Ответы и пояснения
Оглавление
- Вводное пояснение
- Вопросы относящиеся к пониманию работы теплового насоса
- Возможно ли забирать тепло из низкотемпературного источника (воды например + 10 0С) и направлять в более теплую среду (например разогрев теплообменника до 55 0С) это же противоречит основным законам термодинамики?
- Возможно ли это делать (перенос тепла из более холодного места в более теплое) с затратами энергии на такой перенос меньшими, чем получаемая (перенесенная) тепловая энергия ?
- Сколько киловатт электричества надо потратить чтобы перенести киловатт тепловой энергии из холодной среды в теплую?
- Откуда в теплонасосе берется холодный участок (теплообменник) - самый холодный элемент всей системы?
- Вопросы относящиеся к сравнению с вечным двигателем
- Слишком похоже на вечный двигатель, откуда берется дополнительная "полезная энергия", если мы гоняем одно и тоже по кругу?
- Все равно это наверное "вечный двигатель второго типа", потому что это тепловая машина, от цикла Карно не уйти и вырабатывать во втором цикле энергии больше, чем нужно потреблять в первом цикле теоретически невозможно?
- Но все же, есть же Постулат Кельвина — " невозможно создать периодически действующую машину, совершающую механическую работу только за счёт охлаждения теплового резервуара." значит предлагаемое противоречит самому Кельвину?
- Сравнение с детандером / турбодетандером
- Детандер и, в частности, турбодетандер придуман уже давно. Предлагаемое решение и есть детандер, а его эффективность не может быть равной или большей затрат на компрессор. Разве не так?
- Почему бы не оставить тепловую энергию в первом контуре, разве это не будет то же самое, только без потерь на передачу во второй контур?
Вводное пояснение.
Первая реакция непринятия у многих обусловлена ассоциацией с вечным двигателем (второго рода) или незнанием принципа работы теплового насоса.
Ниже будет разъяснено, почему устройство не имеет отношения к "Вечному двигателю".
В целом, устройство достаточно простое и состоит из совмещенных, особым образом, двух известных контуров. Заполненных двумя разными фреонами (ДВА "рабочих тела"). Один из которых представляет собой Тепловой насос, а второй Конденсационную паровую турбину. Оба этих контура по отдельности являются признанными решениями, нашедшими воплощение в промышленных продуктах. Полнее с информацией об известных примерах использования и теоретических основах можно ознакомится в разделе Известные данные.
Вот, для наглядности эти контуры по отдельности.
и второй
и снова вместе
Вопросы относящиеся к пониманию работы Теплового насоса.
Детально ознакомится с принципом работы теплового насоса можно здесь...
Возможно ли забирать тепло из низкотемпературного источника (воды например + 10 0С) и направлять в более теплую среду (например разогрев теплообменника до 55 0С) это же противоречит основным законам термодинамики?
Не противоречит так как происходит с приложением внешней работы/энергии. Да возможно - в каждом доме стоит холодильник, в котором происходит именно этот процесс. Тот же процесс происходит в кондиционерах. Основано это на свойствах жидкости и газа менять температуру в зависимости от давления и свойствами фазового перехода (выделение и поглощении энергии при конденсации и испарении).
Возможно ли это делать (перенос тепла из более холодного места в более теплое) с затратами энергии на такой перенос меньшими, чем получаемая (перенесенная) тепловая энергия ?
Да, потому что мы не создаем энергию, а лишь перемещаем её. Интуитивно можно сравнить с перемещением груза на колесах - толкать тележку легче, чем поднять и перенести груз. В современных системах кондиционирования затраты энергии на привод системы существенно меньше чем количество переносимой энергии.
Сколько киловатт электричества надо потратить чтобы перенести киловатт тепловой энергии из холодной среды в теплую?
На вопрос поставленный таким образом ответить невозможно, так как в разных исходных обстоятельствах ответ будет разным. Ситуация зависит как от КПД системы, обусловленного инженерными решениями, характеристиками хладагента (вида фреона) и количественными показателями, так и от исходной и конечной температуры (температуры среды, откуда переносится тепло и температуры которой надо добиться в горячем теплообменнике).
Но в упрощенном виде, в качестве общеизвестной базовой информации по теме реального использования тепловых насосов, 1 кВт/час электроэнергии вложенный в привод компрессора дает от 2,5 до 7 кВт/час тепловой энергии.
