СПОСОБ РАБОТЫ "ТЕПЛОВОЙ МАШИНЫ САПРИНА, АЛЬТЕРНАТИВНО-АВТОНОМНОГО ПИТАНИЯ"

1. Способ работы «тепловой машины Саприна, альтернативно-автономного питания» заключается в том, что для получения требуемого результата, в этой тепловой машине используют:
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
м
б
2
2
1) работу расширения, от жидкости до газа, с их разницей объемов; 2) критическую температуру и критическое давление рабочего тела; 3) во всей системе движения рабочего тела поддерживают строго определенное давление, удерживающее в рабочем теле количество теплоты, почти равное критическому, и при этом удерживающее рабочее тело, в жидком состоянии; 4) поддерживают строго определенную температуру во всей системе; 5) всю систему движения рабочего тела, тепло - изолируют от внешней среды, и устанавливают температурные датчики и термостаты, поддерживающие строго определенную температуру в системе; 6) в процессе работы охладителю отдают не всю теплоту, а только небольшую часть ее, равную последующему нагреву, такому процессу способствует давление системы, конденсирующее газы рабочего тела при высоких температурах; 7) используют закон физики: в сообщающихся сосудах давление всегда одинаково; 8) используют свойство веществ: при повышении давления температура начала кипения увеличивается, а «критическая температура» всегда не измена; 9) строго определенное давление, во всей системе движения рабочего тела, которое создают при сборке и поддерживают в процессе всего использования; это давление будет удерживать в рабочем теле, количество теплоты, соответствующее температуре системы (на 10-40К меньше критической температуры рабочего тела), и при этом будет удерживать рабочее тело в жидком состоянии (в нормальных условиях при такой температуре и при таком количестве теплоты - внутренней энергии, любая жидкость переходит в пар минимум на 70-80%, используя давление в системе мы выигрываем эти 70-80%); это давление колеблется от 2,5 до 20 МПа (зависит от состава рабочего тела и требуемой мощности); для примера возьмем CO - углекислый газ и HO - воду: для CO, при нормальных условиях (давление атмосферное - 0,1 МПа) температура начала кипения 195К, а взрывного кипения 310К, разница на 115К (310-195=115), (для воды, это от 50°С до 375°С=325°С), и так t*=от 295 до 310К (см. вышеуказанную таблицу) (t*-критическая температура - «взрывное кипение»), а при давлении в 5,5 МПа оксид углерода CO конденсируется при температуре немного ниже 285К, а взрывное кипение CO около 310К (при давлении 8 МПа) с теплотой (внутренней энергией) U=683,3 кДж/кг (см. вышеуказанную таблицу), разница 310К-285К=25К (683,3 кДж/кг - 531,3 кДж/кг=152 кДж/кг), давление в системе - 5,5 МПа при t=285К, позволит удерживать в рабочем теле теплоту U=531,3 кДж/кг, а не отдавать ее охладителю, с последующим - обратным нагревом рабочего тела на эту же температуру, это уменьшает затраты на нагрев от температуры конденсации до критической температуры, на 531,3 кДж/кг, почти в 4,5 раз (683,3/152=4,49), для CO, и сократить время нагрева, следовательно: в камере нагрева нагревают рабочее тело всего лишь на 25К с затратой теплоты Q=152 кДж/кг, а не на 115°С с затратой Q=683,3 кДж/кг, для CO, и получают вскипание рабочего тела по всему объему до критического давления, с разницей объемов: жидкость - газ, так как при критической температуре жидкость существовать не может, а в системе, рабочее тело находится в жидком состоянии; критическое давление у CO - 8 МПа, но так как давление системы 5,5 МПа, то на работу этой тепловой машины пойдет 2,5 МПа, с произведенной работой L=507,55 кДж/кг за 1 цикл (1680 кДж / 3,31 кг=507,55 кДж/кг, см. расчеты ниже), и так, в цикле обычной тепловой машины, на 1 цикл уходит теплоты Q=683,3 кДж/кг, а полученная работа L=507,55 кДж/кг, 683,3 кДж/кг>507,55 кДж/кг, Q>L, а в цикле «тепловой машины Саприна альтернативно-автономного питания», на один цикл уходит теплоты Q=152 кДж, а полученная работа L=507,55 кДж, 507,55 кДж/кг>152 кДж/кг, или L>Q в 3, 339 раз; а если используют «компрессор Саприна», то все 8 МПа можно использовать, для работы этой тепловой машины, это полезной работы L=1459,2 кДж/кг (4830 кДж / 3,31 кг.