Hagyományos hőerőgépekről más oldalakon van szó. Pl. FolyadékDugattyúsBetaStirling
hatásfok <= Carnot
Ideális gáz esetén (legalábbis regenerátor nélkül) bármilyen körfolyamatra igaz, hogy a hő legfeljebb Carnot hatásfokkal alakul munkává (az egyenlőség reverzibilis esetben áll fenn). Más szóval keletkezik hulladékhő: amit minél alacsonyabb hőmérsékleten tudunk elvezetni, annál kevesebb.
- az éjszakai csillagos ég hőmérséklete 2.7K ? Vagy a légkör nagyon bezavar ?
- Használható egy napkoncentrátor hidegkoncentrátornak, hogy minél több folyamati hő minél keskenyebb légoszlopot lásson ? (a folyamat "csatolása a világűrhöz")
- Ezzel éjszaka a hőt, (akár a föld hőjét ?) jó hatásfokkal lehetne munkává alakítani ?
SuperCarnot
a "Carnot korlát" érvényes:
- Ideális gázzal megvalósított folyamat
- és nincs fázisátalakulás
- egy tér van (pl. a regenerátorban nem külön életet él a közeg)
- és nincs kémiai átalakulás vagy plazma-átmenet
- pl. N2O átalakulása a T,p hatására, molekulák számának növekedésével (időigényes folyamat, amit ki lehet használni "chronicity" )
- plazma (pl. égés): az égés során sokkal több részecske van, sokkal nagyobb "helyigénnyel" (ami az int(p*dV)-t befolyásolja), mint a rekombináció után. Ezt az expanzió során hasznosítani érdemes. Nem tudom, hogy dugattyú elég gyors-e ehhez, vagy jól tervezett turbina kell. Pláne nem tudom, hogy a Papp-féle rádiófrekvenciás és elektromos ívvel megvalósított plazma átalakulásból mekkora térfogati int(p*dV) nyerhető (állítólag nemesgázt használ, a "bontáshoz" szükséges energiát ez befolyásolja). Csak kísérleti mérésekkel lehetne ellenőrizni
- Még a rekombináció után is több részecske van, mint amennyit a GázTurbina kompresszorának össze kellett komprimálnia. Folyékony H2 égetése gáz O2-ben esetén: 2-szer ! Az N2 ezen ront, ezért érdemes lehet az N2-t közben cseppfolyósítani. LH2 + LOX esetén még a rekombináció után is óriási a térfogat, több százszorosa a bemeneti folyékony üzemanyag+oxidálószerének. Az égetés viszont önmagában nem körfolyamat, csak ha bontás is van utána. ( a víz bontása termokémiai eljárással 750C felett megvalósítható, és természetesen gázturbinában érdemes megvalósítani ). A H2 üzemanyagcellában égetése során egyébként szintén nem érvényes a Carnot korlát.
Sadi Carnot (helyesen) megjegyzi, hogy egy esetleges, a Carnot körfolyamat hatásfokát meghaladó termikus => mechanikus átalakítást végzõ géppel "másodfajú perpetum mobile"-t lehetne készíteni. Egy ilyen gép nem sérti az eneriamegmaradás (termodinamika 1. fõtétele), de sérti a termodinamika 2. fõtételét (viccesebben mondva "törvényét"). Vagyis pl. olyan autó, ami hidegebb levegõt pufog ki, mint amit beszív. A beszívott levegõbõl nyert hõ hajtja.
Wayne Arthur Proell: The Thermodynamic Theory and Engineering Design of SuperCarnot Heat Engines (Cloud Hill Press)
A lenti Rankine-nál jóval egyszerubb esetek is vannak benne, amik érdekesek lehetnek (az analitikus levezetes szerint Carnot feletti hatásfok ! Nem látok hibát a levezetésben, de numerikus szimulacio nélkül nem fogadom el)
Egy érdekes kezdeti szimuláció lehet (ez nincs benne a könyvben, de javaslom ezzel kezdeni):
- a Carnot körfolyamatot (T1 isotherm, T1=>T2 adiabatikus expanzió-tágulás, T2 isotherm, T2=>T1 adiabatikus összenyomás)
- úgy módosítani, hogy az adiabatikus állapotváltozás helyett regenerátort használunk (innentõl már nem adiabatikus, de ezzel együtt is még lehet izentróp). Vagyis kevesebb összenyomási munka kell, ha hagyjuk, hogy összenyomáskor a regenerátor "hûtse" a gázt. És több munkát kapunk táguláskor, ha hagyjuk, hogy a regenerátor hõt adjon át a gáznak (ne hûljön olyan gyorsan). Természetesen részletes szimuláció szükséges (ha T1 és T2 megmarad, akkor is a Carnot-hoz képest mind a 4 "sarokpont" változik).
