ДВИГАТЕЛЬ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ ЭРИКСОНА
Это тепловой двигатель открытого цикла, который забирает дополнительный рабочий газ и сжимает его, когда давление в резервуаре не достигает максимального рабочего давления. Сжатый газ может быть отобран из резервуара высокого давления по мере необходимости, и двигатель будет его восполнять, используя тепловую энергию, извлекаемую из тепловых резервуаров окружающей среды. И наоборот, машина может работать в обратном направлении как тепловой насос, работающий на сжатом газе, который отдает часть рабочего газа при низком давлении.
Когда тепловой двигатель работает в довольно узком диапазоне температур, большая часть (около 90% при 270–300 К) тепла, отводимого от горячего резервуара, неизбежно попадает в холодный резервуар, не совершая никакой работы, что приводит к довольно низкому абсолютному КПД. Тем не менее, поскольку этот процесс обратим в буквальном смысле, он может достигать максимально возможного КПД. При подаче избыточного сжатого газа он может работать как тепловой насос, перемещая тепло из холодного резервуара в горячий. Конечно, этот процесс не является идеально обратимым в смысле сохранения энтропии, но в зависимости от количества рабочих резервуаров, точности согласования давлений и скорости протекания процесса двигатель может хранить в виде сжатого газа практически всю энергию, отводимую от горячего резервуара, которая не обязательно должна попасть в холодный резервуар, или перекачивать почти максимально возможное количество тепла из холодного резервуара в горячий при заданном количестве подаваемого сжатого газа.
Термодинамический цикл состоит из двух изобарических стадий, чередующихся с двумя изотермическими. Большое количество циклов протекает параллельно, каждый из которых находится на слегка отличающейся фазе. Для идеально обратимой машины потребовалось бы бесконечное количество циклов, протекающих параллельно.
Любой заданный объем рабочего газа движется по циклу, начиная с холодного резервуара низкого давления, заполненного газом.
- Холодный изотермический этап включает в себя поршни, которые выдавливают холодную гидравлическую жидкость из ряда цилиндров через трубы и клапаны в бак, в то время как тепло сжатия отводится через тепловую трубу, в результате чего получается холодный бак высокого давления, заполненный гидравлической жидкостью, и небольшой пузырёк холодного газа высокого давления. Пузырь поднимается в резервуар с холодным газом высокого давления, в то время как равный объём холодной гидравлической жидкости стекает из резервуара.
- Изобарический этап высокого давления (непрерывный процесс) включает в себя отправку газа высокого давления из холодного резервуара высокого давления через противоточный теплообменник в горячий резервуар высокого давления.
- Горячий изотермический этап начинается с бака, заполненного горячей гидравлической жидкостью с небольшим пузырьком газа высокого давления, дозируемым из резервуара, и включает в себя вытекание горячей гидравлической жидкости из бака через трубы и клапаны в ряд цилиндров, где жидкость заставляет каждый поршень по очереди перемещаться на небольшое расстояние, заканчиваясь баком, заполненным горячим газом низкого давления, и гидравлической жидкостью, распределенной по нескольким различным цилиндрам.
- Изобарический этап низкого давления (также непрерывный процесс) включает в себя отправку газа низкого давления из горячего резервуара низкого давления через противоточный теплообменник в холодный резервуар низкого давления.
Противоточный теплообменник
Изобарические стадии происходят в противоточном теплообменнике, в котором горячий газ низкого давления отдаёт тепло холодному газу высокого давления. Работа, необходимая для поддержания постоянного давления газа низкого давления, обеспечивается газом высокого давления, который должен отдавать работу для поддержания постоянного давления. Поскольку нет обмена работой и теплом с окружающей средой, изобарные стадии, взятые вместе, являются полностью обратимыми. Более реалистичное описание противоточного теплообменника приведено ниже.
Изотермические резервуары, заполненные газом и гидравлической жидкостью
Изотермические этапы происходят в баках, заполненных частично рабочим газом и частично гидравлической жидкостью, с теплосифонными трубками (т.е. ТЕПЛОВЫМИ ТРУБКАМИ С ГРАВИТАЦИОННОЙ ПОДАЧЕЙ), равномерно распределенными по бакам. Теплосифоны в горячих изотермических баках ведут вниз к общему баку с жидким хладагентом высокой температуры. Сифоны в холодных изотермических баках содержат жидкий хладагент и ведут вверх к общему конденсатору низкой температуры.
Все горячие баки находятся в изолированном помещении, в котором поддерживается высокая температура, а все холодные баки находятся в отдельном изолированном помещении, в котором поддерживается низкая температура.