=1459,2 кДж/кг, см. расчеты ниже), а потребление Q=246,22 кДж/кг; теперь посчитаем потребление «обычной тепловой машины», с учетом потерь на нагрев: так как КПД современных электрогенераторов примерно 90-80%, возьмем 80% (чтобы получить 100% теплоты надо потратить 120%), 20% от 683,3 кДж=6,83·20=136,6, => 683,3+136,6=819,9 кДж, 819,9 кДж будет потреблять электрогенератор, чтобы отдать 683,3 кДж, а КПД современных электронагревателей примерно 85-95%, то: возьмем среднее - 90%, 10% от 819,9 кДж=8, 199·10=81,99 кДж => 81,99+819,9=901,89 кДж, это затраты на нагрев 1-го кг CO, с учетом потерь; а теперь посчитаем потребление «тепловой машины Саприна альтернативно-автономного питания», с учетом потерь на нагрев: так как КПД современных электрогенераторов примерно 90-80%, возьмем 80%: 20% от 152 кДж=1,52·20=30,4%, => 152+30,4=182,4 кДж будет потреблять электрогенератор, чтобы отдать 152 кДж, а КПД современных электронагревателей, примерно 85-95%, возьмем среднее - 90%, 10% от 182,4 кДж=1,824·10=18,24 кДж ⇒ 182,4+18,24=200,64 кДж, это затраты на нагрев, 1-го кг CO в «тепловой машине Саприна» с учетом потерь; итак, чтобы нагреть 1 кг CO, в «тепловой машине Саприна» необходимо теплоты, Q=200,64 кДж/кг=201 кДж, а в обычной тепловой машине, Q=901,89 кДж/кг, а полученная работа L=507,55 кДж/кг, 901,89 кДж/кг>507,55 кДж/кг, Q>L, а в цикле «тепловой машины Саприна» без компрессора, на 1 кг уходит теплоты Q=201 кДж, а полученная работа L=507,55 кДж 507,55 кДж/кг>201 кДж/кг, или L>Q, в 2,5 раз; а если используют «компрессор Саприна», то все 8 МПа можно использовать, для работы этой тепловой машины, это полезной работы L=1459,2 кДж/кг, а потребление Q=246,22 кДж/кг, L>Q, в 5,92 раз; и охлаждают CO, всего лиш на 25К (отнимают 152 кДж/кг теплоты, а не 683 кДж/кг, как это делается во всех тепловых машинах) до температуры конденсации, равной «температуре системы»; для воды HO с t*=373°C, при давлении в 15 МПа, вода конденсируется при температуре 330°С, а взрывное кипение воды около 373°С разница 373°С-330°С=43°С, следовательно, рабочее тело нагревают всего лишь на 43°С, и получают «критическое давление», для HO оно 22,5 МПа, но так как в системе поддерживают постоянное давление системы 15 МПа, то на работу этой тепловой машины пойдет 7,5 МПа, а если используют «компрессор Саприна», то все 22,5 МПа используют, для работы этой тепловой машины, а при добавлении в воду 20% фенола (t*=66°C) разница температур не значительна; при малейшем падении определенного давления в системе часть рабочего тела будет испарятся, поддерживая давление, пропорциональное температуре системы, переходить в пар и образовывать пузырь в верхней точке, а при повышении его будет конденсироваться и переходить в жидкость, этот пузырь будет балансиром, сглаживающим скачки давления в системе, «тепловая машина Саприна альтернативно-автономного питания» состоит из: дозатора, камеры нагрева, силового агрегата (поршневого двигателя, турбины и т.д.), охладителя, накопительной камеры и, если требуется увеличить мощность, то добавляют «компрессор Саприна», при применении «компрессора Саприна» необходимо использовать дополнительную емкость - расширитель, для накопления отработавших паров рабочего тела, ее устанавливают перед компрессором; дозатор, устройство, подающее и регулирующее подачу жидкого рабочего тела в камеру нагрева и поддерживающее в камере нагрева необходимое количество рабочего тела, состоит из: цилиндра дозатора, поршня дозатора, штока дозатора, закрепленного на поршне дозатора и входящего внутрь камеры нагрева; двух клапанов, регулирующих движение рабочего тела в дозаторе; пружины дозатора такой упругости, чтобы при рабочем давлении в камере нагрева, она бы сжималась этим давлением, через шток дозатора, а при падении давления в камере нагрева, в результате выхода рабочего тела, для совершения работы, она разжималась бы; пружину дозатора можно заменить баллончиком с газом, выполняющим функцию этой пружины; дозатор устанавливают таким образом, чтобы при повышении давления в камере нагрева, рабочее тело давило бы на шток