Továbbá nem ideális gázok esetén is érdekes dolgok vannak - a Proell könyv ezzel is foglalkozik. Már a bevezetõ fejezetekben szembesülünk a szokásos tévedésekkel. (pl. sokan tévesen hiszik, hogy reverzibilis folyamat esetén nem növekedhet az entrópia, pedig de. Irreverzibilis esetén mindig növekszik az entrópia: ez alighanem igaz - de visszafelé nem igaz).
Még ha elméletileg megvalósítható is, a legtöbb elméleti körfolyamat átültetése a gyakorlatba komoly technikai nehézségekkel jár - még gyakorlott StirlingMotor építõmestereknek is.
Módosított Rankine etilénnel - Csináljunk olyan gépet (többen javasoltak hasonlót)
- amibe hõt viszünk be, pl. egy folyadékot felforralunk
- és miközben ezt expandáltatjuk, mechanikus munkát veszünk ki
- jó esetben az alapállapot visszaállítására pedig nem több, vagy csak alig több mechanikus munkát kell végeznünk (a különbségnek kisebbnek kell lennie, mint a Carnot körfolyamat hatásfoka).
Mi ebben a nagy dolog ? A gõzgép is így mûködik. Akkor esik le az állunk, amikor olyan közeget választunk, ami 0-20C-n néhány bar nyomáson is gáz. Pl. CO2 vagy NH3 (vagy R134a vagy sok más ...). Jó esetben talán kis trükkel meg tudjuk csinálni azt, hogy a készülék hűt (vagyis a környezetből hőt engedünk be, miközben a folyadék-állapotú közeget felforraljuk). De nem mi viszünk be tengelyteljesítményt, hanem kiveszünk tengelyteljesítményt ! Lássuk a körfolyamat lépéseit, egyelőre az érthetõség végett kicsit másképp, mint ahogy a gyakorlati megvalósítás célszerûsége kivánná.
Etilénnel 5 MPa-ról expandálva 10C -ről -71 C-ig , majd 40% folyadékleválasztással és a 60% gáz részt elején adiabatikus, végén izoterm visszanyomással számítgattuk a ciklust. A Perry-ben és interneten található etilén entalpia diagramokat használtunk. Az összenyomás kb 48 + 30 kJ (/kg munkaközeg) munkája majdnem annyi volt, mint az expanzió kb 75 kJ (/kg munkaközeg) munkája. A leolvasási pontosságok miatt szinte reménytelen érdemi eredményt kapni. Gépet építeni rá meg pláne. De további mérések és kiértékelések (más közegre is) érdekesek lehetnek.
Másik Körfolyamat (nincs végigszámolva !):
- kiindulási paraméterek: 1kg CO2, monjuk 50 bar, 280K (270..300K környékén), V térfogat.
- a gázt adiabatikus expanzióval tágulni hagyjuk, miközben egy dugattyún munkát végez (5E munkát). Térfogata növekszik, nyomása és hőmérséklete csökken. 220K környékén eléri a forráspontot, ahol lecsapódás (kondenzáció) következik be. Az oktatás alaposan beleveri a mérnökökbe, hogy "nehogy lekondenzáljon", arra gondolni sem szabad. De igen ! Hagyjuk, hogy egy része lekondenzáljon. Igazából minél nagyobb hányada kondenzál, annál jobb.
- a végállapot: mondjuk 6bar, 220K: mondjuk 200g lekondenzált folyadék (a pontos arány nem érdekes. De valahol 1..50% között, a nagyobb jobb), 800g még mindig gáz halmazállapotú. Hõszigetelt szeparátorban hagyjuk szétválni. Ehhez kis idõ kell, ezért nem a dugattyún belül csináljuk.
- vegyük ki a 200g lekondenzált folyadékot, és tegyük 0.2V méretû zárt tartályba (csõszakaszba).
