EA028558B1

EA028558B1 - Способ получения полезной энергии из тепловой энергии

Info

Publication number: EA028558B1
Application number: EA201590206A
Authority: EA
Inventors: Йоав Коэн
Original assignee: Йоав Коэн
Priority date: 2012-07-30
Filing date: 2013-07-23
Publication date: 2017-11-30
Also published as: SMT201700093T1; EA201590206A1; WO2014020486A3; HRP20170308T1; ME02620B; PH12015500043A1; HUE031993T2; EP2888455B1; CA2876996C; SI2888455T1; IN2014DN10492A; EP2888455A2; CO7160009A2; AU2013298241B2; PL2888455T3; LT2888455T; PE20150561A1; AU2013298241A1; MX351102B; CL2015000021A1

Abstract

Изобретение относится к способу получения полезной энергии из тепловой энергии. В целом, всю совокупность подвижных частиц, ограниченных в однонаправленном потоке в замкнутом контуре проводящих каналов (1-2-3-3'-4-1), подвергают воздействию консервативного или эффективно консервативного силового поля. Контур теплоизолирован, за исключением двух не совмещенных областей: первой области (2-3), обеспечивая теплообмен для нагрева (Q) от среды с более высокой температурой снаружи контура, и второй области (4-1), обеспечивая теплообмен (Q) для охлаждения по мере необходимости посредством более холодной среды за пределами контура. Замкнутый контур имеет нагрузку (3'-4), предназначенную для преобразования энергии, которую он получает от потока подвижных частиц, в полезную отводимую энергию. В двух частях однонаправленного контура, расположенных до (3-3) и после (1-2) указанной нагрузки, вектор скорости потока параллелен или имеет составляющую, которая параллельна одной части консервативного или эффективно консервативного силового поля с теплым потоком подвижных частиц и другой части с холодным потоком подвижных частиц. При этом, если плотность выбранных подвижных частиц уменьшается с увеличением температуры, направление консервативного силового поля является таким же, что и направление вектора скорости холодного потока, или же, что и направление компонента вектора скорости холодного потока в указанной части контура, и обратное, если плотность выбранных подвижных частиц увеличивается с увеличением температуры.

Description

Настоящее изобретение относится к способу получения полезной энергии из тепловой энергии.

В международной патентной заявке № 2010/115654 на имя автора настоящего изобретения раскрыт способ и установка, основанные на принципах действия, относящихся к настоящему изобретению, но ограниченных способом, который применим лишь в поле центробежной силы, действующей на текучую среду, которая должна находиться в состоянии идеального газа или жидкости.

В патентном документе Германии № 10234568 и в международной патентной заявке № 2010/097260 раскрыты способы, которые основаны на принципах действия, которые связаны с настоящим изобретением, но они ограничены способами, которые применимы только в поле силы тяжести, действующей на текучую среду, которая должна находиться в состоянии идеального газа или жидкости.

В патенте США № 7486000 раскрыт способ, использующий широко известный источник тепла, радиатор и нагрузку. Электрическое поле создает движение рабочего тела, например поворотного стола или ленты. Эта механическая энергия затем отводится для совершения полезной работы. Это движение создается путем манипулирования с диэлектрической проницаемостью рабочего тела через цикл нагрева/охлаждения. При такой модуляции диэлектрической проницаемости добавляемое/удаляемое тепло используется для изменения присущих диэлектрических характеристик каждого элемента в рабочем теле и, таким образом, создает два типа материи: одну, которая сильно взаимодействует с электрическим полем, и другую, которая отталкивается электрическим полем или нейтральна по отношению к электрическому полю. Этот процесс определяется изобретателем именно как термодиэлектрофоретический эффект, используемый в формуле изобретения (с.2, строка 30).

В отличие от процитированного выше в предложенном в настоящем документе способе тепло не изменяет тип каждой частицы, причем взаимодействие каждой частицы с консервативным силовым полем (таким как электрическое поле) остается одинаковым в течение всего горячего/холодного цикла. Процесс нагрева/охлаждения модулирует среднее расстояние между частицами или плотность и, следовательно, действует, влияя на их общее распределение в стационарном процессе, а не на вещество в процессе.

Кроме того, в способе, описанном в патенте США № 7486000, каждый элемент движется в одном направлении, как один тип вещества, потенциальную энергию которого большая сила (Г) и расстояние (8) на обратном пути преобразуют в электрическом поле в другую механическую форму, испытывает слабое противодействие или вообще не испытывает противодействия (поскольку фактический тип вещества изменился) на том же самом расстоянии. Этот цикл, следовательно, не является консервативным, и электрическое поле в каждом цикле имеет результирующий вклад энергии вопреки предложенному здесь способу.

В способе в соответствии с настоящим изобретением каждая частица во всем полном стационарном цикле испытывает воздействие такой же силы вниз, что и вверх, на том же самом расстоянии, причем силовое поле дает поэтому нулевой результирующий вклад энергии в каждом полном цикле частицы, делая цикл консервативным. Поток через нагрузку под действием консервативного силового поля гомогенизирует распределение частиц по всем закрытым контурам потока, и тепло восстанавливает неравномерное распределение, поддерживая его устойчивым в стационарном режиме.

В европейском патентном документе ЕР 0369670 А2 раскрыт способ, также использующий общеизвестный источник тепла, радиатор и нагрузку. Он преобразует разницу температуры для получения полезной отводимой электрической энергии (и наоборот) за счет использования эффектов, возникающих в месте соединения двух металлов или двух типов каналов, возникающих при рассмотрении эффектов Зеебека/Пельтье, и как заявляется в формуле изобретения. Способ, предлагаемый в настоящем изобретении, не имеет отношения ни к каким местам соединения, ни к вариациям типов каналов. Кроме того, этот способ использует переменное электрическое поле, но для другой цели и в другой конфигурации, чем в предложенном в этом документе способе. Способ, описанный в европейском патенте № 0369670, использует электрическое поле для приложения тока быстрого режима стоп-пуск, обеспечивая повышение эффективности за счет решения проблемы возникновения холодного пятна, делая пути прохождения тока произвольными.

Цель настоящего изобретения заключается в усовершенствовании вышеописанных способов благодаря расширению способов на дополнительные типы силовых полей, материалов и материальных состояний, физических форм и условий их использования.

Способ, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, определен в п.1 формулы изобретения.

Что способ делает и как он работает: он получает тепло и при необходимости охлаждение и генерирует полезную энергию. Он работает, подвергая общую совокупность подвижных частиц (здесь также называемых текучей средой), формирующих замкнутый контур, воздействию поля консервативных сил и избирательному нагреву/охлаждению. Такое сочетание параметров приводит к тому, что общая совокупность частиц в контуре имеет, в целом, спонтанную тенденцию к ускорению вдоль замкнутого контура. Энергия для этого потока текучей среды и последующий выход энергии в стационарном состоянии происходит от подводимого тепла, а не от источника, генерирующего силовое поле.

Эта тенденция вращательного ускорения вдоль контуров текучей среды вызвана тем, что в стацио- 1 028558 нарном состоянии способа постоянно присутствуют две подгруппы совокупности текучей среды: одна более плотная, чем другая. Консервативная сила прикладывает кумулятивную силу большей величины к более плотной совокупности текучей среды по сравнению с кумулятивной силой, приложенной к менее плотной среде. Это приводит к приложению ко всей текучей среде эквивалентной результирующей силы по касательной к контуру, заставляя ее течь.

Эта разница плотности, которая имеется между теплыми/холодными объемами контура, вызвана тем, что подводимое тепло в сочетании с отводимой полезной энергией и при необходимости отводимым теплом накладывается на совокупность всех частиц, чтобы стабилизировать стационарное состояние, поскольку две различные отдельные подгруппы совокупности протекающей текучей среды с различными средними температурами и плотностями ведут себя в системе отсчета как неподвижные холодные области и неподвижные горячие области.

Тенденция к вращательному ускорению общей массы текучей среды вдоль контура создает разницу плотности энергии на концах нагрузки, которую нагрузка преобразует в полезную работу. У потока текучей среды в стационарном состоянии отсутствует результирующий энергетический обмен с силовым полем, так как распределение масс в силовом поле остается неизменным с течением времени и, следовательно, сбалансированным в равновесии только результирующим потоком тепла (вход минус выход) и полезной работой.

Наиболее важной особенностью способа является то, что подводимое тепло преобразуют непосредственно в увеличенную потенциальную энергию в дополнение к другим видам энергии, которые затем вместе с другими формами преобразуются в отводимую энергию. В стационарном состоянии системы, работающей при конкретных параметрах процесса, каждая из указанных выше подгрупп совокупности текучей среды имеет другую потенциальную энергию по отношению к одной и той же точке системы отсчета из-за своей высоты энергетического центра масс в консервативном силовом поле. Это приводит к тому, что вся текучая среда, присутствующая в системе, ведет себя так, как будто общая разница вращательной потенциальной энергии проявляется как вращательно асимметричная инерция, для которой в стационарном состоянии отсутствует соответствующее перемещение в распределении масс текучей среды. Текучая среда, в целом, имеет тенденцию самопроизвольного ускорения в круговом движении вдоль траектории потока, которое преобразуется в направленную силу и, следовательно, разницу давления и плотности энергии, действующих на нагрузку.