дозатора, который бы двигал поршень дозатора, сжимая пружину дозатора, и засасывал бы рабочее тело в цилиндр дозатора из накопительной камеры до тех пор, пока будет повышаться давление в камере нагрева, когда же в камере нагрева упадет давление, в связи с выходом рабочего тела, для совершения работы, пружина дозатора поставит поршень дозатора в первоначальное положение, вытолкнув при этом определенную порцию жидкого рабочего тела в камеру нагрева, на электронагреватель, рабочее тело моментально вскипит и увеличит давление до критического, при повышении давления в камере нагрева шток снова продвинет поршень дозатора в положение сжатия пружины дозатора, набрав новую порцию рабочего тела, и цикл дозатора начнется снова и снова; при использовании баллончика: шток дозатора продолжают с противоположной стороны поршня дозатора и вводят его в баллончик, в котором поддерживают постоянное, заданное давление: - среднее между давлением системы и критическим давлением рабочего тела, для CO - 6,5 МПа, для НО - 18,5 МПа, давление в баллончике поддерживают за счет соединения с камерой нагрева металлической трубкой с клапаном, упругость пружины которого соответствует давлению, равному половине разницы критического давления используемого рабочего тела и давления системы, для CO-(8-5)/2=1,5 МПа, для HO-(22,5-15)/2=3,75, в случае падения давления ниже заданного (в связи с утечкой) клапан откроется и давление в нем поднимется до установленного конструкцией; камера нагрева состоит из: корпуса высокой прочности, вентилятора, перекачивающего жидкое рабочее тело на электронагреватели; электронагревателей и, если применяют две камеры нагрева, тогда используют: один дозатор, использующий давление обеих камер нагрева по очереди для обеспечения их же жидким рабочим телом, в этом случае, на выходе из обеих камер нагрева клапан устанавливают заслонку, регулирующую выход рабочего тела, для совершения работы, этим сглаживая скачки давления; камера нагрева переводит (нагревает) рабочее тело, в критическое состояние «взрывного кипения» и обеспечивает работу: тепловой машины, дозатора, компрессора, холодильной установки и баллончика дозатора; электронагреватели питают электроэнергией, вырабатываемой электрогенератором, который работает от этой тепловой машины, кинетически соединенный с ней; охладитель состоит из: радиатора, в котором рабочее тело после совершения работы остужают до температуры системы, если свойства рабочего тела или температура воздуха не позволяют остудить рабочее тело до температуры системы, тогда применяют холодильную установку, состоящую из: радиатора, испарителя (морозильника), входного клапана и соединительных трубок; холодильная установка работает по стандартной схеме бытового холодильника, но вместо компрессора используют камеру нагрева, клапан будет всегда поддерживать в установке давление, равное критическому рабочего тела, включение и выключение холодильной установки регулируют термостатом; накопительную камеру выполняют произвольной формы, из прочного материала, с объемом, обеспечивающим необходимый запас рабочего тела и его конденсацию; в целях охлаждения атмосферным воздухом в качестве рабочего тела используют вещества с температурой взрывного кипения от 50°С и выше; как например: окись азота NO t*=158°C; метиловый спирт t*=97°C; ацетальдегид t*=188°C; и т.д., смеси: вода-фенол t*=66°C; хладагенты:R11 t*=189°C; R10 t*=283°C; R21 t*=179°C; R22t*=283°C; и т.д., благородный газ радон Rn t*=104°C; а для таких как оксид углерода CO t*=31°C и т.