МПК F 01 B 17/00

F 01 D 1/00

F 01 K 3/00, 7/00, 19/00, 25/10

СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОТЫ В РАБОТУ

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к энергетике, конкретно к преобразованию теплоты в

работу. Может быть использовано при создании экономичных экологически чистых

тепловых двигателей, например для электростанций или транспортных устройств.

Известен способ преобразования теплоты в работу. Этот способ включает сжигание

топлива, расширение рабочего тела (продуктов сгорания) в расширительной машине с

выполнением механической работы и выхлоп рабочего тела в окружающую среду

(теплоприемник-термостат) [1, с. 109117]. Недостаток способа заключается в

применении топлива, поскольку это делает тепловой двигатель зависимым от его

наличия, качества и регулярности поставок. Кроме того, сжигание топлива приводит к

загрязнению окружающей среды, уменьшению надежности и срока службы двигателя.

Наиболее близок к заявляемому способу преобразования теплоты в работу способ,

выбранный в качестве прототипа [1, с. 118]; [2, с. 281, 282, 293-296]; [3, с. 159-167].

Способ-прототип включает в себя подвод теплоты1 к рабочему телу от теплоотдатчика

(например, нагретых поверхностей теплообменника), расширение рабочего тела в

расширительной машине, с преобразованием части подведенной к нему теплоты в

механическую работу и возврат рабочего тела в исходное состояние за счет отвода от

него неиспользованной внутренней энергии и связанной с ней энтропии в равновесную

окружающую среду в форме теплоты при температуре, равной или близкой к

температуре окружающей среды (путем теплообмена или теплового излучения) без

выхлопа рабочего тела. Конкретным примером реализации этого способа служит

конденсационный цикл Ранкина [1, c. 117-122]. В этом цикле жидкое рабочее тело

(например, воду) вначале подают под давлением в теплоотдатчик (парогенератор), где

производят полное испарение жидкости и перегрев полученного пара за счет подводимой

от теплоотдатчика теплоты. Вместе с этой теплотой рабочее тело приобретает энтальпию

в период теплового контакта с теплоотдатчиком. Вместе с энтальпией рабочему телу от

теплоотдатчика передается и энтропия. Затем газообразное рабочее тело направляют в

расширительную машину (например, паровую турбину), где оно адиабатно

(изоэнтропно) расширяется с выполнением механической работы и охлаждается,

оставаясь при этом в газообразном состоянии (обычно в виде насыщенного пара). С

выхода расширительной машины отработавшее рабочее тело поступает в конденсатор

(теплообменник). Здесь посредством охлаждающего агента (обычно воды) от рабочего

тела отводят в окружающую среду избыточную по сравнению с его исходным (жидким)

1 Здесь и далее значения теплоты, механической работы, энтальпии, энтропии и т.д.

принимаются удельными, то есть отнесенными к 1 кг массы рабочего тела. (Прим. авт.).

2

состоянием внутреннюю энергию, равную по порядку величины удельной энергии

конденсации рабочего тела (условимся называть ее сбросной энергией) и связанную с

ней энтропию (сбросную энтропию). Эта энтропия слагается из энтропии, полученной

рабочим телом с теплотой, подведенной к нему в теплоотдатчике, а также энтропии,

образующейся в самом двигателе вследствие протекающих в нем необратимых

процессов. Таким образом, сбросная энтропия в прототипе отводится в форме теплоты,

равной по порядку величины удельной теплоте конденсации рабочего тела, при низшей

температуре цикла (как правило, близкой к температуре окружающей среды). При этом

рабочее тело полностью конденсируется в жидкость (переходит в исходное состояние) и

термодинамический цикл замыкается.

Главное достоинство прототипа заключается в том, что для его осуществления

можно использовать альтернативные сжиганию химического или ядерного топлива

источники энергии, например, лучистую энергию Солнца, геотермическую энергию.

