Термогравитационный цикл

Термогравитационный цикл — это обратимый термодинамический цикл, котором гравитационные работы веса в и плавучести соответственно сжимают и расширяют рабочую жидкость .

Теоретическая основа

Рассмотрим колонну, заполненную транспортирующей средой, и баллон, заполненный рабочей жидкостью . За счет гидростатического давления транспортирующей среды давление внутри колонны увеличивается вдоль оси z (см. рисунок). Первоначально баллон надувается рабочей жидкостью при температуре Т _С и давлении Р ₀ и располагается сверху колонны. Термогравитационный цикл разлагается на четыре идеальных этапа: ^[1]

1→2: Спуск воздушного шара к нижней части колонны. Рабочее тело испытывает адиабатическое сжатие с повышением его температуры и достижением давления значения P _h внизу ( P _h > P ₀ ).
2→3: Пока баллон лежит внизу, рабочее тело получает тепло от горячего источника при температуре T _H и подвергается изобарному расширению при давлении P _h .
3→4: Воздушный шар поднимается к вершине колонны. Рабочая жидкость испытывает адиабатическое расширение при понижении температуры и достигает давления Р ₀ после расширения, когда баллон находится сверху.
4→1: Попав наверх, рабочая жидкость передает тепло источнику холода при температуре T _C , подвергаясь изобарному сжатию при давлении P ₀ .

Для возникновения термогравитационного цикла баллон должен быть плотнее транспортирующей среды на этапе 1→2 и менее плотным на этапе 3→4. Если рабочее тело естественным образом не удовлетворяет этим условиям, к баллону можно прикрепить груз для увеличения его эффективной массы.

Приложения и примеры

Экспериментальное устройство, работающее по принципу термогравитационного цикла, было разработано в лаборатории Университета Бордо и запатентовано во Франции. ^[2] Такой термогравитационный электрогенератор основан на циклах надувания и сдувания эластичного мешка из нитрилового эластомера, вырезанного из пальца перчатки. ^[1] Мешок заполнен летучей рабочей жидкостью , имеющей низкое химическое сродство к эластомеру, такой как перфторгексан (C ₆ F ₁₄ ). Он прикреплен к сильному сферическому магниту NdFeB , который действует как груз и преобразует механическую энергию в напряжение. Стеклянный цилиндр заполнен водой, выполняющей роль транспортирующей жидкости. Он нагревается внизу с помощью горячей циркулирующей водяной рубашки и охлаждается вверху с помощью бани с холодной водой. Из-за низкой температуры кипения (56 °C) капля перфторгексана , содержащаяся в пакете, испаряется и надувает баллон. Как только его плотность становится меньше плотности воды, воздушный шар поднимается по закону Архимеда . Охлажденный наверху колонны, воздушный шар частично сдувается, пока не становится плотнее воды и не начинает падать. Как видно из видеороликов, циклическое движение имеет период в несколько секунд. Эти колебания могут длиться несколько часов и их продолжительность ограничивается лишь утечками рабочей жидкости через резиновую мембрану. Каждый раз, когда магнит проходит через катушку, происходит изменение магнитный поток . Электродвижущая сила создается и обнаруживается с помощью осциллографа. Было подсчитано, что средняя мощность этой машины составляет 7 мкВт, а ее КПД — 4,8 х 10. ⁻⁶. ^[1] Хотя эти значения очень малы, этот эксперимент подтверждает принцип устройства возобновляемой энергии для сбора электроэнергии из слабого источника отработанного тепла без необходимости другого внешнего источника энергии, например, для компрессора в обычном тепловом двигателе . Эксперимент был успешно воспроизведен студентами подготовительных классов лицея Хош в Версале.

В литературе можно найти несколько других приложений, основанных на термогравитационных циклах. Например:

В солнечных шарах поглощается солнечное тепло, в результате чего воздушный шар, наполненный воздухом, поднимается и преобразует свое движение в электрический сигнал. ^[3]
В органическом цикле Ренкина с гравитационным приводом вместо насоса для создания давления в рабочей жидкости используется сила тяжести. В литературе разные авторы изучали характеристики рабочей жидкости, наиболее подходящие для оптимизации их эффективности в устройствах ORC с гравитационным приводом. ^[4]^[5]
В версии генератора магнитной жидкости хладагент испаряется в нижней части колонны внешним источником тепла, и его пузырьки движутся по намагниченной феррожидкости , тем самым создавая электрическое напряжение через линейный генератор . ^[6]
В концептуальном гибриде нескольких патентов солнечная или геотермальная энергия используется посредством модифицированного органического цикла Ренкина с высокими столбами воды под землей. ^[7]

Эффективность цикла

КПД η термогравитационного цикла зависит от термодинамических процессов, через которые проходит рабочее тело на каждом этапе цикла. Ниже несколько примеров:

Если теплообмен внизу и вверху колонны с горячим источником и холодным источником соответственно происходит при постоянном давлении и температуре, эффективность будет равна эффективности цикла Карно : ^[1]