Подробное описание способа начинается здесь: как часть различных известных явлений, используемых в способе, таких как законы сохранения энергии и массы, имеются два явления, которые стоит упомянуть в качестве исходных положений: Первое: когда частицы находятся в консервативном силовом поле, которое прикладывает к ним силы, происходит ускорение частиц в направлении силовых линий в соответствии со вторым законом Ньютона. Это означает, что в заданной системе отсчета, в которой имеется отличное от нуля консервативное силовое поле, частицы проявляют асимметричное инерционное поведение, когда эти частицы подвергаются воздействию только силового поля, представленного его силовыми линиями, они самопроизвольно ускоряются в их сторону, получая энергию от поля, по мере того как их центр масс меняет положение. В таком поле каждая частица обладает потенциальной энергией, будь то положительная или отрицательная, относительно исходного положения. Перемещение этой частицы в направлении действия силы преобразует ее отрицательное изменение потенциальной энергии в работу или в другую форму энергии или в комбинацию форм энергии, и наоборот, движение частицы против силы уменьшает другую форму(ы) энергии, по мере того как она приобретает потенциальную энергию. В такой системе изменение потенциальной энергии частицы связано с изменением физического положения ее центра масс (независимого от траектории) относительно исходного положения. Второе: тепловая энергия, по существу, электромагнитная энергия, распространяется в пустом пространстве только в виде электромагнитных волн, пока она не взаимодействует с частицами. При передачи частицам она также проявляется в них и распространяется между ними в виде межчастичной кинетической и потенциальной энергии (внутренней энергии) и выполняя работу над окружающей их средой, занимающей объем. Внутренняя энергия представляет собой различные формы внутренней кинетической и потенциальной энергии, которые возможны для каждого типа частицы, окружающей ее среды, а также присущими ей степенями свободы. Для заряженных частиц, например, электрические и магнитные поля также играют роль в характере распространения и распределения частиц в состоянии равновесия. Это имеет следствием воздействие на среднее расстояние между частицами и поэтому на их количество в заданном фиксированном объеме или, другими словами, на их плотность. Корреляция температуры - плотность, однако, зависит от типа частиц и условий, которым они подвержены. В идеальном газе, например, это соотношение проявляется четко выраженным образом: повышение температуры приводит к снижению плотности газа при постоянном давлении и наоборот. В вырожденных газах, таких как свободные электроны в металле, это соотношение по-прежнему существует, но имеет гораздо менее выраженный характер и в зависимости от типа металла может даже быть инвертировано, причем чем более высокая температура, тем более высокая плотность. В жидкостях и твердых веществах это соотношение также существует, хотя и в значительно меньшей степени, чем в идеальном газе, и может даже быть инвертировано в зависимости от их конкретных параметров, таких как тип частиц и температура.

- 2 028558

Далее, с использованием различных представлений, основанных на прилагаемых чертежах, описан способ в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг. 1 схематически иллюстрирует первый вариант выполнения способа.

Фиг. 2 схематически иллюстрирует второй вариант выполнения способа.

Фиг. 3 представляет собой другую схематическую иллюстрацию первого варианта выполнения способа.

Фиг. 4 представляет собой еще одну схематическую иллюстрацию второго варианта выполнения способа.

Фиг. 5-8 схематически иллюстрируют представления способа, в котором консервативное силовое поле является соответственно электрическим, магнитным в соответствии с настоящим изобретением и гравитационным и центробежным в соответствии с предшествующим уровнем техники.

Опции процесса.

Процесс может быть представлен несколькими способами. Чтобы обеспечить достаточно широкий взгляд на процесс, он будет здесь проанализирован в двух возможных иллюстративных примерах конфигурации: один, в котором нагревание выполняют в канале 2-3 контура, охлаждение выполняют в канале 4-1 контура, а остальная часть процесса термически изолирована (фиг. 1). Другой, в котором нагревание выполняют в канале 33-33' контура, охлаждение выполняют в канале 31-32 контура, а остальная часть процесса термически изолирована (фиг. 3). Нагрузка представлена расположенной в канале 3'-4 или 33'34 контура. В практическом процессе конфигурации нагревания может варьироваться, и это также может быть основано на комбинации этих двух возможных вариантов.

Первый возможный вариант, как указано выше.

Процесс в своем обобщенном основном виде в соответствии с фиг. 1 состоит из подвижных частиц, заключенных в замкнутый контур 1, 2, 3, 3', 4, 1, распределенных внутри внешнего слоя или по внешнему слою (в случаях заряженных частиц) проводящих каналов. Система подвергается воздействию консервативного силового поля, как показано на чертеже. Силовые линии параллельны вертикальным колоннам с направлением от 1 к 2 и от 3' к 3. Контур для простоты объяснения полностью теплоизолирован, за исключением области теплообмена между станциями 2-3 для нагревания от более теплой окружающей среды снаружи, и еще одной областью 4-1 для охлаждения холодной окружающей средой снаружи, в случае необходимости. Контур содержит нагрузку, расположенную в 3'-4, преобразующую энергию, которую она получает от потока частиц, в полезную отводимую энергию. Консервативное силовое поле может представлять собой любой вид консервативного поля, которое прикладывает силу в показанном направлении ко всем/к части подвижных частиц, присутствующих в процессе. Это консервативное силовое поле может быть электрическим, магнитным или другим. Некоторые типы полей будут де-факто консервативными только в определенных условиях, как будет разъяснено далее. Подвижные частицы представляют собой частицы, которые могут свободно перемещаться в контуре применительно к каналам 1-2-3-3'-4-1 процесса и которые могут быть практически любого типа: электрически заряженные или нет, например электроны, ионы, электрически нейтральные атомы, молекулы и т.д., и могут находиться в любом состоянии, таком как идеальный или вырожденный газ, жидкость, твердое вещество, полутвердое вещество (такое как кольцо/лента), плазма, сверхпроводник. Нагрузка в 3'-4 может представлять собой любое устройство, адаптированное к ситуации в контуре, преобразующее энергию подвижных частиц в полезную отводимую энергию, как, например, винт или поршень, приводящий в действие генератор, электрическое сопротивление (отводимая теплота от системы), электродвигатель и т.д.

В цикле стационарного процесса, представленного в наиболее упрощенной форме и проанализированного далее, текучая среда течет от 1 к 2, подвергаясь воздействию силового поля в том же направлении, что и направление потока. Она теряет потенциальную энергию по мере того как она течет от 1 к 2 и приобретает в целом комбинированную энергию в других формах независимо от их подробных отдельных типов. При отсутствии обмена результирующей энергией с внешней средой через стенки канала при адиабатическом протекании общее количество потенциальной энергии плюс все другие формы заданной массы т(1) является постоянным в любом положении вдоль пути 1-2 потока. В 2-3 текучая среда течет перпендикулярно силовому полю и получает подводимое тепло. В 3-3' нагретая текучая среда течет против силового поля. Она получает потенциальную энергию (по отношению к любому заданному неподвижному положению в системе отсчета), когда она течет от 3 к 3', и ее общая суммарная энергия других форм уменьшается независимо от их подробных отдельных типов. При отсутствии обмена результирующей энергией с внешней средой при адиабатическом протекании общее количество потенциальной энергии, а также все другие формы энергии заданной массы т(1) является постоянным в любом положении вдоль пути 3-3' потока. В 3'-4 текучая среда протекает через нагрузку, где ее энергия преобразуется в полезную форму, которая отводится из системы. В 4-1 текучая среда отводит тепло наружу из системы, охлаждая ее по мере необходимости, для части подводимого тепла, которое не преобразовалось в полезную отводимую энергию в 3'-4, чтобы достичь станции 1 с уровнем энергии, необходимым для поддержания стационарного состояния. В 3'-1 текучая среда протекает перпендикулярно силовому полю. В оптимизированном процессе каналы 1-2 и 3-3' имеют одну и ту же длину вдоль силовых линий поля. В основной форме процесса для простоты представления считают, что на каждую частицу текучей среды

- 3 028558 действует одинаковый постоянный вектор силы (по направлению и величине). Заметим, что процесс в контуре будет проанализирован в конструкции прямоугольных каналов, но в равной степени на практике может быть проанализирован в конструкции круговых каналов, образующих кольцо, или в любой другой форме. Другое соображение состоит в том, что плотность текучей среды уменьшается с увеличением температуры текучей среды. Все поперечные сечения канала одинаковы и, следовательно, 1-2 и 3-3' имеют один и тот же объем. Эти предположения не являются необходимостью, но позволяют дать упрощенное обобщенное представление процесса. Потери потока в канале и тепловые потери будут игнорироваться.

В стационарном состоянии каналы в системе заполнены протекающей/проходящей текучей средой. Этот термодинамический анализ процесса основан на энергии и распределении энергии этой текучей среды в заданном силовом поле. Типы энергии, участвующие в этом процессе, учитываются как обобщенный тип текучей среды, подверженный воздействию обобщенного консервативного силового поля: каждая данная масса текучей среды в этом процессе может быть представлена как имеющая какую-либо комбинацию различных типов соответствующей энергии, с различной степенью детализации в зависимости от типа и состояния подвижных частиц, таких как энтальпия, поток кинетической энергии. Кроме того, в консервативном силовом поле такая масса имеет потенциальную энергию относительно точки в системе отсчета. Для массы текучей среды, расположенной в канале 1-2, например, между станциями 1 и 2, эта потенциальная энергия является положительной относительно станции 2 и отрицательной относительно станции 1, поскольку масса имеет вектор ускорения с направлением от станции 1 к станции 2. То же самое для текучей среды в 3'-3, где масса текучей среды имеет положительную потенциальную энергию относительно станции 3 и отрицательную относительно станции 3'.