Откуда в теплонасосе берется холодный участок (теплообменник) - самый холодный элемент всей системы?
Испаритель теплонасоса это база всей системы. Именно свойство жидкости кипеть и превращаться в газ, а так же конденсироваться и превращаться жидкость, в зависимости от давления при разной температуре, в сочетании с таким понятием как "энергия фазового перехода" лежит в основе действия холодильника и теплонасоса. Фреон, который кипит, например, при температуре - 15 0С и давлении 3 атмосферы, очевидно закипит и будет активно испарятся оказавшись в условиях давления в 3 атмосферы и температуры -1 0С. Когда жидкость превращается в газ (фазовый переход) происходит поглощение энергии. Процесс этот занимает какое то время. В течение этого времени "рабочее тело принимает энергию нагреваясь и постепенно "выкипая". Жидкость и газа при этом будут иметь температуру ниже температуры среды и постепенно разогреваться. Те кто сталкивался со сжиженным газом наблюдали эффект "заморозки", например при заправке зажигалок. В зажигалке "газ" в жидком состоянии + в газообразном. Система внутри в равновесии давления и температуры испарения. Если начать газ выпускать, то давление внутри уменьшится и начнется испарение - переход жидкого газа в газообразное. Если газ выпуская не поджечь, можно почувствовать как охлаждается зажигалка.
О фазовом переходе можно посмотреть например тут
Благодаря тому, что процесс кипения фреона происходит при низкой температуре, он забирает энергию у казалось бы холодных объектов. На самом деле 0 0С это довольно горячий объект. В Кельвинах, от абсолютного нуля, то это 274,15 градуса. Если абстрагироваться от привычных нам температур, то физически происходит то же самое, что при разогреве парового котла - к котлу подводится внешняя энергия, котел с водой разогревается и вода кипит, при этом огонь, например, имеет температуру 400 0С, вода в котле постоянно имеет температуру 100 градусов, а пар 100,1 0С. При атмосферном давлении мы не можем разогреть воду до температуры более 100 0С, с этим, кстати, связана возможность кипятить воду в бумажном стакане. При его теплопроводности он, как и вода, не успевает нагреться выше 100 0С поэтому не горит (то же самое мешает загореться сырым дровам). 
Фреон, в силу того что кипит при температуре -15 0С, "воспринимает" среду в + 5 0С как "котел", который отдает энергию на совершение фазового перехода. В результате чего среда теряет часть тепловой энергии и охлаждается. Так же как мы не можем нагреть воду при атмосферном давлении выше 100 0С, так же и фреон не может нагреться в жидком состоянии при 3 атмосферах выше -15 0С. В конденсаторной части фреон находится под высоким давлением (например 30 атмосфер) и в связи с этим не кипит. Попадая в испаритель, где давление существенно меньше (например 3 атмосферы) фреон начинает бурно кипеть и охлаждаться. Представьте себе, что вы выпустили из котла под давлением воду, разогретую до 120 0С, в емкость разогретую до 100 0С, с атмосферным давлением. Вода резко усилит кипение, что поглотит избыток энергии, часть воды перейдет в пар, а оставшаяся продолжит кипеть при температуре 100 0С. То же самое происходит с фреоном в испарительной части, только оставшаяся часть кипит при температуре -15 0С.
Вопросы относящиеся к сравнению с вечным двигателем (второго рода)
Слишком похоже на вечный двигатель, откуда берется дополнительная "полезная энергия", если мы гоняем одно и тоже по кругу?
На самом деле похоже не более, чем солнечные батареи или ветряки. Энергия забирается из внешней, по отношению к устройству, среды. Энергия отдается во внешнюю, по отношению к устройству, среду. Как уже говорилось, в физическом смысле имеется полная аналогия с подводом энергии к котлу (топливо, электричество). И отводу тепла от отработанного пара. Только, за счет свойств нагреваемого тела, в качестве нагревателя котла используется тепло акватории плавания. Функционирование устройства будет понижать температуру акватории - забирать из неё энергию. И в случае, например, размещения устройства в бассейне, оно остановится в заморозив бассейн. Но в случае со средой, чья теплоемкость на порядки превосходит потребности устройства, оно будет работать забирая энергию из среды. Возобновление энергии в среде происходит в результате её нагрева, например солнцем. В конечном итоге, устройство поглощает тепловую энергию переданную солнцем акватории.