Другое достоинство прототипа состоит в том, что рабочее тело не расходуется, а

циркулирует по замкнутому контуру, периодически изменяя свое термодинамическое

состояние. Указанное обстоятельство приобретает большое значение в тех случаях, когда

рабочее тело дорого, дефицитно, взрыво - или пожароопасно (примеры таких рабочих

тел гелий, неон, водород). Вместе с тем прототип обладает и существенным

недостатком. Последний заключается в том, что рассмотренный цикл невозможно

использовать для непрерывного преобразования теплоты в работу, если температура

теплоотдатчика близка или равна температуре равновесной окружающей среды

(например, атмосферы или естественных водоемов). Указанный недостаток обусловлен

тем, что в прототипе сбросная энергия и сбросная энтропия отводятся в окружающую

среду в форме потока теплоты. Дело в том, что в соответствии со вторым началом

термодинамики теплота не может самопроизвольно переходить от менее нагретого тела к

телу более нагретому [1, с. 33]. Как известно, для переноса теплоты с более низкого

уровня температуры на более высокий уровень, требуется холодильная машина. К этой

машине нужно подводить энергию извне (в данном случае от расширительной машины

двигателя). Но по второму закону термодинамики отвод холодильной машиной теплоты

с низкого температурного уровня на уровень окружающей среды потребует большей

энергии, чем ее может дать расширительная машина для того же интервала температур.

В результате полезная работа цикла будет отрицательной. Поэтому прототип

невозможно использовать для создания первичных двигателей, работающих за счет

охлаждения равновесной окружающей среды.

Обоснуем, какими факторами обусловливается работоспособность тепловых

двигателей. Работоспособность любого теплового двигателя определяется двумя

основными условиями: 1) термодинамический цикл двигателя должен быть замкнутым;

2) работа, отбираемая с вала двигателя на замыкание термодинамического цикла и

прочие собственные нужды, должна быть меньше работы, получаемой в этом цикле.

Необходимым и достаточным условием замкнутости термодинамического цикла служит

отдача равновесной окружающей среде 1) избыточной внутренней энергии,

содержащейся в отработавшем рабочем теле двигателя (необходимое условие

работоспособности теплового двигателя); 2) связанной с этой энергией энтропии

(достаточное условие работоспособности двигателя). Подчеркнем, что достаточным

условием замкнутости термодинамического цикла служит отдача в окружающую среду

именно энтропии (см. данное выше определение), а не просто энергии. Если сбросная

3

энтропия отведена от рабочего тела, то цикл двигателя всегда замыкается. В противном

случае замкнуть цикл не удается в принципе. С точки зрения физики последнее

объясняется тем, что замыкание цикла всегда связано со сжатием отработавшего

рабочего тела до исходного термодинамического состояния в изотермическом

процессе, то есть при постоянной температуре, равной ее исходному (низшему)

значению. В термодинамике доказывается, что это как раз и означает отвод от рабочего

тела всей полученной им за цикл энтропии. По указанной причине сбросную энтропию

невозможно отвести только за счет работы расширения рабочего тела (механическая

работа есть безэнтропийная форма энергии). Другими словами, в принципе нельзя

замкнуть цикл теплового двигателя, располагая лишь теплоотдатчиком, рабочим телом

и расширительной машиной. Надо еще иметь возможность (и устройство) для

изотермического сжатия отработавшего рабочего тела.

Как уже говорилось, выполнение первого условия замыкания термодинамического

цикла необходимо, но еще недостаточно для обеспечения работоспособности двигателя.

Дело в том, что замыкание термодинамического цикла в общем случае требует затрат

энергии. Эта энергия снимается с вала двигателя, уменьшая работу, передаваемую

внешнему потребителю. Кроме того, часть энергии отбирается с вала двигателя на

собственные нужды последнего (привод жидкостного насоса, компрессора и т.д.). Если

эта суммарная энергия равна или превышает располагаемую работу цикла (работу,

получаемую в расширительной машине), то двигатель не сможет работать, несмотря на

то, что сбросная энтропия отведена в окружающую среду в изотермическом процессе

при низшей температуре цикла. Именно поэтому работоспособность теплового

двигателя определяется одновременно обоими указанными выше условиями.