Компоненты энергии.

В этом анализе соответствующая энергия текучей среды или ее части, представляющей собой систему, может быть представлена комбинацией двух компонентов: потенциальной энергии, относящейся к точке в системе отсчета в окружающей системе плюс в комбинации все другие соответствующие виды энергии, имеющиеся в системе, которые будут в дальнейшем называться как Ео^ег· Этот компонент энергии Еофег может быть более подробно описан как комбинация двух компонентов: направленной кинетической энергии относительно окружающей системы в выбранной системе координат, а также всех других соответствующих видов энергии, относящихся к каждой системе, коррелирующих с каждой частью массы текучей среды. Этот последний компонент эквивалентен полной энтальпии системы или ее соответствующей части, который может быть дополнительно разделен на два подкомпонента: внутреннюю энергию, будь то внутренняя кинетическая энергия или внутренняя потенциальная энергия, причем энергия представляет собой энергию, необходимую для создания системы, и количество энергии, необходимой для освобождения места для нее путем перемещения среды, задающей ее объем и давление (ссылка в данном документе дается как энергия давление-объем), можно утверждать, что ^Е°^{1Иег = н + Ек}'^{п = и + ρν + Εκ}'^η = ΚΡν + Εκιη , где Н представляет собой энтальпию, и представляет собой внутреннюю энергию, РУ представляет собой энергию давление-объем, Р представляет собой давление или плотность энергии давление-объем, V представляет собой объем, занимаемый системой, Е_Кт представляет собой кинетическую энергию системы, К представляет собой отношение между энтальпией и энергией давление-объем. Хотя К может изменяться от состояния равновесия до другого состояния, а в некоторых системах и значительно, для упрощения уравнений оно здесь будет считаться постоянным, так как это приблизительно выполняется во многих случаях относительно небольших изменений параметров системы. Для каждого практического устройства, использующего этот процесс, чтобы получить точные результаты, динамическое поведение этого параметра должно быть также принято во внимание, где оно не является незначительным.

В стационарном состоянии системы, содержащей протекающую текучую среду, энергия, температура, плотность энергии и т.д. заданного количества массы текучей среды в заданной станции являются постоянным с течением времени. Другими словами, температура, например, текучей среды в станции 1 будет постоянной во времени. Кроме того, параметры протекающей текучей среды, будучи постоянными во времени в каждой станции, взаимозависимы, и их соотношения, следовательно, фиксированы во времени. Это означает, что, например, два произвольно выбранных параметра - кинетическая энергия в станции 1 и плотность энергии в станции 2 являются частью фиксированного общего равновесия. По этой причине параметры текучей среды в каждой станции в стационарном состоянии должны количественно отслеживаться и в контексте, и в результате этого общего равновесия. В свете вышеизложенного выбранный подход к анализу процесса включает в себя общее равновесие в качестве основы для анализа соответствующих параметров от станции к станции.

В стационарном состоянии в любой заданный момент времени полная соответствующая энергия всей текучей среды, имеющейся в канале 3-3' (также горячая колонна) по отношению к 1 и 3', всей текучей среды в канале 1-2 (также холодная колонна) по отношению к 1 и 3', всей имеющейся текучей среды в канале 3-3' по отношению к 3 и 2, всей имеющейся текучей среды в канале 1-2 по отношению к 2 и 3, может быть представлена в следующем виде:

- 4 028558

Επί = Ен о№ег - Ерн1 = Ен о№ег - т_нап_н

2. Ес1 = Ес О(Иег - Ерс1 = Ес О(Иег - ГПсЭИс

3. Енг = Е_н О(Иег - Ерн2 = Е_Н О(Иег - т_на(Ц41н)

4. Ес2 = Ес о№ег - Ерсг = Ес о№ег - тса(Е-Ис)

5. Ε_Η2/ν = Е_с2л/ которые представляют собой плотности энергии всей текучей среды в 1-2 относительно 2 и всей текучей среды в 3-3' относительно 3 (и также 2), равны, поскольку в стационарном состоянии они сохраняют свои параметры стационарными во времени (давление, температура и т.д.), и нагрузка между ними в 2-3 отсутствует, что обеспечивает возможность поддержания разницы плотности энергии. Как упоминалось ранее, потери игнорируются.

6- [Ен о(Иег + т_на(Ц4пн)]Л/ = [ Ессииег + т_са(К-И_с)]А/

7. Из 6, Есотег = Енощег + рн\/а(Ц-пн) - рс\/а(Ц41с), гпн = рн\/, тс = рсУ)

Где Е_РН1 - Е_РС1 представляют собой потенциальные энергетические составляющие по отношению к станции 1 (или 3') всей текучей среды внутри соответственно 3-3' и 1-2. Е_РН2, Е_РС2 представляют собой потенциальные энергетические составляющие по отношению к станции 2 (или 3) всей текучей среды внутри соответственно 3-3' и 1-2. Примечание: все эти значения основаны на энергетическом центре массы текучей среды в каждой колонне. ЕН1 - полная соответствующая энергия текучей среды в горячей колонне 3-3' по отношению к станции 1 (или 3'), Е_Н2 - полная соответствующая энергия текучей среды в горячей колонне 3-3' по отношению к станции 2 (или 3), Е_{Н ОЛег} - полная энергия текучей среды в горячей колонне 3-3' комбинации всех соответствующих типов, кроме потенциальной энергии относительно начала системы отсчета в окружающей системе, Е_С1 - полная соответствующая энергия текучей среды в холодной колонне 1-2 по отношению к станции 1 (или 3'), Е_С2 - полная соответствующая энергия текучей среды в холодной колонне 1-2 по отношению к станции 2 (или 3), Е_{С ОЛег} - полная энергия текучей среды в холодной колонне 1 -2 комбинации всех соответствующих типов, кроме потенциальной энергии относительно начала системы отсчета в окружающей системе, а - ускорение каждой единичной массы частиц текучей среды, вызванное консервативным силовым полем, в направлении силовых линий (в направлении от 1 к 2 и от 3' к 3), V - объем горячей колонны, а также холодной колонны, т_Н- масса всей текучей среды в горячей колонне 3'-3, т_С - масса всей текучей среды в холодной колонне 1-2, К - общая длина канала 1-2 и канала 3-3'. Е_Н - расстояние между станцией 3' и центром массы (т_Н) текучей среды внутри горячей колонны (3-3'). К_С - расстояние между станцией 1 и центром массы (т_С) текучей среды внутри холодной колонны (1-2), р_Н - представляет собой среднюю плотность текучей среды в 3'-3 и определяется как т_Н^, р_С - представляет собой среднюю плотность текучей среды в 1-2 и определяется как тс/ν, и_н представляет собой полную внутреннюю энергию всей текучей среды в горячей колонне, и_Н представляет собой скорость текучей среды в горячей колонне, рассматриваемую в центре масс, Р_Н представляет собой давление или плотность части давление-объем в энергии Е_{Н ОЛег} всей текучей среды в горячей колонне.

Процесс подведения/отведения энергии.

Энергия 3'-1, Ε₃'_-1(_ί), которая представляет собой полезную работу в 3'-4 и дополнительно охлаждается отводимым теплом в 4-1, как это необходимо для поддержания стационарного состояния в течение заданного периода времени (ΐ), количественно равна энергии текучей среды, полученной от горячей колонны за это время, за вычетом энергии текучей среды той же массы, которая выходит из холодной колонны за это же время.

8- Ез-_1(1) = Εηι (ΐ) - Ес1 (ί)

Где Ε₃'_-1(_ΐ) - полная полезная работа, полученная в течение заданного периода времени (ΐ) в результате потока текучей среды в 3'-4 в дополнение к общему оттоку тепла по сравнению с аналогичным периодом времени (ΐ) в 4-1, как это необходимо для поддержания стационарного состояния. Е_Н1щ - энергия по отношению к 3' или 1 более теплой текучей среды с массой т(1), входящей в 3'-1 из горячей колонны 3-3' в течение времени (ΐ). Е_С1(₁) - энергия по отношению к 1 (или 3') более холодной текучей среды той же массы т(1), выходящей из 3'-1 в сторону холодной колонны 1 -2 в течение аналогичного периода времени (ΐ).

В результате того, что в каждом положении в системе с течением времени энергетические уровни остаются без изменений и каналы 3-3', 1-2 теплоизолированы от внешней среды, соотношение между энергией текучей среды, входящей в 3'-1 из горячей колонны 3'-3 в течение времени (ΐ), Е_Н1(₄), и полной энергией текучей среды в горячей колонне, Е_Н1, равно соотношению между массой т(1), проходящей через нее в течение этого времени (ΐ) и полной массой т_Н текучей среды в горячей колонне 3'-3.