В течение одного изотермического этапа каждый бак содержит постоянное количество рабочего газа, которое остаётся в баке до достижения конечного давления. Холодный бак изначально заполнен холодной жидкостью, которая сливается в холодный резервуар низкого давления, в то время как холодный газ низкого давления поднимается из резервуара в бак. Затем холодная жидкость нагнетается в бак из ряда цилиндров. Наконец, небольшой пузырёк газа высокого давления выпускается в холодный резервуар высокого давления, когда холодная жидкость стекает вниз, возвращаясь к началу цикла для данного бака.
Горячий бак проходит аналогичный цикл, но в обратном порядке: сначала он заполнен горячей жидкостью, затем в бак подается небольшой пузырек горячего газа высокого давления, а из бака выводится равный объем жидкости. Затем горячая жидкость перетекает из бака в ряд цилиндров, при этом горячий газ расширяется, и поршни движутся. Наконец, бак, полный горячего газа низкого давления, выпускается в резервуар горячего низкого давления, в то время как горячая жидкость стекает вниз со дна резервуара.
Соединение пар изотермических резервуаров
Изотермические баки соединены разветвлённой сетью трубопроводов, клапанов и гидравлических поршней. Пары баков, находящихся под практически одинаковым давлением, соединены парой цилиндров со связанными поршнями, так что горячая гидравлическая жидкость, выходящая из бака с более высоким давлением (горячего), вытесняет холодную жидкость в бак с более низким давлением (холодный). После прекращения подачи пара восстанавливается путём закрытия и открытия клапанов.
Поскольку горячий газ должен сжимать холодный газ, горячий бак в паре должен находиться под более высоким давлением, чем холодный. Поэтому недавно запущенный горячий бак с максимальным давлением должен быть соединён с почти готовым холодным баком с давлением, близким к максимальному. Оба бака почти заполнены гидравлической жидкостью, и газ под высоким давлением занимает лишь небольшой объём.
Аналогично, почти готовый горячий бак, давление в котором приближается к минимуму, будет сопряжён с недавно запущенным холодным баком, давление в котором также минимально. Оба бака содержат очень мало гидравлической жидкости и большой объём газа.
Поршни разделяют горячую и холодную гидравлическую жидкость
Горячая гидравлическая жидкость отделена от холодной с помощью вспомогательных поршней и набора резервуаров для горячей и холодной жидкости. По мере того, как газ в горячем резервуаре расширяется и поглощает тепло от газообразного хладагента, конденсирующегося в тепловом сифоне и стекающего к горячему источнику тепла, гидравлическая жидкость вытекает и совершает работу над поршнем, который передает усилие соответствующему холодному поршню, который, в свою очередь, совершает работу над холодной жидкостью, которая, в свою очередь, совершает работу над холодным газом, который сжимается и передает тепло жидкому хладагенту в тепловом сифоне, который испаряется и, барботируя, поднимается к холодному радиатору.
Изотермические процессы
Горячий бак изначально почти полон горячей гидравлической жидкости. Эта жидкость попадает в резервуар для горячей жидкости. Аналогично, холодный бак изначально почти пуст. Холодная жидкость, которая поступает в бак для сжатия газа, поступает из резервуара через цилиндр и поршень.
Пара баков сначала соединяется через поршень, который дает преимущество холодному баку с более низким давлением, так что силы почти уравновешиваются. После того, как силы уравновешиваются, холодный бак все еще находится под более низким давлением, чем горячий бак. Затем два бака соединяются через другой поршень, который дает меньшее преимущество холодному баку. В конце концов, преимущество отдается горячему баку, который заканчивается с более низким давлением, чем холодный бак. Наконец, два бака оказываются ближе по давлению к другим бакам: горячий бак перемещается в следующий холодный бак с более низким давлением, а холодный бак перемещается в следующий горячий бак с более высоким давлением, снова начиная с поршня, дающего преимущество холодному баку. Все это достигается с помощью клапанов и труб, соединяющих баки с цилиндрами.
Изобарические технологические резервуары
Это возвращает нас к изобарическому процессу. Изотермические процессы завершаются с помощью резервуара с холодной гидравлической жидкостью и газом высокого давления, а также резервуара с горячим газом низкого давления и небольшим количеством горячей гидравлической жидкости. Мы не хотим, чтобы тепло перетекало от горячей гидравлической жидкости к холодной, поскольку это тепло не будет совершать никакой работы. Поэтому мы перемещаем холодный газ высокого давления в резервуар газа высокого давления, а холодную жидкость возвращаем в резервуар холодной гидравлической жидкости. Кроме того, мы перемещаем горячий газ низкого давления в резервуар газа низкого давления, а оставшуюся горячую гидравлическую жидкость возвращаем в соответствующий резервуар.
