибавки к можно добиться, применяя метод ударной адиабаты [5], при котором от компрессора могут распостраняться ударные волны. Но тогда весь процесс нагнетания воздуха придётся делать волновым, что влечёт за собой соблюдение дополнительных условий для его возникновения. Принцип беззатратного поплавка. На рисунке 0 мы представим очень необычный принцип получения дополнительной энергии из окружающей нас гравитации. На этом рисунке цифрой изображён бассейн с водой, в который вертикально установлена труба высотой \, также заполненная водой. Причём вода в такой трубе держится за счёт закрытого верхнего конца, отчего в самом её верху образуется сильное разряжение небольших объёмов воздуха. В бассейн опускается поплавок с воздухом на его высоту \ и запускается в трубу. За счёт архимедовой силы поплавок устремляется вверх, а пока он поднимается, мы снимаем с него полезную энергию \. Способ съёма энергии мы здесь не обсуждаем, но он может быть таким же, как на рисунке 2.

После того, как полавок поднялся на самый верх, мы его достаём из трубы, не нарушая действующее там разряжение. Способ такого манёвра здесь также не обсуждается, хотя его можно провернуть при помощи системы заслонок. Затем поплавок снова опускаем вниз . Работа опускания поплавка в бассейн на глубину \ рассчитывается по уже известной нам формуле \[A_C = {k\, p_1 V_p \over k-1} \left[ \left^{k - 0 \over k} \right] \tag{2.15}\] только вместо верхнего давления здесь подставлено давление на этой глубине \[ p_p = p_1 + \rho_w g H_p \tag{2.16}\] Также, в формуле подставлен объём поплавка: \. Формула работы поднимающегося поплавка также отличается от лишь некоторыми заменами: \[A = {k\, p_1 V_p \over k-1} \left[ \left^{k - 0 \over k} \right] \tag{2.17}\] где: \[ p_2 = p_1 + \rho_w g H_2 \tag{2.18}\] Отсюда можно найти COP установки: \[ C\!O\!P = {A \over A_C} = {^{k - 0 \over k} - 0 \over ^{k - 0 \over k} - 1} \\ x = {\rho_w g H_2 \over p_1}, \quad y = {\rho_w g H_p \over p_1} \tag{2.19}\] Отобразим полученную закономерность на графике 5.

Красный график показывает нам COP при y=0.01, т.е. когда высота поплавка равна примерно 0.1 метр. При этом, по оси x отображается высота установки в метрах*10, т.е. значение x=0.1 примерно равно 0 метру, а значение x=1 примерно равно 0 метрам. Как мы видим, теперь коэффициенты эффективности имеют довольно хорошие значения. Но каким же образом воплотить такой принцип в реальности? Любые способы решения этой задачи «в лоб» дадут в конце концов очень сложно реализуемый механизм. Попробуем изменить её условия. Третье давление. А что, если между компрессором и рабочей камерой установить эжектор [7] , а сам компрессор при этом будет качать не воздух, а воду ? Тогда эжектор будет засасывать воздух и создавать на входе в рабочую камеру водно-воздушную смесь, причём образованные воздушные пузырьки будут иметь пониженное давление, которое мы обозначим \, а динамическое давление смеси будет равняться \. Напомним, что полное давление в горизонтальном потоке равно сумме давлений: статического и динамического [6] \[p_C = p_3 + p_w, \quad p_w = {\rho_w\, v^2 \over 2} \tag{2.20}\] где: \ — давление, создаваемое компрессором; \ — скорость водного потока; \ — динамическое давление, создаваемое водным потоком. Наша задача — разогнать поток воды в эжекторе до такой скорости, чтобы \[ p_w \ge p_2 \tag{2.21}\] В этом случае, водно-воздушная смесь будет втекать в рабочую камеру. Смесь обладает некоторой инерционностью и после её поступления в рабочую камеру, давление в воздушных пузырьках не сразу повысится до \. Именно здесь и происходит прирост COP: столб воды постепенно сжимает воздушные пузырьки до давления \, после чего процесс происходит ранее описанным образом. Заметьте, что здесь сжимает воздух не компрессор, а гравитация!.

Нужно заметить, что в такой схеме потребуется делать ещё один контур, который будет излишек воды с верха установки снова запускать в компрессор, а сам компрессор должен обладать другими параметрами: уметь хорошо качать воду , и создавать давление порядка \. . . Используемые материалы

Википедия. .
Я.И. Перельман. Занимательная физика . «Вечный» водяной двигатель, стр. 0 . []
Википедия. давление.
П.А. Трубаев, Б.М. Гришко. Техническая термодинамика. Часть 2. Раздел 1.10. Многоступенчатые поршневые компрессоры и допустимая степень сжатия. []
Википедия. адиабата.
Википедия. Вентури.
Википедия. .