\eta =1-{T_{C} \over T_{H}}

Если рабочее тело остается на стадии жидкости во время стадии сжатия 1 → 2, КПД будет равен КПД цикла Ренкина . ^[1] Отмечая h ₁ , h ₂ , h ₃ и h ₄ удельные энтальпии рабочего тела на 1, 2, 3 и 4 ступенях соответственно:

\eta ={(h_{3}-h_{4})-(h_{2}-h_{1}) \over h_{3}-h_{2}}

Если рабочее тело остается газом на всех этапах термогравитационного цикла, то эффективность будет равна эффективности цикла Брайтона . ^[1] Отмечая γ коэффициент теплоемкости :

\eta =1-\left({\frac {P_{0}}{P_{h}}}\right)^{\gamma  \over \gamma -1}

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Ауан, Камель; Сандре, Оливье; Форд, Ян Дж.; Элсон, Тим П.; Найтингейл, Крис (2018). «Термогравитационные циклы: теоретическая основа и пример электрического термогравитационного генератора, основанного на надувании/сдувании воздушного шара» . Изобретения . 3 (4): 79. arXiv : 1511.00640 . дои : 10.3390/inventions3040079 .
^ Ауан, Камель; Сандре, Оливье (30 апреля 2014 г.). «Термогравитационное устройство для получения электроэнергии» . FR3020729 A1 согласно патентам Google .
^ Грена, Роберто (01 апреля 2010 г.). «Энергия от солнечных шаров» . Солнечная энергия . Международная конференция CISBAT 2007. 84 (4): 650–665. Бибкод : 2010SoEn...84..650G . doi : 10.1016/j.solener.2010.01.015 . ISSN 0038-092X .
^ Ши, Вэйсю; Пан, Лишэн (22 февраля 2019 г.). «Исследование по оптимизации жидкостей для гравитационного органического энергетического цикла» . Энергии . 12 (4): 732. дои : 10.3390/en12040732 .
^ Ли, Цзин; Пей, Банда; Ли, Юнжу; Цзи, Цзе (01 августа 2013 г.). «Анализ нового органического цикла Ренкина с гравитационным приводом для маломасштабных когенерационных установок» . Прикладная энергетика . 108 : 34–44. дои : 10.1016/j.apenergy.2013.03.014 . ISSN 0306-2619 .
^ Фламент, Сирилл; Уйо, Лиза; Бакри, Жан-Клод; Бровайс, Жюльен (10 февраля 2000 г.). «Генератор напряжения с использованием магнитной жидкости» . Европейский журнал физики . 21 (2): 145–149. Бибкод : 2000EJPh...21..145F . дои : 10.1088/0143-0807/21/2/303 . ISSN 0143-0807 . S2CID 250891917 .
^ Шенмейкер, Дж.; Рей, JFQ; Пирота, КР (01 марта 2011 г.). «Органический цикл Ренкина плавучести» . Возобновляемая энергия . 36 (3): 999–1002. doi : 10.1016/j.renene.2010.09.014 . ISSN 0960-1481 .

[:0-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Ауан, Камель; Сандре, Оливье; Форд, Ян Дж.; Элсон, Тим П.; Найтингейл, Крис (2018). «Термогравитационные циклы: теоретическая основа и пример электрического термогравитационного генератора, основанного на надувании/сдувании воздушного шара» . Изобретения . 3 (4): 79. arXiv : 1511.00640 . дои : 10.3390/inventions3040079 .

[2] Ауан, Камель; Сандре, Оливье (30 апреля 2014 г.). «Термогравитационное устройство для получения электроэнергии» . FR3020729 A1 согласно патентам Google .

[3] Грена, Роберто (01 апреля 2010 г.). «Энергия от солнечных шаров» . Солнечная энергия . Международная конференция CISBAT 2007. 84 (4): 650–665. Бибкод : 2010SoEn...84..650G . doi : 10.1016/j.solener.2010.01.015 . ISSN 0038-092X .

[4] Ши, Вэйсю; Пан, Лишэн (22 февраля 2019 г.). «Исследование по оптимизации жидкостей для гравитационного органического энергетического цикла» . Энергии . 12 (4): 732. дои : 10.3390/en12040732 .

[5] Ли, Цзин; Пей, Банда; Ли, Юнжу; Цзи, Цзе (01 августа 2013 г.). «Анализ нового органического цикла Ренкина с гравитационным приводом для маломасштабных когенерационных установок» . Прикладная энергетика . 108 : 34–44. дои : 10.1016/j.apenergy.2013.03.014 . ISSN 0306-2619 .

[6] Фламент, Сирилл; Уйо, Лиза; Бакри, Жан-Клод; Бровайс, Жюльен (10 февраля 2000 г.). «Генератор напряжения с использованием магнитной жидкости» . Европейский журнал физики . 21 (2): 145–149. Бибкод : 2000EJPh...21..145F . дои : 10.1088/0143-0807/21/2/303 . ISSN 0143-0807 . S2CID 250891917 .

[7] Шенмейкер, Дж.; Рей, JFQ; Пирота, КР (01 марта 2011 г.). «Органический цикл Ренкина плавучести» . Возобновляемая энергия . 36 (3): 999–1002. doi : 10.1016/j.renene.2010.09.014 . ISSN 0960-1481 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]