9. (Εηι(ι)/Εηι) = (т(1)/гпн)

И, таким же образом соотношение между энергией, поступающей текучей среды, приходящей из 3'1 в холодную колонну 1-2 в течение времени (ΐ), Е_С1щ, и полной энергией текучей среды в холодной колонне 1-2, Е_С1, равно соотношению между массой т(Ч поступающей в холодную колонну 1-2 в течение этого времени (ΐ), и полной массой т_С текучей среды в холодной колонне. Таким образом,

10. (Ес1(()/Е_С1) = (т(1)/т_с)

- 5 028558

Объединяя вышеприведенные уравнения

11. Е₃'-1 (1) = (т(1)/т_н) [Ен ошег - т_наГ|_Н] - (т(1)/т_с) [Е_с отег - т_саГ|_С]

12. Ез'-1(() = (т(1)Л/) (рн^-1 Ен отег - Рс¹ Ес спьег) - т(1)а(Ин-Нс),

И поэтому в комбинации с уравнением 7

13. Е₃'-1(() = (т(1)/Х/) (рн'¹ Ен сяиег - Рс'¹ (Ен сииег + рнХ/а(В-Нн) - рсХ/а(В-Н_с)) т(1)а(Н_н-Нс) = гп(1) (1-рн/рс) [а(В-Н_н) + гп_н'¹ Ен симег] = гп(1) (1-рн/рс) [тн'¹ Ен схиег аИн] + т(1)(1-р_н/рс) аВ

14. Е_н О1и_ег = и_н + РнХ/ + Ε_Ηκίη = К_нРнУ + т_н и_н ²/2 от «энергетических компонентов», стр.4

15. Ез'_1(() = т(1) (1-рн/рс) [Кн(Рн/рн) + а(Р-Ин) + ин²/2]

С другой стороны, результирующая тепловая энергия, полученная в течение заданного периода времени (ί) из-за нагревания, Ог-эд в энергетическом равновесии

16. 02-3(1) - Οϊη(ΐ) - Ез’_1(₍) = т(1) (1-рн/рс) [а(В-И_н) + т_н'¹ Ен ошег] - гп(1) (1Рн/рс) [тн'¹ ЕноФег - апн] + т(1) (1-рн/рс)аВ = т(1) (1-рн/рс) [Кн(Рн/рн) + а(К-М_н) + и_н ²/2]

В соответствии с уравнениями 15 и 16 энергия подводимого в систему тепла увеличивает свои три соответствующие энергетические компоненты: энтальпию, потенциальную энергию и направленную кинетическую энергию, а отводимая в 3'-1 энергия уменьшает их. Пропорции соотношения зависят от относительной величины каждого компонента, как показано в этих уравнениях. Для расчета полезной отводимой энергии из системы через нагрузку Ε₃·_-4(_ί) и Ε_ουί(_ί) представляют собой полезную работу, получаемую из системы в течение заданного периода времени ί, через нагрузку. Ε₃·(_ί) и Е₄(_±) представляют собой суммарные значения энергии массы т в станциях 3' и 4. Обе они имеют одинаковые компоненты потенциальной энергии, Е_Р, поскольку канал 3'-4 перпендикулярен силовому полю. Их энергия, как было пояснено в энергетических компонентах, описанных ранее, может быть представлена, как показано ниже, υ₃'(ί) и υ₄(ί) представляют собой внутренние энергии текучей среды т(Т) соответственно в станциях 3' и 4. Р₃' и Р₄ представляют собой давление соответственно в станциях 3' и 4. ν₃'(_±) и ν₄(_±) представляют собой объемы, занимаемые т(Т) соответственно в станциях 3' и 4. К₃' и К₄ представляют собой соотношения между энтальпией и компонентами давление-объем энергии текучей среды соответственно в станциях 3' и 4; эти коэффициенты присущи типу текучей среды (и степеням свободы ее частиц) и ее параметрам работы в рамках процесса. Во многих случаях, например в случае идеального газа, жидкости и т.д., для не сильно изменяющихся условий можно считать постоянными. Ε_κίη3' и Ε_κίη4 представляют собой направленные компоненты кинетической энергии т(Т) в направлении потока соответственно в станциях 3' и 4. ρ₃' и р₄ представляют собой плотности т(Т) соответственно в станциях 3' и 4. Эффективность η определяется здесь как соотношение между полезной работой и подводимым теплом за тот же самый период времени ί (Ез'-4(1) / СЬ-3(1))·

17. Ез'_4(() = Еои((() = Ез'(1) - Е₄(()

18. Ез'(() = 11з'(() + РзУз'(1) + Εκίπ3' + Ер = Кз'РзЛ/з'до + Εκίπ3' + Ер, (14(1) + РзУзд) = Кз'Рз'\/з'(1))

9. Е₄(₍) = и₄(() + Р4Х/4Ц) + Εκίπ4 + Ер = К₄Р₄У₄₍₍₎ + Εκίπ4 + Ер (и₄₍₍) + ρ₄ν₄(₍) = κ₄ρ₄ν₄(₍))

Полагая для простоты представления, К₃'=К4=К_Н=К, и из сохранения массы имеем 20. т(1) = ν₃'(ΐ)ρ₃ = ν₄₍₍₎ρ₄ = Х/сдаРс, поэтому:

. Ез'_₄(() = (КРз-Х/з'ф + ЕктЗ' + Ер) - (К₄Р₄Х/₄(() + Е_К|П4 + Ер) = = ν₃'₍₁₎ (КРз· + рз'из²/2) - ν₄₍₍₎ (КР₄ + р₄и₄ ²/2)

На основании того, что разница в плотности энергии между массой т(Т) в 3' и массой т(Т) в 1 является той же, что и ограниченной колоннами, применимо следующее:

22. Ен-ι/ν - Ес-ι/ν = Ез'щЛ/зщ) - Ец^Х/щ) = Ез'ф/Х/зд) - ЕддаХ/дда (поскольку в 4-1 нагрузка отсутствует и все параметры текучей среды остаются неизменными с течением времени в стационарном состоянии).

Поэтому в сочетании с уравнением 7

23. Ез'(()/Х/₃'(() - Е₄(()\/₄(() = [Е_н о№ег - т_нап_н]/Х/ - [Ес о(Иег - т_сап_с]/Х/ = [Ен о(Иег рн\/апн - Е_н о№ег - РнХ/а(Р-И_н) + рсХ/а(В-п_с) + р_сХ/ап_с]Л/ = (рс-рн)аВ = (1 - 6 028558 рн/рс)рсэП = (КРз- + рз'из'²/2) - (КРд + р4Щ²/2)

24. Ез'-4(() = \/з'(1) (КРз- + рз'из^,2/2) - λΛ+φ (КРз· + рз'из²/2 - (1 - рн/рс)рсаВ) = (КРз· + рз'Ыз²/2) (Уз'ф - Х/₄(()) + (1- р_н/рс)рсаВ) ν₄₍ΐ) = = т(() (1 - рз/р4) (КРз'/рз'· + 11з²/2) + (рс/рд) п(1) (1 - рн/рс)аВ

25. О₂-з(1) - Ез'.₁₍₍) = ιτι(ί) (1 - рн/рс) (КнРн/рн - аИ_н + и_н ²/2) + т(1) (1 - рн/рс) аВ из уравнения 16.

26. η = Ез'.4(()/О₂-з(() = [т(() (1 - рз/р₄) (КР₃'/рз'· + и₃ ²/2) + (рс/рд) гп(£) (1 рн/рс)аВ] / [т(1) (1 - рн/рс) (КнРн/рн - аИ_н + и_Н ²/2) + т(1) (1 - р_н/р_с) аВ]

27. т(1) (КРзУрз'· + и₃'²/2) = т(1) (К_нР_н/рн - аМ_н + и_н ²/2) в качестве энергии т(1) в центре горячей колонны относительно 3' сохраняется и такая же, что и т(1) в станции 3' относительно 3'. Поэтому

28. [т(() (1 - рз'/р4) (КРз'/рз'· + из²/2) + (рс/рд) гп(1) (1 - рн/рс)аВ] / [т(1) (1 - рн/рс) (КнРн/рн - аИ_н + и_н ²/2) + т(1) (1 - рн/рс) аВ]

При расширении текучей среды через нагрузку Рз4>4) является отрицательной, и первый элемент РзФд) (КнРн/рн - аГ|_Н + и_н ²/2) отрицателен. Этот элемент подвержен двум встречным эффектам: с одной стороны, расширению, при этом получают Р^{4 <} Рз¹, с другой стороны, охлаждению через полезную отводимую энергию, под действием которой плотность увеличивается, снижая разницу плотности между ρ₃' и ρ₄. С увеличенной полной плотностью текучей среды соотношение Рз/р4 становится ближе к 1 с тенденцией к очень высокой плотности, чтобы быть ближе к 1. Кроме того, этот первый компонент становится меньше на величину отрицательной потенциальной энергии т(1)аИ_н, отрицательное значение которой увеличивается, когда поле становится сильнее. Это означает, что чем сильнее консервативное поле и чем выше плотность, тем меньше первый компонент т(() (1 - рн/рс) (КнРн/рн - аИ_н + и_н ²/2). в анализе зависимости эффективности процесса от различных параметров, следовательно, можно утверждать, что более высокая плотность в сочетании с более высокой силовой напряженностью поля в сочетании с низкой энтальпией (и температурой) увеличивает эффективность. При очень высокой плотности и силовой напряженности поля первый компонент т(1) (1 - рн/рс) (КнРн/рн - аИ_н + и_н /2) становится пренебрежимо малым и отношение ^Рс/р4 меньше 1, что делает теоретическую эффективность приблизительно равной

29. η = Ез'_4(1)/О2-з(1) = [π(ί) (1 - рн/рс)аК] / [т(1) (1 - рн/рс) [(КнРн/рн - аИн + и_н ²/2) + (аК)]]

Обозначая КнРн/рн - ^а^н + ин /2 - ΤοΙ, ю становится все меньше по мере увеличения напряженности поля (но всегда остается выше чем 0, так как в противном случае нет циркуляции текучей среды). Поэтому

30. η = (аВ) / (Τοί + аВ) <1. В максимуме.