- a dugattyúban Kazán Imre felforralja a folyadékot, közben munkát is végez. Nagyon fog örülni, mert hûteni tud vele. Még lehet, hogy fizet is érte. Ha más nem, a föld hõjével, vagy jármûben a levegõvel forraljuk fel.
- a végállapot: mondjuk 50 bar, 280K gáz. Nem véletlen hívják a csávót Kazán Imrének: tulajdonképpen hasonló funkciót látj el, mint a vizes gõzgépek esetén a több száz C fokos kazán. Fontos, hogy a 200g folyadékból kiindulva mind a T mind a p növekedést megoldotta.
- a 800g gáz halmazállapotú közeget nyomjuk össze 0.8V-re, a kiindulási nyomásra (50 bar-ra). Ha 1kg-ot nyomnánk össze, mint a nem túl izgalmas Carnot körfolyamatban (ami elsõ randevúra semmiképp nem ajánlott!), akkor az adiabatikus kompresszió tulajdonsága miatt pontosan annyi munkát kellene befektetni, mint amennyit az adiabatikus expanzió során kaptunk. Más szóval az adiabatikus expanzió - kompresszió reverzibilis: olyan, mint egy rugó. Viszont nekünk csak 800g gázt kell összesûrítenünk, amihez kevesebb munka kell. Pontos mennyiségi analízis szükséges, mert ez nem 4E munka (akár még 5E-nél is több lehet). Mivel összenyomáskor - mivel eltávolítottuk a folyadékot - a T azonnal emelkedni kezd. A végén amikor T a környezet felé megy, már nem adiabatikus, hanem izotermikusan kell tovább nyomni.
- Ha a kiindulási állapot olyan, mint amit Kazán Imre adott, akkor a másik 200g-al már nincs gondunk, mert Kazán Imre elvégezte a felmelegítést, felforralta a folyadékot, miközben nyomását is növelte, és még fizetett is érte. Ha Kazán Imre a kiindulási állapotnál nagyobb nyomású gázzal adja a tartályt (mert 20C felé melegítette), azzal még további munkát tudunk végezni.
Miben más ez, mint a http://hu.wikipedia.org/wiki/Szerves_Rankine-ciklus (=ORC) ? A lényegében:
- ORC: A folyékony halmazállapotú munkaközeget egy szivattyú az elpárologtatóba nyomja, ahol állandó nyomáson elgőzölög, a gőzt gőzturbinába vezetik
- nálunk szakaszolás van (=zárt tartálynak felel meg), az elpárologtatás során nyomásnövekedés kívánatos
- ORC: "a folyadék kondenzálódását el lehessen kerülni az expanzió végén" ...
- pont akkor tudunk jó gépet csinálni, ha az expanzió során minél többet kondenzáltatunk
- ORC: "A gőzturbinában erős eróziót okoz a kicsapódó folyadékcseppek ütközése a lapáttal."
- => ez alighanem igaz, ezért a dugattyús gép alkalmasabb lehet, esetleg a TeslaTurbina
Megvalósítás - kiindulási készülék
- klíma kompresszor
- általában 28bar-ig problémamentes, 40 bar felett aligha használható. CO2-vel a kenés gond lehet
- dízel motor 1,2 vagy 4 hengeres ?
- a hengerfej tömítés bírja a strapát, de a "szívósor"-tömítés 40bar-nál problémás
- egyéb kész cucc
- saját készítésû, pl. RadiálDugattyúsMotor
Természetesen a munkaközeg és nyomáshatárok megválasztása nagyban befolyásolja, hogy melyikkel mennyi átalakítás kell. Alighanem valamilyen szakaszoló-szeleprendszert kell csinálnunk.
Angolul (lényegében ugyanez, de több információt tartalmaz, olvassátok el azt is): LowBoilingPointSteamEngine
www.ideje.hu/papers/ThermoCycle/ (3 nem független cikk, 3 pdf-ben tettem fel.)
A fenti etilénes "módosított Rankine" ennek a leegyszerűsített párja (az alighanem jobb), de már ott is nehéz végeredményt mondani. Ehhez még sokkal pontosabb mérési adatok kellenek.
Egy olyan kétfázisú (folyadék + gáz) körfolyamatot mutat be, amiben, a Carnot-ciklussal ellentétben állítólag a termikus energia közel 100%-a mechanikus energiává alakítható ! Ez szinte hihetetlen. Persze annak is lehet oka, hogy jól belénk verik az egyfázisú folyamatra vonatkozó korlátokat, és aztán gyakran elfelejtkezünk az érvényességi körrõl.