Из первого условия вытекает, что термодинамический цикл любого теплового

двигателя можно замкнуть только при помощи энтропийных форм энергии. Как следует

из названия, энергообмен между телами в этом случае сопровождается переносом

энтропии. Конкретными примерами форм энергии, посредством которых

осуществляется энергообмен с передачей между телами энтропии, служат тепловое

излучение, люминесценция, широкополосное акустическое излучение и, разумеется,

теплота. Отсюда видно, что теплота есть всего лишь частный случай энергообмена,

сопровождающегося передачей энтропии. Следовательно, замыкание

термодинамических циклов тепловых двигателей совсем не обязательно осуществлять

посредством теплоты. Другими словами можно сказать так: хотя по определению

энергия (и энтропия) к тепловому двигателю подводится в форме теплоты, отсюда вовсе

не следует логически, что сбросная энергия (и энтропия) также должна отводиться в

окружающую среду исключительно в виде теплоты (или теплового излучения). Можно

сказать еще и так: второе начало термодинамики не налагает запрета или ограничения

на то, посредством какой формы энергии сбросная энтропия должна быть отведена в

окружающую среду в изотермическом процессе сжатия отработавшего рабочего тела

при низшей температуре цикла. Единственным условием при этом служит только

требование, чтобы эта форма энергии была энтропийной (то есть была способна

переносить энтропию в процессе энергообмена с окружающей средой)

С учетом изложенного, в дальнейшем под замыканием термодинамического цикла

будем понимать возврат отработавшего рабочего тела в исходное состояние за счет

отвода от него в окружающую среду не только сбросной энергии, но также и сбросной

энтропии, осуществляемой в изотермическом процессе его сжатия при низшей

4

температуре цикла. Для упрощения дальнейшего изложения будем говорить только о

сбросной энергии, понимая под этим термином, что речь обязательно идет также и о

сбросной энтропии.

Задача изобретения заключается в изыскании такого способа замыкания

термодинамического цикла, в котором отдача отработавшим рабочим телом сбросной

энергии окружающей среде путем изотермического сжатия этого тела при низшей

температуре цикла осуществлялась бы в форме, отличной от теплоты. При этом энергия,

отбираемая от вала двигателя на осуществление этого процесса должна быть меньше

располагаемой работы цикла. Это даст возможность отводить сбросную энергию в

равновесную окружающую среду от отработавшего рабочего тела при низшей

(исходной) температуре цикла, меньшей температуры упомянутой среды. Так как, по

условию, на осуществление указанного процесса должна затрачиваться работа меньшая

той, которую дает расширительная машина, то это, в свою очередь, должно позволить

непрерывно получать полезную работу путем охлаждения равновесной окружающей

среды (например, атмосферы или естественных водоемов).

Поставленная задача решается тем, что в способе преобразования теплоты в работу,

включающем подвод теплоты к рабочему телу от теплоотдатчика, расширение рабочего

тела в расширительной машине с преобразованием части подведенной теплоты в

механическую работу и замыкание термодинамического цикла путем отвода от

отработавшего рабочего тела в окружающую среду сбросной энергии изотермическим

сжатием последнего при низшей температуре цикла, изотермичность сжатия

отработавшего рабочего тела достигается: 1) торможением молекул отработавшего

рабочего тела (охлаждением последнего) путем генерации молекулами нетеплового

энтропийного излучения, получаемого за счет ввода отработавшего рабочего тела в

одноступенчатую или многоступенчатую вихревую трубу, стенки которой прозрачны для

электромагнитного излучения в широком диапазоне спектра (например, от дальнего

инфракрасного диапазона до “мягкого” ультрафиолетового); 2) торможением молекул

отработавшего рабочего тела (охлаждением последнего) путем генерации ими

нетеплового энтропийного излучения за счет подводимого извне безэнтропийного

излучения (например, луча лазера); 3) переводом потока отработавшего рабочего тела

при низшей температуре цикла в пульсационный режим и торможением молекул

отработавшего рабочего тела (охлаждением последнего) путем генерации молекулами

нетеплового энтропийного излучения в одноступенчатом или многоступенчатом

диэлектрическом дросселе.