д., применяют холодильную установка; в случае необходимости повышения мощности этой тепловой машины перед охладителем устанавливают «компрессор Саприна» (работа этого компрессора основана на законе физики «равенство давлений в сообщающихся сосудах»); сущность «компрессора Саприна» в том, что: сжимающий поршень - «двухдиаметровый» - с разницей в диаметрах в 10 и более раз, и следовательно двигается в двух разных по диаметру цилиндрах, но равных по длине, составляющих основной цилиндр сжатия - основной блок; из закона равенства давлений, следует: что давление в этих двух цилиндрах будет всегда одинаково, и если в маленьком создадут большое давление, то поршень будет двигаться и сжимать газ в большом цилиндре, пока в цилиндрах не выровняется давление, но так как диаметр большого цилиндра больше, то и сжатого газа будет больше; к примеру: посчитаем требуемую мощность компрессора, для «тепловой машины Саприна» с поршневым двигателем объемом цилиндров 1,3 л, если диаметр малого цилиндра 40 мм, а диаметр большого 300 мм, и длина их по 400 мм, то: объем малого V=0,376 л, а объем большого V=2,826 л, полость малого цилиндра соединяют с полостью камеры нагрева, следовательно, в нем поднимется давление до давления камеры нагрева, если CO, то 8 МПа, и поршень сожмет газ в большом цилиндре до 8 МПа, или выдавит его в накопительную камеру «тепловой машины Саприна», сжав его до давления системы, для CO, - 5 МПа, посчитаем производительность: по закону Бойля - Мариотта, при t=const
2
1
1
2
V-V·P/Р,
2
ж
б
1
1
1
2
ж
ж
м
p
V=V - объем сжатого газа (жидкости), V=V, V=2,826 л, P=1 МПа, Р=5 МПа => V=2,826·1/5=0,565 л, с давлением 5 МПа, в охладителе охлаждают и конденсируют, из накопительной камеры жидкое рабочее тело закачивают дозатором в камеру нагрева, где нагрев на 25К (152 кДж/кг), получают взрывное кипение, а следовательно: жидкость перейдет в газ, создав давление 8 МПа с таким же объемом; работа в «тепловой машине Саприна» с компрессором связана с расширением газа с понижением давления, от 8 МПа до 1 МПа; от объема сжатого газа (жидкости) V отнимем объем малого цилиндра V компрессора и потребление холодильной установки, получим объем газа V идущего на работу поршневого двигателя, потребление холодильной установки мало на столько, что его можно не учитывать,
м
ж
V=0,376 л, V=0,565 л,
p
ж
м
V=V-V
p
0,565-0,376=0,189 л; 0 => V=0,189 л
2
1
1
2
V=V·P/Р
i
p
2
г
1
1
2
V=V; V=V - объем расширения, V=0,189 л, P=8 МПа, Р=1 МПа =>
г
V=0,189·8/1=1,512 л, с давлением 1 МПа,
м
б
1,512 л > 1,3 л, => «компрессор Саприна» может обеспечить «тепловую машину Саприна» с 1,3 л двигателем; если надо увеличить мощность компрессора, тогда увеличивают объем большого цилиндра компрессора, к примеру: диаметр малого цилиндра 40 мм, а диаметр большого 500 мм, и длина их по 500 мм, то объем малого V=0,628 л, а объем большого V=9,812 л; посчитаем производительность этого компрессора: по закону Бойля - Мариотта, при t=const
2
1
1
2
2
ж
б
1
V=V·P/P, V=V - объем сжатия, V=V,
1
1
2
ж
V=9,812 л, P=1 МПа, Р=5 МПа => V=9,812·1/5=1, 962 л, с давлением 5 МПа, далее рабочее тело остужают на 25К и конденсируют, получая жидкость, отдавая охладителю 152 кДж/кг, и закачивают в камеру нагрева где нагревают на 25К (152 кДж/кг), получая «взрывное кипение», создающее давление 8 МПа с таким же объемом; работа в «тепловой машине Саприна с компрессором» связана с расширением газа с понижением давления до 1 МПа,
м
ж
V=0,628 л, V=1,962 л,
р
ж
м
V=V-V
p
V=1,962-0,628=1,334 л
2
1
l
2
V=V·P/P,
1
p
2
г
1
1
2
V=V; V=V - объем расширения, V=1,334 л, P=8 МПа, Р=1 МПа =>
г
V=1,334·8/1=10,672 л, с давлением 1 МПа,
для двигателя с объемом цилиндров 1,3 л:
10,672 /1,3=8,209 циклов 1,3 л двигателя, получаем
8 - циклов или оборотов поршневого двигателя с одного цикла «компрессора Саприна», вывод: этот компрессор может обеспечить «тепловую машину Саприна альтернативно-автономного питания», с объемом цилиндров поршневой машины 1,3 л, требуемым количеством рабочего тела с давлением 5 МПа, для совершения его автономной работы без потребления топлива или какой-либо еще энергии от посторонних источников; «компрессор Саприна» состоит из: основного цилиндра сжатия - основного блока, «системы обратного хода», сжимающего поршня, клапанов, регулирующих движение рабочего тела в большом цилиндре, и если необходимо повысить производительность, то и из гидравлического привода с дополнительными цилиндрами сжатия - рабочими блоками; «система обратного хода» состоит из: направляющего штока, баллончика поддержания давления, соединительных магистралей, впускного отверстия с клапаном «системы обратного хода», выпускного отверстия «системы обратного хода», впускной заслонки, выпускной заслонки; гидравлический привод состоит