Будь то в своем более полном виде (уравнение 28) или в своем приближенном виде (уравнение 30) эффективность, как определено в этом процессе, получают в зависимости от соотношения между напряженностью силового поля и полной энергией горячей текучей среды. Это основано на предположении, что разность плотности энергии между колоннами по отношению к 3' и к 1 (4) равна разности плотности энергии между двумя массами т(1) в 3' и в 1 (и в 4).

Для анализа обмена энергией между массой т(1) и силовым полем в своем течении от станции 1 (или 4) к станции 3', подразумевается следующее.

Текучая среда заданной массы т(1) в различных станциях в канале 1-2 имеет постоянную энергии относительно 1 (или 3') в соответствии с законом сохранения энергии. То же самое применимо к текучей среде в 3-3'

Все другие формы энергии (за исключением потенциальной энергии)+потенциальная энергия=полная энергия

31. Εί = (т(1)/т_с) [Е_с о»и_ег - т_саГ|_С] - 0 = (т(1)/т_с) [Е_соиюг - т_саГ1_С]

32. Е₂ = (т(1)/т_с) [Е_с о»м_ег + т_са(В-Г|_С) ] - т(1)аВ = (т(1)/т_с) [Е_с о»м_ег т_саИ_с]

33. Е₃ = (т(1)/т_с) [Е_н оиюг + т_на(В-Г|_Н) ] - т(1)аВ = (т(1)/т_н) [Е_н оиюг т_наИ_н]

34. Е₄ = (т(1)/т_с) [Е_н о»и_ег - т_наГ|_Н] - 0 = (т(1)/т_н) [Е_ноиюг - т_наГ|_Н]

- 7 028558

Видно, что с точки зрения станции добавленная объединенная другая энергия (означая все формы энергии вместе, за исключением потенциальной энергии относительно начала координат в системе) от станции 1 к станции 2, равная ш(1)аК, является такой же, что и от станции 3 к станции 3' - ш(1)аК (при рассмотрении удельного значения ш(1) сокращается). Поток заданной массы текучей среды в каналах 2-3, 3'-1 не изменяет свою потенциальную энергию относительно исходного положения, поскольку этот поток перпендикулярен линиям силового поля. Каждая масса текучей среды, таким образом, в каждом цикле имеет нулевой результирующий энергетический обмен с консервативным силовым полем, так как она получает ш(1)аК, когда она проходит от 1 к 2, и возвращает эту величину от 3 к 3'. Примечание: в каждом заданном периоде времени в стационарном состоянии та же самая масса протекает в направлении силовых линий поля, что и протекает против них, причем более холодная текучая среда плотнее, но течет пропорционально медленнее, чем более теплая, поскольку масса сохраняется.

Полная потенциальная энергия текучей среды вследствие консервативного характера силового поля и изменения плотности между колоннами, основополагающего фактора в этом процессе, может быть количественно выражена следующим образом: каждая масса ш(1) в любом месте вдоль 1 -2 с произвольным положением центра массы на расстоянии Н_С от станции 1 имеет комбинацию форм энергии, которые, когда добавлены все вместе, за исключением потенциальной энергии, называются Е_С'(1)О1Ьвг- Ввиду своей потенциальной энергии, тем не менее, ее энергия относительно станции 2 и ее энергия относительно станции 1 отличаются

35. Ее’© = т(1)[ Е_С’(() схиег - а Нс] относительно 1

36. Е_С’(1) = т(1)[ Е_С’(1) схиег + а(Р - И_С’)] относительно 2

37. Разность т(()аН.

То же самое верно для массы, которая находится в 3-3', в произвольном положении своего центра масс на расстоянии Ь_н' от станции 3'

38. Епд) = т(()[ Епд) схиег - а Ин’] относительно 3'

39. Ем’© = т(1)[ Ем’© схиег + а(В - И_Н’)] относительно 3

40. Разность т(()аН.

Примечание: все значения, сопровождающиеся значками н', с', являются значениями для этой заданной произвольной станции.

Это означает, что эта разница не изменяется от станции к станции в любом месте вдоль пути потока от 1 к 2 или от 3 к 3'. Однако вся текучая среда в 1-2 состоит из т_с/т(1) единиц ш(1), а вся текучая среда в 3-3' состоит из ш_н/ш(1) единиц ш(1).

Таким образом, для всей текучей среды в 1-2 разница между ее полной энергией по отношению к 2 и ее полной энергией по отношению к 1 равна ш_саК, а для всей текучей среды в 3-3' разница между ее полной энергией по отношению к 3 и по отношению к 3' равна ш_наК. Это связано с соответствующим положением каждой подвижной частицы в системе в условиях консервативного силового поля и разности плотности, которая вызвана разностью температур.

Это представляет собой разность потенциальной энергии между относительно 3' и относительно 1, а именно

или, если представлено по-другому

Эта потенциальная энергия не может быть отнесена к конкретной частице или массе, но скорее к массе текучей среды в целом и к распределению массы по пути кругового потока. По этой причине для представления значения применимо к части ш(1) (также включая свое положение и занимаемый объем), значение изменяется в зависимости от того, какую ш(1) мы выберем в качестве исходной: ш(1), которая является частью т_н в горячей колонка, т(1), которая является частью т_С в холодной колонне, или ту, которая представляет собой часть т(1) всей массы текучей среды.

Для части т(1) массы в контексте уравнения 15, представляющего собой отводимую энергию 3'-1 с использованием энергии текучей среды в горячей колонне в качестве исходной

вычисляя то же самое представление Ε₃·._1(ί) с использованием энергии текучей среды в холодной колонне, а не в горячей колонне в качестве исходной, результат будет

Ез'-1<») ⁼ пг|(!)(рс/рн - 1) [т_с ¹ Есда о»иег - а Нс] + т(1)(рс/рн - 1)аК, и этот компонент потенциальной энергии будет иметь вид

44. т(1)аК (рс/рн-1) т_саР (1 - рн/рс) является потенциальной энергией, относящейся ко всей текучей среде в целом, которая аккумулируется во вращении по круговой траектории, 1-2-3-3'-4-1 процесса, а не по направлению исходного консервативного поля. Это проявляется в тенденции спонтанного ускорения всей текучей

- 8 028558 среды во вращательное движение, или, другими словами, она проявляется как вращательно асимметричная инерция текучей среды по отношению к системе координат (которая в процессе противостоит нагрузке для достижения стационарного потока). Из-за положения нагрузки в 3'-4 она может быть выражена как разница потенциальной энергии между 3' и 1. Благодаря этой потенциальной энергии добавленное тепло заставляет текучую среду в 1 -2-3-3' прикладывать разницу результирующей плотности энергии к текучей среде в 3'-4. Она приходится на 3'-4 как разностная плотность энергии (и, следовательно, также как разностное давление), потому что нагрузка представляет собой разрыв, обеспечивая градиенту плотности энергии возможность сохраняться в стационарном состоянии, и его значение равно гпсаВЛ/ - гпнаВЛ/ = (1-р_н/р_с)рсаВ. Эта разностная плотность энергии будет существовать в любом месте вдоль контура процесса, где будет расположена нагрузка.

Тепловая энергия среды процесса, которая проявляется в материи как симметричные случайные микростолкновения между частицами, без конкретного общего направления превращается непосредственно через этот механизм в энергию, которая генерирует результирующую силу (и разностную плотность энергии), направленную по касательной к контуру, действуя в конкретном направлении вращения. Эта потенциальная энергия всей текучей среды или ее части ш(1) имеет величину, которая зависит от двух элементов: аК в зависимости от напряженности силового поля, и ПщнДс) в зависимости от соотношения плотности горячей/холодной текучей среды и вначале от соотношения температуры (умноженной на коэффициент, на который влияют различные параметры процесса).

В отводимой/подводимой энергии, представленной^²'³⁽¹^^т(9 ^_ Ез'_ 1(()/т(1) = (1 - рн/рс) [тн¹ Енда отег - а Ин] + (1 - рн/рс)аВ, подводимое тепло увеличивает суммарную энергию других форм энергии плюс увеличивает потенциальную энергию каждой массы ш(1), проходящей из холодной к горячей колонне по каналу 2-3. Полезная работа (и отводимый поток тепла по мере необходимости) снижает суммарную энергию других форм энергии и уменьшает энергию каждой массы ш(1), проходящей из горячей к холодной колонне по каналу 3'-1. Напряженность силового поля влияет на распределенные пропорции каждой единицы подводимого тепла между компонентом потенциальной энергии и компонентом других форм энергии. Для заданной единицы подводимой энергии силовое поле большей напряженности приводит к большему значению аК (и более отрицательному - айн), приводит к большему увеличению части компонента потенциальной энергии, приводит к меньшему увеличению части других форм энергии, более высокому соотношению полезной отводимой энергии к подводимому теплу или эффективности. Если мы примем во внимание, что изменения потока кинетической энергии имеют незначительное влияние на распределение температур в процессе, то для лучшего понимания поведения процесса от станции к станции можно утверждать, что поскольку й_н ближе к 3', чем й_с ближе к 1, то разность температур между всей текучей средой в 3-3' (Тн), в ее энергетическом центре масс, в й_н, относительно температуры всей текучей среды в 1-2 (Т_с), в ее энергетическом центре масс, й_с ,меньше, чем повышение температуры от 2 к 3. Падение температуры от 3' к 1 в стационарном состоянии равно росту температуры от 2 к 3. Разность температур между 3-3' равно разности температур между 1-2. Следует отметить, что в компоненте других форм энергии , элемент а й_н имеется потому, что значение т_н ^-1й_н1,._|О1Иег является значением этого компонента в центре масс более теплой текучей среды в 3-3', и каждая заданная часть массы ш(1) этой текучей среды достигает нагрузку в станции 3', после того как она вернулась в систему ш(1)ай_нпотенциальной энергии, что можно видеть и в уравнении 39, в котором количественно выражена Е₃'. Вариант выполнения второй конфигурации, как показано на фиг. 3.