Сравнение предложенного способа преобразования теплоты в работу не только с

прототипом, но и с другими техническими решениями и объектами не выявило в них

такой же совокупности признаков, которая отличает заявляемое решение от прототипа.

При этом именно такая совокупность признаков необходима и достаточна и позволит

получить новый технический результат, заключающийся в возможности непрерывного

преобразования в механическую работу теплоты, отбираемой от равновесной

окружающей среды (например, атмосферы). Это дает основание для вывода о

соответствии указанного способа критериям изобретения.

Рассмотрим последовательно все три упомянутые выше варианта изотермического

сжатия отработавшего рабочего тела.

Отметим, прежде всего, что для всех вариантов минимальная температура цикла

(температура рабочего тела в исходном состоянии) должна быть ниже температуры

5

окружающей среды на достаточную величину. Практически это проще всего достигается

применением низкокипящих (криогенных) рабочих тел (жидкого азота, жидкого гелия и

т.д.), заливаемых в двигатель перед первым запуском последнего и в дальнейшем

циркулирующих в нем без выхлопа в атмосферу.

Технически замыкание цикла теплового двигателя при температуре меньшей

температуры окружающей среды путем ввода отработавшего рабочего тела в вихревую

трубу с электромагнитно прозрачными стенками можно осуществить объединением двух

процессов. 1) процесса внешнего охлаждения молекул отработавшего рабочего тела

путем ввода его в вихревую трубу с электромагнитно прозрачными стенками; 2)

адиабатного сжатия отработавшего рабочего тела (например, в многоступенчатом

турбокомпрессоре). Подача в вихревую трубу отработавшего рабочего тела приводит,

как уже говорилось, к его внешнему охлаждению (то есть к охлаждению с отдачей

сбросной энергии и сбросной энтропии в окружающую среду при низшей (криогенной)

температуре цикла), а сжатие в компрессоре к уменьшению объема и нагреву рабочего

тела. При соответствующе подобранной интенсивности внешнего охлаждения

отработавшего рабочего тела в вихревой трубе и его адиабатного нагрева в компрессоре

процесс сжатия упомянутого рабочего тела будет в целом протекать изотермически при

низшей температуре цикла. Очевидно, что такой комбинированный метод замыкания

термодинамического цикла в целом представляет собой аналог охлаждения

теплообменом. В самом деле, энтропия рабочего тела при совместном протекании

процессов адиабатного сжатия (нагрева) отработавшего рабочего тела в компрессоре и

его внешнего охлаждения в вихревой трубе с электромагнитно прозрачными стенками

всегда уменьшается.

Сущность предложенного способа поясняется простейшей схемой теплового

двигателя, для которого теплоотдатчиком служит атмосфера (T10=Tо.с.~293 К), а рабочее

тело в исходном состоянии (при наименьшей температуре цикла) представляет собой

криогенную жидкость. Простейшая схема двигателя представлена на фиг. 1. Здесь 1

питательная емкость (ПЕ) криостат с криогенной жидкостью (например, жидким

гелием), имеющей температуру T20= 4,2 К<T10; 2 питательный жидкостный насос (ПН);

3 теплообменник-нагреватель (ТН); 4 расширительная машина (РМ); 5 адиабатный

многоступенчатый компрессор (МК), 6 многоступенчатая вихревая труба с

электромагнитно прозрачными стенками; 7 сепараторы, 8 вакуумный насос (ВН).