Итак, у нас есть два больших резервуара: один с холодным газом высокого давления, а другой с горячим газом низкого давления. Мы хотим реализовать два изобарических процесса: нагрев холодного газа высокого давления и охлаждение горячего газа низкого давления.
Использование работы, совершаемой при расширении горячего изобарического газа, для сжатия холодного изобарического газа
В принципе, мы хотим, чтобы работа, получаемая при нагревании газа высокого давления, шла на поддержание давления газа низкого давления по мере его охлаждения, но это не имеет большого значения, если это достигается за счёт того, что большие резервуары постоянного давления поглощают и отдают работу, поддерживая давление отдельно. Часть газа высокого давления может быть использована для подготовки дополнительного рабочего газа низкого давления, заменяющего газ высокого давления, отбираемый из системы для использования в других целях.
Цель изобарного процесса
Цель состоит в том, чтобы охладить объём, превышающий объём бака, заполненного горячим рабочим газом низкого давления, и заполнить им холодный бак с низким рабочим давлением. Одновременно с этим требуется нагреть небольшой объём холодного газа высокого давления, заполнив им небольшой объём горячего бака с горячей гидравлической жидкостью высокого рабочего давления.
Реализация изобарных процессов
Цель достигается с помощью противоточного теплообменника непрерывного действия, в котором горячий газ низкого давления медленно протекает через ряд изолированных резервуаров, соединённых изолированными трубками с низкой теплопроводностью. Одновременно холодный газ высокого давления медленно протекает через змеевики из высокопроводящих (например, медных) трубок внутри ряда изолированных резервуаров, начиная с последнего (самого холодного) резервуара и заканчивая первым (самым тёплым). Медные змеевики соседних резервуаров соединены изолированными трубками с низкой теплопроводностью.
В результате получается большой резервуар холодного газа низкого давления и ещё один большой резервуар горячего газа высокого давления. Эти резервуары поддерживают постоянную температуру с помощью тепловых сифонов, а постоянное давление – благодаря прямому соединению с другими резервуарами через теплообменник.
Нет необходимости следить за температурами в баках теплообменника, так как они естественным образом достигнут оптимальных условий.
Используя результаты изобарных процессов
При добавлении новой пары резервуаров к изотермическому процессу горячий резервуар заполняется горячей гидравлической жидкостью и впускается необходимый объём газа (рассчитанный на основе рабочих температур и давлений). Холодный резервуар просто заполняется холодным газом низкого давления из резервуара.
Измененный дизайн
Значительное упрощение возможно, если использовать систему гидравлики для преобразования всех различных давлений в общее промежуточное давление.
Рассмотрим гидравлический домкрат. Небольшое усилие, приложенное к рукоятке, заставляет поршень малого диаметра перемещаться на большое расстояние, вытесняя небольшой объём жидкости. Эта жидкость перетекает из малого цилиндра в главный цилиндр большего диаметра, где она заставляет поршень большего диаметра перемещаться на небольшое расстояние. Сила, возникающая на главном поршне, значительно больше силы, приложенной к рукоятке.
При отпускании ручки обратный клапан позволяет жидкости поступать в малый цилиндр из резервуара. Чтобы опустить домкрат, клапан открывается, позволяя жидкости перетекать из главного цилиндра обратно в резервуар.
Тот же механизм может использоваться для преобразования давления. Жидкость под низким давлением, действующая на поршень большого диаметра, создаёт силу, равную давлению, умноженному на площадь поршня. Эта сила передаётся через жёсткую связь на поршень малого диаметра. Большой поток жидкости, поступающий в большой цилиндр, непосредственно вызывает малый поток жидкости, вытекающий из малого цилиндра. Если этому потоку противодействовать, низкое давление, приложенное к большому цилиндру, создаёт высокое давление в малом цилиндре.
Для применения этого принципа к изотермическим процессам предусмотрено большое количество двусторонних поршней, соединенных с общим резервуаром давления. Под двусторонним поршнем понимается пара цилиндров разного диаметра с поршнями, жестко соединенными, как описано в предыдущем абзаце.