Этот вариант выполнения идентичен первой конфигурации во всех отношениях, за исключением расположения источников нагревания/охлаждения (горячих/холодных сред) и теплоизолированных/теплопроводящих областей. При анализе этого варианта выполнения потери также не учитываются, а пропорции размеров и силовые поля такие же, что и в первом варианте выполнения. Контур для простоты объяснения полностью теплоизолирован, за исключением при необходимости области теплообмена в станции 33-33' для нагревания и еще в одной станции 31-32 для охлаждения. Контур содержит нагрузку, расположенную в 33'-34, которая в настоящем варианте выполнения является такой же, что и в 3'1, и теплоизолирована, преобразуя энергию, которую она получает от потока частиц, в полезную отводимую энергию. Нагревание и охлаждение при необходимости, таким образом, происходят соответственно в горячей/холодной колонне, что имеет следующие последствия: если в варианте выполнения первой конфигурации энергия массы ш(1), протекающей вверх в 33-33', имеет постоянное полное значение в любом месте вдоль пути потока, причем энергетические компоненты изменяют свое значение относительно друг друга постепенно вдоль пути, но не свое полное значение, то во втором варианте выполнения это не так. В варианте выполнения второй конфигурации к этому постоянному значению полной энергии массы ш(1) добавляется подводимое тепло от теперь термически не изолированных стенок. Это подводимое тепло добавляется к уровню энергии массы ш(1) постепенно таким образом, чтобы суммарное количество тепловой энергии, добавленной к массе ш(1) от входа в станцию 33 до выхода из станции 33', которая также является точкой входа в нагрузку, определяется как ρ_ίη(ί) и дает возможность сравнения, параллельно φ₂-₃(ΐ) первого варианта выполнения.

- 9 028558

То же самое применимо к текучей среде в холодной колонне, тогда как в варианте выполнения первой конфигурации энергия массы ш(1), протекающей вниз в 31-32, имеет постоянное полное значение в любой точке вдоль пути потока, причем энергетические компоненты изменяют свое значение относительно друг друга постепенно вдоль пути, но не свое полное значение, во втором варианте выполнения это не так. В варианте выполнения второй конфигурации из этого постоянного значения полной энергии массы ш(1) удаляется отводимое тепло от теперь термически не изолированных стенок. Это отводимое тепло вычитается из уровня энергии массы ш(1) постепенно таким образом, чтобы суммарное количество отводимого из массы ш(1) тепла, от входа в станцию 31, которая также является местом выхода из нагрузки, до выхода в станции 33', определяется как р_ои1ф и дает возможность сравнения, параллельно Ε₄.₁(_ί) первого варианта выполнения. Во втором варианте выполнения канал 32-33 изолирован и перпендикулярен силовому полю, а энергия массы ш(1) в станции 32 равна ее энергии в станции 33.

В стационарном состоянии в любой заданный момент времени, даже если энергия в каждой из колонн является переменной вдоль пути потока по причине теплового потока, значения полной энергии всей текучей среды в колоннах могут быть количественно определены: всей текучей среды, имеющейся в канале 33-33' (также горячая колонна) по отношению к 31 и 33', всей текучей среды, имеющейся в канале 31-32 (также холодная колонна) по отношению к 31 и 33', всей текучей среды, имеющейся в канале 33-33' по отношению к 33 и 32, всей текучей среды, имеющейся в канале 31-32 по отношению к 32 и 33, могут быть представлены следующим образом:

,Ен31, Ес31, Ε Н32, Ес32, ЕноЮег, Есошег, Ернз1, Ернзг, т_Н, ГПс,_-

Г де переменные¹

Г, а, V, Рзз’31, Рзз’34 , К, Рн, Х/зз-да, \/з4(1), Εκϊη33', Εκίη34, Щз¹, Рзз¹, Р34, Рзз', Рз4 имеют тот же смысл, что и в первой конфигурации нагрева. й_с представляет собой расстояние между станцией 31 и центром масс т_с текучей среды в холодной колонне, применимо к количественному определению ее потенциальной энергии по отношению к 31. й_н представляет собой расстояние между станцией 33' и центром масс т_н текучей среды в горячей колонне, применимо к количественному определению ее потенциальной энергии по отношению к 33. Ε_Η3ΐ(_ΐ), Е_с31(₁) представляют собой средние значения энергии по сравнению со станцией 31 (или 33'), части массы т(1), расположенной соответственно в горячей и холодной колоннах,

Е ои»(1) Ичеогейса! представляет собой разницу энергии между энергией массы т(1) в 33' и энергией массы т(1) в 31, рассчитанной на основе энергетического равновесия в процессе в стационарном состоянии и закона сохранения энергии, примененного между 33' и 31. Она почти такая же, что и вычисленное значеЕз3'-31(1), Езз'-34((). Е_о ние для^ν/ -оицогеш представляет собой разницу в энергии между энергией массы т(1) в 33' и энергией массы т(1) в 31, рассчитанной на основе разницы плотности энергии на нагрузке и закона сохранения энергии, примененного между 33' и 31 для процесса в стационарном состоянии. Она почти такая же, что и вычисленное значение для Езз’-зщ), Езз’-34(1)· Οιη(ΐ) представляет собой подводимое тепло, добавленное к текучей среде в канале 33-33', являясь разницей энергии между массой т(1) в станции 33 и массой т(1) в станции 33' в стационарном состоянии. ^_оиΐ(_ΐ) представляет собой отводимое тепло, удаляемое из текучей среды в канале 31-32, являясь разницей энергии между массой т(1) в станции 31 и массой т(1) в станции 32 в стационарном состоянии, р_с, р_н представляют собой средние плотности соответственно, т_с, т_н в холодных/горячих колоннах, η представляет собой эффективность, являясь соотношением между полезной работой Е_ои1(1), произведенной за период времени 1, и подводимым теплом, за то же самое время.

Ен31 = Енощег- Ерн31 = Ен О1кег - ГПнаИн Ес31 ⁼ Ес СХИег — Ерс31 ⁼ Ес СХНег — ГПсаИс

47. Ен32 = Ен О(кег + Ернзг = Ен 01кег + тна(В-пн)

48. Есзг = Ессмег- Ерсзг = Есоюег + ГПса(В-Ис)

49. ЕнзгЛ/ = Есзг/ν которые являются плотностями энергии во всей текучей среде в канале 31-32 по отношению к 32, и во всей текучей среде в канале 33-33 по отношению к 33 (также 32), равны, поскольку отсутствует нагрузка, чтобы вызвать разницу в плотности энергии.

50. [Ен О1кег + т_на(К-Ин)] / V = [Е_{с О}1Иег + т_са(К-И_с)] / V

Отсюда, Е_с о№ег = Е_н о₍ц_ег + ρ_Ην3(Ρ-ή_Η) - р^а(К-Нс), (т_н = ρ_Ην, т_с =

45.

46.

51.

ΡοΥ)

52. Енз-ι/ν- Есз-ι/ν = Еудо Л/₃₃'₍₍) - Ε₃₄₍₍) Л/₄₍₍) = [Е_н сииег - т_нап_н] / V - [Е_с сииег т_саИ_с] / V = [ Е_н сииег - РнЛ/ап_н - Е_н сииег + ΡΗν3(Β-ή_Η) + р^а(К-Н_с) + р^аП_с] / V = (рс-рн)аВ = (1-р_н/рс)рсаВ

53. Е₃₃’_₃1 да = Е₃₃’.₃₄(1) = Е₃₃'(₍) - Е₃1(₍)

54. Е₃2-зз(1) = 0 ; Еэгда = Ε₃₃(ΐ)

- 10 028558

Среднее значение энергии по отношению к станции 31 (или 33') части массы ш(1), находящейся в горячей колонне

55. Е_Нз1(() - Е_Нз1 (т(1)/т_н)

Среднее значение энергии по отношению к станции 31 (или 33') части массы ш(1), находящейся в холодной колонне

56. Е_Сз1(1) - Е_Сз1 (т(1)/т_с)

Для простоты представления, так как картина поступающего/выходящего теплового потока вдоль колонн является сложной и зависит от многих переменных, подводимое тепло будет первоначально предполагаться быть добавляемым к массе т(1) вдоль пути потока 33-33' со скоростью, которая позволила бы включить Ζρ_ίη(_ί) в среднюю энергию массы ш(1) в колонне. То же самое для холодной колонны: отводимое тепло будет предполагаться быть удаляемым из массы т(1) вдоль пути потока 31-32 со скоростью, которая позволила бы исключить -ΖΩ_ουΐ(_ΐ) из средней энергии массы ш(1) в колонне. Ζ является положительным числом, меньшим 1, и представляет собой картину теплового потока для каждой из колонн: Когда значительная часть теплообмена происходит вблизи точки поступления текучей среды в колонну после поступления, Ζ больше и наоборот. Поступающий/выходящий тепловой поток является следствием более высокой температуры окружающей среды снаружи, рядом с каналом 33-33', и в случае необходимости более холодной окружающей среды снаружи, рядом с каналом 31-32.