Двигатель работает следующим образом. Перед запуском двигателя над зеркалом

жидкости в питательной емкости создают откачкой давление p20, равное давлению

насыщенных паров жидкости, и доводят температуру жидкости до исходного значения

T20<T10. При этом энтальпия и энтропия жидкости приобретают исходные значения H20,

S20. Запуск двигателя производят от внешнего привода (не показан). При запуске

двигателя рабочее тело отбирают из питательной емкости 1 питательным насосом 2 и с

секундным массовым расходом mс под давлением p1>p20 ~ 15 20 МПа подают в

теплообменник-нагреватель 3, где жидкость за счет теплоты Q1, отбираемой из

окружающей среды, испаряется и нагревается при постоянном давлении p1 до

температуры T1. При этом энтальпия рабочего тела возрастает от исходного значения H20

до H1=H20+Q1. В зависимости от значений mс и p1, а также типа рабочего тела в качестве

ПН может быть использован одно- или многоступенчатый центробежный, осевой или

иной подходящий тип насоса [4 12, с. 155203]. Вместе с теплотой Q1 рабочему телу

передается от теплоотдатчика энтропия S1. Отметим, что T1<T10 вследствие конечности

6

площади поверхности теплообмена ТН. Отметим также, что в качестве ТН могут быть

использованы рекуперативные теплообменники, применяемые в криогенной технике,

например змеевиковые, витые или пластинчато-ребристые [5 13, с. 3842]. Газообразное

рабочее тело, имеющее параметры p1, T1, H1, S1, направляют в расширительную машину

4, где оно адиабатно расширяется до давления p2<p20 и охлаждается до температуры T2,

равной в пределе исходной температуре цикла, то есть T2=T20. На практике, как правило,

T2>T20, так что отработавшее рабочее тело будет находиться в состоянии сухого

(насыщенного или ненасыщенного) пара. Отметим, что в качестве РМ могут

применяться криогенные детандеры, причем как объемного действия (поршневые) [6, с.

352417], так и ротационные (турбины) [6, с. 417471]. Можно также применять РМ в

виде комбинации обычной поршневой или ротационной машины (первый каскад) и

криогенного детандера (второй каскад). Выбор той или иной конструкции РМ

определяется мощностью двигателя, значениями температур теплоотдатчика и рабочего

тела в исходном состоянии, типом рабочего тела, областью применения двигателя и т.д.

В процессе адиабатного расширения энтальпия рабочего тела снижается от H1 до H2>

H20. В РМ рабочее тело выполняет механическую работу [1, с. 118]

A = H1 H2. (1)

Наличие внутренних потерь и паразитных теплопритоков из окружающей среды

увеличивает энтропию рабочего тела, поэтому на выходе из РМ ее приращение равно

S2 = S1+Sдв., (2)

где Sдв. = SТН+SРМ+ Sq суммарное приращение энтропии в отработавшем

рабочем теле двигателя, вызванное различного рода необратимостями в его элементах (в

том числе паразитными теплопритоками из окружающей среды). SТН, SРМ

приращения энтропии рабочего тела в теплообменнике-нагревателе и расширительной

машине; Sq приращение энтропии рабочего тела в прочих элементах двигателя. Так

как по условию внутрицикловая регенерация теплоты в двигателе не предусмотрена

(рассматривается простейший вариант двигателя), то рабочее тело на выходе из РМ

будет находиться, как ужу говорилось, в состоянии сухого насыщенного или

ненасыщенного пара. После РМ отработавшее рабочее тело направляют сначала в

соответствующую ступень вихревой трубы 6 с электромагнитно прозрачными стенками,

а затем в соответствующую ступень адиабатного компрессора 5, посредством которого

осуществляют адиабатическое сжатие пара до исходного давления p20 и, в конечном

счете, его полную конденсацию (ожижение).