из: гидравлических магистралей и рабочих блоков сжатия; устройство и принцип работы рабочих блоков такое же, как и у основного блока сжатия; только для движения сжимающих поршней рабочих блоков, применяют несжимаемую гидравлическую жидкость, которую закачивают в большой цилиндр основного блока сжатия и соединяют его полость металлическими трубками, с полостями малых цилиндров рабочих блоков; таким образом, при работе этой тепловой машины рабочее тело из камеры нагрева будет двигать сжимающий поршень основного блока сжатия, выдавливая из большого цилиндра гидравлическую жидкость в малые цилиндры рабочих блоков, в связи с этим сжимающие поршни рабочих блоков будут сжимать рабочее тело в больших цилиндрах рабочих блоков до давления камеры нагрева и выдавливать его в охладитель; для обратного движения всех сжимающих поршней рабочих блоков используют «систему обратного хода» основного блока сжатия: так как гидравлическая жидкость не сжимается и не расширяется, то все сжимающие поршни рабочих блоков будут копировать движение сжимающего поршня основного блока сжатия; количество рабочих блоков ограничивается только объемом большого цилиндра основного блока сжатия, и чем его объем больше, а диаметры малых поршней рабочих блоков меньше, тем больше можно установить рабочих блоков - 4, 6, 8, 10, 20 и т.д., а следовательно, и увеличить объем сжимаемого газа в - 4, 6, 8, 10, 20 раз; для совершения работы этой тепловой машины рабочее тело продвигают по замкнутому циклу, в котором рабочее тело охлаждают и конденсируют переводя в фазу жидкости, в охладителе атмосферным воздухом или холодильной установкой закачивают дозатором в камеру нагрева, где нагревают всего на 15-40К, этим переводят его в критическое состояние «взрывного кипения», которое создает критическое давление; пары рабочего тела с критическим давлением производят работу поршневой машины, турбины или любого другого силового агрегата процессом расширения (до давления системы); после совершения работы отработавшие пары рабочего тела выводят в охладитель, в котором их остужают до температуры системы - на 15-40К (отдавая только требуемую небольшую часть теплоты), далее нагревают на столько же, и цикл тепловой машины начинается снова и снова; все соединительные магистрали системы: дозатора, накопительной камеры, компрессора и охладителя подсоединяют в нижних частях системных емкостей, для продвижения по системе только жидкого рабочего тела; клапаны поршневой машины регулируются газораспределительным механизмом, все остальные клапаны открываются разницей давлений, а закрываются пружинами в результате выравнивания давлений, регулируя этим движение рабочего тела в тепловой машине и компрессоре; для большей герметичности, на поршни компрессора и поршневой машины можно устанавливать резиновые кольца - зависит от свойств рабочего тела (используемых температур); давление в системе, температура, размеры всех системных блоков и агрегатов: накопительной камеры, охладителя и камеры нагрева, компрессора и т.д., определяют в расчете с требуемой мощностью тепловой машины и физическими свойствами рабочего тела; все механические агрегаты этой тепловой машины: компрессор, работающий от давления созданного камерой нагрева; электрогенератор, преобразовывающий крутящий момент этой тепловой машины в электроэнергию и питающий электроэнергией электронагреватели этой тепловой машины - работают автономно, то есть «тепловая машина Саприна альтернативно-автономного питания» работает без потребления топлива, электроэнергии или другой какой-либо энергии от посторонних источников; требуется энергия только для запуска от: аккумулятора (электрического, воздушного или любого другого), городской сети или любой другой энергии и устройства для прогрева системы (всего рабочего тела) до рабочей температуры и запуска ее двигателя; «тепловая машина Саприна альтернативно-автономного питания» может применятся: как в автотехнике, так и в железнодорожном, в водном и в воздушном транспорте, в электростанциях как в больших, так и в мини и во всех силовых агрегатах, а так же в состоянии заменить собою атомные электростанции - АТС.