Таким образом, в стационарном потоке

63. Ε_ου((ΐ) (Иеогейса! = (1/Ζ) [(Е_Нз1(1) - Е_Сз1(1)) - (2Ζ-1) Ο_ουΐ(»)] = (1/Ζ) [(гп(1)Л/)(р_н ¹ Е_н

О1бег - Рс¹ Е_с оФег) - т(1)а(Н_н - Н_с) (2Ζ-1) Оошда] = (1/Ζ) [т(1) (1-р_н/рс) [К (Рн/рн) + а(ГС- Н_н) + и_н ²/2] - (2Ζ-1) Ооиод]

Это означает, что если Ζ равно 1, результат представляет те же условия, что и в варианте выполнения первой конфигурации, с помощью которого для каждого цикла процесса все нагревание текучей среды осуществляют перед поступлением в горячую колонну в станции 33, и все охлаждение текучей среды осуществляют перед поступлением в холодную колонну в станции 31. Первый вариант выполнения поэтому сам по себе представляет собой частный случай варианта выполнения второй конфигурации, а его результат будет

64. Ωίη(() - Оои((() “ (1/1) [т(1) (1-рн/рс) [К (Рн/рн) + а(Р- ή„) + и„²/2] - (2-1)

Оои((1)]

65. Ωίηφ = т(1) (1-рн/рс) [К (Рн/рн) + а(К- Нн) + и_н ²/2]

Ζ, конечно, может манипулировать, чтобы оно представляло собой две различные переменные, одна для подводимого тепла и одна для отводимого тепла, регулируя их по отдельности, чтобы оптимизировать практичность выполнения процесса. Чтобы представить в упрощенном виде эффективность, Ζ=0,5, будучи общей для обеих колонн, будет далее использоваться в качестве примера

66. Ωου1(() (ИеогеКса! = 2 (Ен31(1) Ес31(1)) = 2 (ГП(1)Л/) (рн Ен О1Иег Рс Ес О(Иег) т(1)а(Ь„- М_с) = 2т(() (1-_Рн/_Рс) [К (Р_н/рн) + а(Р- М_н) + и_н ²/2]

Это рассчитывается в соответствии с законом сохранения энергии и на основе падения плотности энергии на нагрузке практической полезной отводимой энергии “ И И “ ^{/1,Г> 17} ' Εκίη33' + Ер) - (КР₃₄ Уз4(() + Εκίη34+ :_Ои1(1) :зз'(1) :з1©

Для того чтобы количественно определить эффективность вследствие практических условий: Е_ои1ц) _геа1 всегда равно Е_ои1({) ₁ь_еоГе11са1 , при условии, что имеется отводимое тепло Ω_ουΐ(ΐ) в канале 31-32, которое

- 11 028558 находится на необходимом уровне для поддержания стационарного состояния процесса. Тем не менее, для теоретического процесса со 100% эффективностью применимо следующее условие: Ε_ουΐ(ΐ)ίΗεοΓ6ίίο_αι⁼Ωίη(ί) и, следовательно, для этого теоретического процесса Ρ_ουι<ΐ) будет равно нулю.

Поэтому эффективность может быть определена как соотношение между практической полезной отводимой энергией и подводимым теплом ρ_ίηω в способе с теоретически совершенной эффективностью

69. η = Еои1(1)геа1 / Οίπ(ί) = { ΓΠ(ί) (1 - рз3'/р34) (КР₃₃'/рзз' + и₃₃' ²/2) + (рс/р34) ΓΠ(ί) (1-рн/рс) аР} / {2т(1) (1-рн/рс) [К (Рн/рн) + а(Р- И_н) + и_н ²/2]} или в приближенной версии, как в варианте 1:

70. η = аР / {2 (т_н'¹ Е_н схнег + а(Р - 0_н))} = аР / 2 (То1 + аР) < 1/2 , (при Ζ = (1/2))

Сводка некоторых основных требований для оптимального воспроизведения способа в практическом устройстве:

подгруппы совокупности текучей среды в каналах 1-2 и 3-3', соответственно 31-32 и 33-33', должны быть подвержены воздействию равных напряженностей поля. Суммарная сила, приложенная консервативным силовым полем, специфичным для устройства, в направлении от 1 к 2 и от 3' к 3, соответственно от 31 к 32 и от 33' к 33, изменяется в корреляции с или пропорционально количеству подвижных частиц, составляющих подгруппы совокупности текучей среды. Максимальная напряженность поля.

Температура текучей среды влияет на ее плотность.

1-2, 3-3'; 31-32, 33-33' равны по длине.

Адаптированная нагрузка идеально расположена в 3'-4; 33'-34.

Проводящие каналы способствуют минимальному сопротивлению потоку подвижных частиц и обеспечивают выполнение других требований в настоящем документе.

Нет результирующего взаимодействия между потоком подвижных частиц в стационарном состоянии силового поля.

Требования по применению способа к реальным и эффективно консервативным полям.

Способ, как предварительное условие, подвергает подвижные частицы воздействию ненулевого консервативного поля. Некоторые поля, такие как постоянное электрическое поле и гравитация, являются понятными и проявляются в инерциальной системе отсчета. Другие поля, такие как центробежное и магнитное (как, например, переменное магнитное поле или магнитное поле, действующее на движущийся электрический заряд), нуждаются в конкретных условиях, чтобы воспроизвести консервативный характер их силового поля, поскольку он относится к способу, но когда эти условия выполнены, эти поля в способе можно считать как эффективно консервативные.

В таких условиях способ может быть воспроизведен в соответствии с принципами, изложенными в настоящем документе.

На фиг. 5-8 представлены четыре примера способа в рамках четырех различных силовых полей: гравитационного, центробежного, описанных в предшествующем уровне техники, и электрического и магнитного полей. Во всех четырех примерах процесс представлен в соответствующей системе отсчета: гравитационное и электрическое - в инерциальной системе отсчета, центробежное - во вращающейся системе отсчета и магнитное - в поступательной системе отсчета, которая в данном случае является инерциальной системой отсчета с заданной поступательной скоростью каналов, перпендикулярных силовым линиям магнитного поля. Выбор системы отсчета, используемой для магнитного поля, является одним из многих примеров вариантов, поскольку его эффективный консервативный характер для процесса может быть достигнут в поступательном, вращательном или в другом движении системы, или даже в неподвижной системе, подверженной воздействию электромагнитного силового поля, в котором напряженность электромагнитного поля является переменной во времени, - волне.

Все частицы в иллюстративных контурах 1-2-3-3'-4, каждая в своей соответствующей системе отсчета, подвергаются воздействию консервативного силового поля, в результате которого каждая частица изменяет свою потенциальную энергию по отношению к точке в системе отсчета, по мере того как течет от 1 к 2 и от 3 к 3' и как только полный цикл завершен, например, от 1, по контуру обратно к 1, потенциальная энергия частицы остается неизменной.

В двух последних примерах в дополнение к компонентам консервативной силы, действующим по потоку или против потока, поля прикладывают силы, которые действуют, чтобы замедлить или ускорить (в зависимости от направления потока текучей среды в канале), движение каналов перпендикулярно потоку. В стационарном состоянии, имея одну и ту же массу, движущуюся в одном направлении, как в других, не изменяя распределение массы в системе, эти силы с течением времени компенсируют друг друга полностью.

Несмотря на то что консервативные силы действуют на две совокупности, на одну в их направлении потока и на другую в направлении, противоположном их направлению потока, величина этих сил зависит от их общего количества в каждой группе и, следовательно, зависит от их плотности, и при этом

- 12 028558 для ненулевой разности плотности между колоннами их общая сумма не равна нулю.

Для сил, действующих перпендикулярно потоку, эти встречные силы зависят от их плотности, а также от их скорости и, следовательно, компенсируют друг друга полностью. Это верно во всех частных случаях, поскольку это вытекает из сохранения массы. Одна группа замедляет скорость канала, а другая ее ускоряет, что имеет суммарный эффект нуля.

В любых условиях работы независимо от того в подвижных каналах или в неподвижных каналах, подверженных воздействию электромагнитного волнового поля, в случае каналов одного и того же размера один содержит совокупность холодной текучей среды, а другой содержит совокупность горячей текучей среды, протекающих в противоположных направлениях:

Противоположный поток текучей среды равной массы, протекающей в единицу времени в каждом направлении между двумя подгруппами совокупности, делает обмен полной энергии потока с силовым полем (или с его источником), равным нулю. После того как этот принцип установлен в выбранной системе отсчета, эти поля могут быть проанализированы как направленные консервативные силовые поля, воздействующие на подвижные частицы с контуром 1-2- 3-3'-4-1, причем производительность оптимизируется равной длиной каналов 1-2, 3-3'. Следует отметить, что эти силы, перпендикулярные потоку, имеют влияние на распределение частиц по поперечным сечениям каналов, фактор, который может повлиять на эффективную площадь поперечного сечения канала, А и может повлиять на потери канала. После того как этот эффект учтен, однако, он может оказаться незначительным и в любом случае это не меняет взаимную компенсацию противодействующей силы и не меняет нулевой результирующий энергетический обмен между потоком текучей среды и полем в стационарном состоянии. Этот тип консервативной силы, приложенный к каждому контуру, заменяя общую Р=ша, используемую в настоящем документе, зависит от типа силовогополя/частиц в каждом конкретном случае, как, например, ^{_ +} ςΒιι, Р = тО²г, Р = мд.