Каждый бак подключён к поворотному клапану. Ротор клапана соединяет центральный порт ровно с одним выходным портом, оставляя остальные выходными портами закрытыми. Предположим, имеется N выходных портов. Одна труба с тройниками соединяет i-й выходной порт всех горячих баков с одним двусторонним поршнем. Таким образом, нам потребуется N двусторонних поршней в горячей камере и N двусторонних поршней в холодной камере. Общий конец каждого поршня подключён к коллектору, содержащему гидравлическую жидкость промежуточной температуры и соединяющему горячую и холодную камеры.
Предполагается, что i-й коллектор содержит горячую (или холодную) жидкость под заданным давлением. Это давление можно контролировать с помощью простой механической системы: каждый коллектор также соединён с большим резервуаром для жидкости, давление в котором поддерживается любым удобным способом. Например, резервуар представляет собой высокий цилиндр, закрытый поршнем с соответствующим весом, так что давление в коллекторе определяется весом поршня.
Благодаря этой системе поворотных клапанов и коллекторов нет необходимости говорить о парах баков. Вместо этого каждый горячий бак проходит свой цикл независимо от холодных баков.
Второй пересмотренный дизайн
В холодном (горячем) помещении у нас имеется N баков сжатия (расширения), N-2 резервуара для жидкости постоянного давления и прикреплённые двусторонние поршни, а также один резервуар для жидкости и газа низкого давления и один резервуар для жидкости и газа высокого давления. Поворотный клапан с 2N портами расположен таким образом, что каждый бак последовательно соединён с одним поршнем и резервуаром при вращении клапана. От каждого бака к поворотному клапану идёт одна труба, а от клапана – одна труба к каждому резервуару. Резервуары низкого и высокого давления (которые не соединены с цилиндрами), вероятно, потребуют более сложной конструкции.
В холодильной камере резервуары изначально заполнены газом низкого давления, а в конце — жидкостью. Это означает, что холодный резервуар низкого давления должен располагаться ниже резервуаров, чтобы при подключении резервуара к резервуару низкого давления жидкость из резервуара стекала вниз через клапан в резервуар, а газ из резервуара через клапан поступал в резервуар. Аналогично, холодный резервуар высокого давления должен располагаться выше резервуаров, чтобы небольшой пузырёк газа высокого давления в резервуаре поднимался вверх через клапан в резервуар, а компенсирующее количество жидкости поступало в резервуар.
В горячей камере расположение меняется на противоположное: горячий резервуар низкого давления находится над баками, а горячий резервуар высокого давления — под ними. Кроме того, в горячий расширительный бак может поступать лишь ограниченное количество газа высокого давления. Если в бак поступит слишком много газа высокого давления, он перетечёт в резервуары для жидкости, которые должны содержать только жидкость.
Тепловой двигатель приводится в действие медленным поворотом поворотного клапана. В каждом резервуаре поддерживается давление, определяемое резервуаром с жидкостью постоянного давления.
Не сразу становится очевидным, как работа может непрерывно поглощаться баками в холодной камере и непрерывно отдаваться баками в горячей камере без какого-либо механизма восстановления положения поршней. Работа, совершаемая горячими камерами, проявляется в движении поршней, выталкивающих промежуточную жидкость из горячей камеры в холодную, где она воздействует на холодные двусторонние поршни, выталкивая холодную жидкость в холодные камеры. Очевидно, что эти поршни вскоре достигнут предела своего движения, и процесс должен быть остановлен.
Должен быть предусмотрен путь для обратного движения промежуточной гидравлической жидкости из холодной камеры в горячую. Это достигается простым способом: поворотные клапаны в обеих камерах должны работать синхронно. После прекращения (или практически полного прекращения) потока жидкости два поворотных клапана перемещаются в промежуточное положение, так что все баки закрываются, но все резервуары постоянного давления остаются подключёнными к соответствующим цилиндрам. В этом случае давление на поршни со стороны баков исчезает. Вместо этого возникает возвращающая сила, которая заставляет промежуточную жидкость перетекать из холодной камеры в горячую. Все холодные поршни перемещаются таким образом, что поршень промежуточной жидкости перемещается в верхнюю часть цилиндра и выталкивает всю промежуточную жидкость из цилиндра, а присоединённый поршень холодной жидкости перемещается в нижнюю часть цилиндра, заполненную холодной жидкостью, вытекшей из присоединённых холодных резервуаров постоянного давления. Аналогично, все горячие поршни перемещаются таким образом, что поршень промежуточной жидкости оказывается внизу цилиндра, присоединённый поршень горячей жидкости – вверху, а горячая жидкость перетекает в горячие резервуары постоянного давления.