Таким образом, устройство не является замкнутой системой производящей полезную работу без притока внешней энергии. (про вечный двигатель второго рода одна из ключевых фраз "Однако доказано, что работа таких систем как замкнутых (без обмена энергией с внешней средой) невозможна." Далее например здесь...
Все равно это наверное "вечный двигатель второго типа", потому что это тепловая машина, от цикла Карно не уйти и вырабатывать во втором цикле энергии больше, чем нужно потреблять в первом цикле теоретически невозможно?
Прежде всего любой, принципиально невозможный, вечный двигатель это замкнутая система совершающая полезную работу. Если есть приток внешней энергии то это не "вечный двигатель". Смотрите предыдущий ответ.
Что касается теоретически возможных пределов то именно исходя из них можно получить те условия, в которых система будет работать, а именно:
1.КПД тепловой машины Карно (идеальный, максимально возможный КПД) определяется по формуле =1-Т1/Т2 или, что тоже самое =(Т2 - Т1) / Т2 где Т2 это температура "нагревателя", а Т1 это температура "холодильника". При температурах Т1=-15 0С=258,15 0Кельвина и Т2=+55 0С = 328,15 0Кельвина (Кельвина используют для того, что бы не было отрицательных значений) мы получаем значение 0,2141552511. Таким образом, если второй контур представляет собой тепловую машину Карно с нагревателем температурой 55 и охладителем -15 то её максимально возможный КПД будет 0,2141552511.
Что означает, в частности, если мы хотим получить от такой машины работы на 7 кВт то вложить мы должны 32,6865671642 кВт
2.При условии что генерируемая мощность электричества будет составлять 85% от энергии на привод генератора, мы получаем 38,454784899 кВт требуемых для выработки 7 кВт электроэнергии
3.Для того, что бы мощность теплового насоса имеющего компрессор мощностью 7 кВт составила 38,45 кВт, отношение затрат энергии на компрессор и получаемой тепловой энергии должно быть 5,49. Данный коэффициент лежит в пределах, описываемого в различных практических источниках, диапазона коэффициентов, который достигает в действующих моделях 7. О коэффициенте преобразования СОР подробнее здесь
С теоретической точки зрения, Теплонасос представляет собой реализацию обратного цикла Карно и предельная величина трансформации энергии в нем определяется как = Т2 / (Т2 - Т1) где Т2 это температура нагрева создаваемого теплонасосом (после компрессора), а Т1 это температура источника тепла - в данном случае акватории.
При температурах Т1=20 0С=293,15 0Кельвина (температура акватории) и Т2=+55 0С = 328,15 0Кельвина мы получаем значение 9,3757142857 которое является теоретически возможным максимальным СОР.
При температуре воды 0 0С теоретический предел по циклу Карно 5,9663636364
4.Таким образом, при температуре воды акватории выше нуля 0С теоретически и практически возможно получение при помощи теплонасоса оборудованного компрессором мощностью 7 кВт, тепловой энергии в размере превышающем 38,5 кВт, а такой объем тепловой энергии позволяет при помощи тепловой машины получить 7 кВт электроэнергии необходимой для работы теплонасоса.
Но все же, есть же Постулат Кельвина — " невозможно создать периодически действующую машину, совершающую механическую работу только за счёт охлаждения теплового резервуара." значит предлагаемое противоречит самому Кельвину?
Нет, не противоречит. Дело в понимании "границ определения".
Формулировка Кельвина есть частный случай формулировки второго начала термодинамики. О том же самом «Невозможен переход теплоты от тела с более низкой температурой без компенсации». Иными словами, второе начало термодинамики представляет собой объединённый принцип существования и возрастания энтропии.
И Тепловой насос ничуть не противоречит второму началу термодинамики и лично Кельвину. В тепловом насосе используется а)внешняя сила (энергия), б)фазорвый переход в)Это не замкнутая система (вкляючая "резервуар") - из этой системы постоянно отводится тепло потребителям и постоянно поступает тепло в "резервуар".
Последний пункт принципиально исключает тепловой насос из рамок определения под которые подпадают системы определяемые вторым началом термодинамики. Тепловой насос это по сути транслятор тепловой энергии, тепловой мост особого рода. Функционирующий при наличии внешнего питания.
Еще раз можно обратить внимание на то, что сам по себе факт существования теплового насоса не противоречит законам термодинамики. Так же как и коэффициент преобразования, о котором говорилось в предыдущем пункте.