Эффективность обоих вариантов выполнения конфигурации может быть проанализирована с точки зрения характеристик полного вращательного ускорения текучей среды в силовом поле, приводя к определенным условиям в неустойчивом поведении:

Для первого варианта выполнения конфигурации (фиг. 1) вся текучая среда проявляет асимметричное вращательное инерционное поведение по отношению к системе отсчета и, следовательно, имеет тенденцию к ускорению вращательного движения вдоль контура. Это означает, что для того чтобы иметь стационарное состояние, нагрузка должна представлять собой противодействующую силу, равную той, которая ее ускоряет и, следовательно, разница давлений, независимо от последствий изменения направленной кинетической энергии, поскольку в стационарном состоянии изменения кинетической энергии от станции к станции не имеет ни ускоряющий, ни замедляющий эффект, на текучую среду в контуре 1-2-33'-4, в целом, который идентичен разнице давлений, наложенной колоннами. Это обеспечивает следующее вычисление эффективности:

Разность плотности энергии ^шА/- Ε_Οι/ν р_авна (1-рн/рс) РсаП в условиях особенностей способа это также представляет собой чистую разницу давлений, так как это результат действия статической силы на подгруппы совокупности текучей среды, вызванного консервативным силовым полем

71. ΔΡ_3Ί = ΔΡ₃'4 = т_са-т_на= т_с (1 -р_н/рс)а = рс^/(1-р_н/рс)а

72. ΔΡ₃ι = ΔΡ₃'4 = (т_са-т_на)/А = (т_с (1 -р_н/рс)а)/А = (рсУ(1-р_н/рс)а)/А = (1рн/рс) рсаР

Эта сила и следующая из нее разность давлений представляет собой силу/разность давлений, которая необходима для обнуления тенденции полного вращательного ускорения, из всей совокупности текучей среды. Это требование стационарного состояния выражается в установившейся скорости потока. Изменения направленной кинетической энергии от станции к станции в стационарном состоянии не влияют на эту разность сил, поскольку поток текучей среды в целом не меняет своих параметров с течением времени и, следовательно, не взаимодействует с этой силой, которая, если смотреть в системе отсчета протекающего способа, является статической и тангенциальной к контуру потока, действующей на текучую среду в целом, вследствие консервативного характера силового поля.

Текучая среда, находящаяся в 3', массы т(1), находится при давлении, которое является следствием взаимодействия между областью 4-1-2-3-3' текучей среды (которая имеет тенденцию к ускорению в направлении к 3') и нагрузкой.

Текучая среда, находящаяся в 4, той же массы т(1), находится при давлении, которое является следствием взаимодействия между той же областью 4-1 -2-3-3' текучей среды (которая имеет тенденцию к ускорению от 4) и нагрузкой. Разница давлений между этими двумя станциями равна (1-р_н/р_с) р_саК независимо от различий в температурах, объемах или скоростях конкретных масс т(1), расположенных в 3' и 4 в стационарном состоянии, а зависит скорее от общего равновесия процесса.

Поэтому эффективность в соответствии с этим требованием будет вести себя как

- 13 028558

73. η' - Ε₃'-4(») / 02-3(() - [(ΚΡ₃' ν₃'(ΐ) + Ε_Κϊη3· + Ε_Ρ) - (ΚΡ₄ ν₄φ + Ε_Κίπ₄+ Ε_Ρ)]/Ο₂-₃(ΐ) [ν₃.₍₁₎(ΚΡ₃. + ρ₃. из· ²/2) - ν4(() (ΚΡ4 + ρ4 υ4 ²/2)]/Ο2.₃₍₍₎ = [ν₃·₍₁₎ (ΚΡ₃· + ρ₃· щ ²/2) ν4(() (Κ(Ρ3· - (1-рн/рс) рсаР + ρ4 и4²/2)] / Ο2.₃₍₍₎ = [(ΚΡ₃<ν₃·₍₁₎ - ν₄₍₍₎) + (р_с/р₄)К πι(ί) (1рн/рс) аР) + т(1) и₃· ²/2 - т(1) и4 ²/2)]/Ο2__3(υПоэтому

74. η' = [т(1) (1-рз'/Р4> (ΚΡ₃· / Рз·) + т(1) (1-рз'7р₄ ²) (из'72) + (рс/р₄) К т(1) (1Рн/рс) аР] / [т(1) (1-рн/рс) (КРн/рн - аИн + ин72) + т(1) (1-рн/рс)аР]

В своей приближенной форме на основе высокого давления и плотности силовое поле большой напряженности ^т<‘Х¹-Рз'/р4) (КР₃· / рз) + т(1) (1-рз7р₄ ²) (и,. 72) становится меньше, и если на основе этих критериев считается незначительным р_С/р₄ считается близким к 1, приблизительная форма η' становится

в таком случае в условиях достаточно большого силового поля состояние будет устойчивым до заданного порогового уровня, на котором η'=1. По прошествии этого уровня состояние не будет устойчивым, при этом избыточная требуемая энергия, необходимая для достижения проявления η'>1, будет задействована из поля для нестабильного перехода и из текучей среды, приводя к постепенному охлаждению системы до тех пор, пока эффективность не упадет (реальная эффективность не превышает единицы). В нестационарном переходе для возвращения в стационарное состояние в подводимой энергии участвуют внешнее поле и энергия текучей среды до дополнительного подвода тепла). Это будет означать систему с эффективно одним источником, не требуя дополнительного охлаждения от внешней более холодной окружающей среды и/или не требуя того, что часть полезной отводимой энергии будет использоваться для дополнительного охлаждения системы, если это потребуется при анализе η. Такой один источник приведет к нарушению второго закона термодинамики.

Для второго варианта конфигурации (фиг. 3), например, при Ζ=0,5, это будет выглядеть так

Способ в условия, при которых отношение температура-плотность подвижных частиц является взаимообратным, при увеличении температуры текучей среды увеличивается ее плотность: в таких условиях процесс работает в соответствии с теми же принципами при условии, что направление силового поля является взаимообратным. Важным следствием будет то, что в этих условиях на нагрузке эффект расширения по причине потери давления действует таким же образом, поскольку из-за разности температур благодаря отводу энергии через 3'-4 или 33'-34 они оба действуют, чтобы уменьшить плотность.

Часть полезной отводимой энергии в 4, или 24, или 34, или 44 может подводиться обратно для охлаждения подвижных частиц, как это необходимо для поддержания стационарного состояния.

В случае, если охлаждение потока при его прохождении через нагрузку в 23'-24 или 43'-44 (фиг. 2, 4) достаточно, то не нужно дополнительно охлаждать поток после станции 24 или 34, и в этом случае станция 24-21 или 41-42 также изолированы, поскольку нет необходимости в теплообмене для охлаждения в более холодной окружающей среде за пределами контура.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ получения полезной энергии из тепловой энергии, отличающийся тем, что используют замкнутый контур, содержащий проводящие каналы (1-2-3-3'-4-1, 31-32-33-33'-34-31) с расположенной в них текучей средой, представляющей собой совокупность частиц, ограниченных в однонаправленном потоке в указанных каналах под воздействием консервативного или эффективно консервативного силового поля, за исключением центробежного и гравитационного силовых полей, причем указанный контур теплоизолирован, за исключением двух неперекрывающихся областей: первой области (2-3; 33-33'), обеспечивающей теплообмен для нагревания (ρ_ίπ) посредством более теплой среды снаружи контура, и второй области (4-1; 31-32), обеспечивающей теплообмен (Ρ_ουΐ) для охлаждения по мере необходимости посредством более холодной среды снаружи контура, указанный замкнутый контур снабжают нагрузкой (3'-4; 33'-44), представляющей собой устройство, выполненное с возможностью преобразования энергии, получаемой от потока указанной текучей среды, в полезную отводимую энергию, которая расположена в направлении потока после первой не теплоизолированной области (2-3; 33-33'), две части однонаправленного контура, расположенные перед (3-3; 33-33') и за (1-2; 31-32) указанной нагрузкой, выполняют так, что вектор скорости потока параллелен или имеет составляющую, которая параллельна одной части консервативного силового поля с теплым потоком указанной текучей среды и другой части с холодным потоком указанной текучей среды, при этом, если плотность указанной текучей среды уменьшается с увеличением температуры, направление указанного консервативного силового поля выбирают таким же, что и направление вектора

- 14 028558 скорости холодного потока, или же, что и направление компонента вектора скорости холодного потока в указанной части контура, и обратное, если плотность указанной текучей среды увеличивается с увеличением температуры.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что длину каждой из указанных двух не теплоизолированных областей изменяют по мере необходимости.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что часть полезной отводимой энергии подают обратно для охлаждения подвижных частиц в соответствии с необходимостью поддержания стационарного состояния.
4. Способ по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что указанные частицы представляют собой частицы, которые могут свободно перемещаться в каналах контура и могут быть любого типа: электрически заряженные или нет, как электроны, ионы, электрически нейтральные атомы, молекулы, и могут находиться в любом состоянии, таком как идеальный или вырожденный газ, жидкость, твердое вещество, полутвердая плазма, сверхпроводник.
5. Способ по одному из пп.1-4, отличающийся тем, что консервативное или эффективно консервативное силовое поле представляет собой электрическое (Е) или магнитное поле.