Egy gondolatkísérlet (a cikkben nem ez van, de ezen is érdemes elgondolkodni, modellt alkotni, számolgatni, mérni ):
- GazMotor (vagy diesel, amik 50%-ot is meghaladják bizonyos alkalmazásokban, pláne tengerjáró hajókon)
- a kipufogógáza (EGT) 150C-nél magasabb, ezért lehet vele hajtani GozTurbina ill. TeslaTurbina
- aminek a kondenzátorával (és az 1 kipufogógázának még a 2. után megmaradt hõjével) lehet forralni mondjuk ammóniát. Azzal lehet hajtani ammónia alapú "gõzturbinát"
- stb... (ammóniánál kisebb forráspontú anyaggal)
- a végén még az egész kis delta-T -vel lehet hajtani StirlingMotor-t.
Végül elég jó hatásfokkal mechanikus munkává alakítottuk a gáz hõjét. (Mi lehet a tényleges elvi határ ??) A csel az volt, hogy mivel kétfázisú folyamatokat használtunk (ráadásul többet is), az egyfázisú folyamatra vonatkozó hatásfok-korlát erre így közvetlenül nem vonatkozik. És ha figyelembe vesszük, hogy hõszivattyút igen jót tudunk készíteni, érdekes alkalmazások is szóba jöhetnek. A termodinamika 2. fõtételére nem vennék mérget, és ezt másnak sem javaslom.
Ha esetleg igaz, ami a cikkben van, nagy a jelentõsége (pláne, ha figyelembe vesszük, hogy egységnyi mechanikus energia - szokásos szoba és külvilág körülmények között - kb 6 egységnyi hõenergia szivattyúzásához elég).
De ha elvileg megvalósítható is, a gyakorlatban nem biztos, hogy gazdaságos. Más, pl. endoterm folyamattal (ami 1J rendezetlen hőt 1 J rendezettebb energiává, kémiai energiává alakít) is nehézkes gazdaságos készüléket készíteni.
Nagyon szellemes megoldásnak látszik, de még nem tudtam olyan mélységben megérteni, hogy érdemben nyilatkozzam róla (pl. lehet, hogy valami hiba van benne).
A folyamat nem túl bonyolult. A szelepek A-B-C-D... úgy vannak elnevezve, amilyen sorrendben a folyamatban részt vesznek (egy kisebb elírást leszámítva).
Tennivalók:
- lefordítani (én speciel jobban tudok magyarul gondolkodni, mint angolul, pedig az angolt is napmintnap használom)
- a ciklust ellenõrizni
- szerencsére (ellentétben a ferromágneses anyagokból + tekercsekbõl kialakított körökkel) ez elég jól modellezhetõ, ismerjük az átmeneteket. Azért elég fáradtságos a dolog, és jó mérnöki érzék kell hozzá (nemcsak fizikusi tudás)
- ....
A kimondott trükk az, hogy ADIABATIKUS EXPANZIÓ-val hûti vissza a közeget. Más szóval sehol nem ad le hõt a környezetének, csak mechanikus munkát (ezért mondja, hogy a teljes energiát mechanikus munkává alakítja). Amit érdemes végiggondolni, mint lehetséges buktatót: lehetséges, hogy igaz az állítás, hogy 0-nál nagyobb munkát végez, de
- vagy minden lépésben növelni kellene a munkateret (ami a végtelenségig nem megy)
- vagy minden lépésben kisebb energiacsomagot tud mechanikus munkává alakítani, amik összege véges
- vagy valami más gond lép fel (ez kevéssé valószínû, de ne zárjuk ki)
jó lenne, ha valaki modellezné számítógéppel. Ha a fenti a gond, az hamar kiderülne (kivéve persze a 3. amit csak méréssel lehet kizárni).
EnergiaEloadas -ben elmondom a folyamatot, de akkor még nem tudtam, hol van benne a trükk. Pl. az 5 és 7 tartályok nagyok (gáz belevezetése nem változtatja meg a nyomásukat), míg a 6 tartály pici: gáz kivételekor nyomása nagymértékben csökken !
Vegyes linkek, amiket Marek Tibor ajánlott (hozzáértõ), hogy ezeket érdemes lenne alaposabban vizsgálni