Кельвин и второе начало термодинамики говорят о системе имеющий границы в которых в любом случае происходит движение в сторону термодинамического равновесия. И после его достижения движение более невозможно. Для продолжения движения термодинамическое равновесие должно быть нарушено.
Можно представить, что паровая машина помещенная в резервуар с перегретым паром в качестве источника тепла не сможет повторить цикл, так как придет в термодинамическое равновесие - рабочее тело не будет иметь возможности остыть, конденсировать пар - передать тепловую энергию более горячей среде невозможно.
Если же в том же мысленном эксперименте мы нарушим границы системы и обеспечим теплоотвод ("по трубочке") от паровой машины во внешнюю среду, то она будет работать пока не остудит резервуар. Если же мы начнем достаточно нагревать резервуар то мы получим работающую паровую машину "в среде". Это не нарушение закона термодинамики, а нарушение граничных условий его применения.
В предлагаемом устройстве совмещены прямой и обратный цикл Карно в двух разных контурах. При рассмотрении устройства в целом, как одной тепловой машины необходимо правильно определить соответствия циклов, сред и их границ. А так же рассмотреть Цикл СТирлинга применительно к устройству.
Вопросы относящиеся к общему пониманию работы системы
Такие штуки работают на разнице температур, что будет если температура воды, воздуха всего, будет одинаковой +20, ничего не будет работать?
Чем теплее акватория тем лучше будет работать. В работе тепловой машины (второго контура) не используется разница температур акватории и воздуха. В её работе используется тепло акватории и устройство повышающее его "концентрацию" (повышающее температуру за счет сжатия) в пределах ограниченных физическими свойствами фреона. То есть температура "нагревателя" тепловой машины не может быть поднята выше +70 0С. Разница температур формируется внутри системы и создается между "нагревателем" - содержащий сжатый фреон первого контура и "охладителем" - содержащим декомпрессированный фреон первого контура. Первый контур передает тепло второму и теоретически его же получает. Практически, получает его за минусом тепло потерь. Кроме того, первый контур отдает тепло системе отопления. Совокупные потери тепла (полезные - на отопление и бесполезные) составят то, что можно назвать в общем цикле системы "увеличением энтропии" порядка 15-25% от энергии системы. При нагреве теплообменника с акваторией происходит "уменьшение энтропии" системы. Возникающий "ток энергии" дает возможность использовать его для совершения работы, а именно выработки электричества.
Если перестать подводить тепло к системе (в виде тепла акватории не менее +1 0С) то фазовый переход прекратится, испаритель остынет и система остановится.
Если "обнулить" все теплопотери и нагреть океан и воздух до температуры что то вроде более +45, то система то же остановится.
Как это соотносится с "Циклом Карно" и как обеспечивается разница температур
Цикл Карно используется в тепловых машинах и обратный цикл Карно используется в холодильных установках и устройствах переноса тепла - тепловых насосах. Здесь важно отметить, что мы имеем два цикла. Все устройство в целом невозможно описать одним циклом Карно. В устройстве есть два рабочих цикла Основной и зависимый + цикл отвода тепла на отопление. Основной цикл это перенос тепла теплонасосом. Зависимый цикл это тепловая машина преобразующая в полезную работу разницу давления образовавшуюся в результате использования разницы температур создаваемой в основном контуре.
Разницу температур мы формируем в первом цикле. Используем её во втором цикле. Третий цикл - отопление. выводит из устройства тепло.
Сравнение с детандером.
Детандер и, в частности, турбодетандер придуман уже давно. Предлагаемое решение и есть детандер, а его эффективность не может быть равной или большей затрат на компрессор. Разве не так?
"Детандер (от франц. détendre — ослаблять)
машина для охлаждения газа путём его расширения с отдачей внешней работы. Д. относится к классу расширительных машин (см. Пневмодвигатель), но применяется главным образом не с целью совершения внешней работы, а для получения холода. Расширение газа в Д. — наиболее эффективный способ его охлаждения. Д. используется в установках для сжижения газов и разделения газовых смесей методом глубокого охлаждения ..." - Большая Советская энциклопедия.
Под определение "Детандер", в самом общем виде, подпадает любое устройство преобразующее энергию сжатого газа в механическую работу. Паровая турбина так же может рассматриваться как детандер. В этом смысле, предлагаемое устройство содержит детандер в отдельном контуре. Но обычно, детандером называется именно элемент в системе холодильного оборудования. Турбодетандер Капицы решал прежде всего задачу охлаждения газа и его задачей было получение жидкого кислорода. В установках по сжижению кислорода тепло отводится, сжатый предварительно газ охлаждается и в таком виде направляется в детандер. То есть тепло сжатого воздуха рассматривается как "лишнее" и сбрасывается.
В контуре теплового насоса детандер может выполнять роль рекуператора энергии, будучи встроенным в систему дросселирования. При этом очевидно, что получаемая с его помощью энергия будет по определению меньше энергии затрачиваемой на сжатие - на привод компрессора. Тепловая энергия рабочего тела будет сохранятся, а температура, в зависимости от степени расширения, падать. Кроме того, эффективная работа детандера возможна в контуре теплового насоса при определенных количественных показателях, которые требуют отдельного расчёта, но можно предположить, что наличие детандера будет эффективным в достаточно крупном по размеру плавучем объекте.
Однако, необходимо учитывать, что тепловой насос выполняет функции переноса тепловой энергии забираемой из внешнего источника - водной среды. Второй, обособленный контур, в котором в системе установлен "детандер"/турбина не использует энергию сжатия газа в первом контуре. Он использует привнесенную извне тепловую энергию. Соответственно, эффективность работы второго контура зависит* не от степени сжатия в первом, а от количества тепловой энергии перенесенной из внешней среды (*между сжатием и теплотой конечно есть связь, но привнесенный нагрев все равно остается отдельной величиной).
Именно здесь есть коренное отличие предлагаемой системы. Если в холодильной установке или тепловом насосе мы имеем дело с необходимостью затрачивать энергию Х на сжатие газа, то энергия, которую мы можем получить при расширении газа всегда будет меньше (Х-N). Функционирование холодильной или теплонасосной установки подчинено закону сохранения энергии, циклу Карно и прочим законам физики не позволяющим извлечь дополнительную работу из замкнутой системы. Но предлагаемая система работает с внешней энергией. С тепловой энергией, перенесенной тепловым насосом из внешней среды. И нет ни одного закона физики, который запрещал бы тепловому насосу переносить больше тепловой энергии, чем затрачивается на привод компрессора теплового насоса. Наоборот. Именно то, что тепловой насос переносит большее количество тепловой энергии делает его устройством, которое нашло свое промышленное применение. То что известно как СОР или коэффициент эффективности превышает и не то что единицу, он считается общеизвестным и доказанным в пределах от 2,5 до 7.
То есть, "общеизвестно", что затраты энергии на сжатие газа в теплонасосе меньше получаемой (переносимой) тепловой энергии. Если энергия на привод компрессора теплового насоса Х то тепловая энергия отдаваемая теплонасосом >Х*2,5. Следовательно, если мы забираем из контура теплового насоса тепловую энергию в 2,5 раза большую чем энергия затраченная на привод компрессора, то для создания предлагаемого устройства перед нами стоит задача преобразования тепловой энергии в энергию привода компрессора с потерями менее 60% энергии (КПД 40%). Теоретически эта задача является выполнимой и не противоречит законам физики. То есть является инженерной задачей. С учетом реальности и доказанности СОР = 5 при теплообмене с текучей водной средой КПД турбины должен быть чуть более 20%.
Тепловая энергия из первого контура направляется на разогрев "котла" второго контура. Второй контур является тепловой машиной потребляющей тепловую энергию на кипение жидкости и увеличение давления газа. Энергия разогретого газа используется для привода турбины. Известно, что для эффективности работы турбины важно прежде всего отношение входящего и исходящего давления, а не их разница. То есть турбина будет эффективнее при входящем давлении в 6 бАР и исходящем давлении 1 Бар, чем при входящем давлении 30 Бар и исходящем давлении 10 Бар. Следовательно, обеспечивая отношение давления в "котле" к давлению в "конденсаторе" примерно 6/1 можно получить эффективно работающую турбину.
Почему бы не оставить тепловую энергию в первом контуре, разве это не будет то же самое, только без потерь на передачу во второй контур?
Если мы оставим тепловую энергию в первом контуре (теплового насоса) то она слабо повлияет на эффективность работы детандера который может быть установлен в этом контуре. Так как сохранение температуры не приведет к существенному увеличению давления на входе в детандер и не позволит резко увеличить отношение входящего и исходящего давления на детандере. Иными словами, предлагаемое решение позволяет, при помощи второго контура, использовать тепловую энергию которая в обычном случае просто рассеивается (на отопление или тепло потери).