Рассмотрим подробнее процесс перевода отработавшего рабочего тела в исходное

состояние. Отработавшее рабочее тело, имеющее давление в конце процесса расширения

в РМ 1,5 2 МПа, направляют вначале в первую ступень вихревой трубы с

электромагнитно прозрачными стенками. В этой ступени вихревой трубы температура

рабочего тела снижается, опускаясь ниже низшей температуры цикла. Снижение

температуры отработавшего рабочего тела обусловлено возбуждением в нем

энтропийного нетеплового излучения, которое через электромагнитно прозрачные

стенки вихревой трубы свободно уходит в окружающую среду при температуре порядка

низшей температуры цикла. Часть рабочего тела при этом сжижается. После вихревой

7

трубы рабочее тело, находящееся в двухфазном состоянии, поступает в первую ступень

сепаратора 7. В сепараторе конденсат отводят в ПЕ, а газообразную фазу направляют в

первую ступень МК. В первой ступени компрессора газ адиабатно сжимается. При этом

он нагревается до температуры выше низшей температуры цикла на такое же значение,

на какое он охладился в первой ступени вихревой трубы. Кроме того, повышается и

давление газа до значения, которое он имел на входе в первую ступень вихревой трубы.

Затем оставшаяся часть газообразного отработавшего рабочего тела поступает во вторую

ступень вихревой трубы, и все процессы повторяются так, как было описано выше.

Пройдя последовательно n ступеней вихревой трубы, сепаратора и адиабатного

компрессора, отработавшее рабочее тело полностью конденсируется в эквивалентном

изотермическом процессе. Имеется в виду, что в описанном выше процессе температура

отработавшего рабочего тела равна в среднем низшей температуре термодинамического

цикла. При этом оно переходит в исходное термодинамическое состояние при исходной

(низшей) температуре цикла. В результате термодинамический цикл двигателя

замыкается.

Как уже говорилось, рассмотренный способ возбуждения в отработавшем рабочем

теле энтропийного нетеплового излучения заключается в том, что его направляют в

одноступенчатую или многоступенчатую вихревую трубу Ранка [7] [9]. Существенно

то, что для стимулирования выхода нетеплового энтропийного излучения в окружающую

среду, стенки вихревой трубы сделаны из материала, который прозрачен для

электромагнитного излучения в широком диапазоне спектра (от дальнего инфракрасного

диапазона до ”мягкого” ультрафиолетового диапазона). Отметим, что таким материалом

может быть, например, кварцевое стекло. В вихревой трубе [1 37]; [2 38, с. 232235]

молекулы газа участвуют в сложных вихревых турбулентных движениях [3 39, 4 40],

сопровождающихся их интенсивным взаимодействием (соударениями). Известно, что

соударения молекул могут приводить к возбуждению их вращательных и колебательных

энергетических уровней. В результате, при обратных переходах возбужденных молекул в

основное энергетическое состояние возникает энтропийное нетепловое излучение.

Теоретически показано [7 18, с. 364], что это излучение должно иметь полосовой спектр

в длинноволновой части инфракрасного диапазона. Именно такое излучение и было

экспериментально зафиксировано [8 41, с. 1773, 1776] в вихревом охладителе,

представляющем собой усовершенствованную вихревую трубу Ранка. В качестве

рабочего тела использовался воздух. Помимо упомянутого СВЧ-излучения, на

определенных режимах наблюдалось оптическое излучение голубого цвета, исходящее

из отверстия в мембране, откуда из трубы поступал холодный сжиженный поток воздуха

[8 41, с. 1773]. При входной температуре газа 140 К и входном давлении 1,52 МПа в

одноступенчатом вихревом охладителе сжижалось до 80 % поступающего в него воздуха

[8 41, с. 1776], причем максимальный коэффициент сжижения имел место именно в том

режиме, где наблюдалось указанное излучение [8 41, с. 1773]. Кроме того, в этом режиме

наблюдалось максимальное отклонение от уравнения Хилша, описывающее баланс

энергии в вихревых трубах. Все эти явления можно объяснить уносом энтропии вместе с

нетепловым излучением в окружающую среду. Вместе с тем выход нетеплового

излучения был относительно невелик. Это объяснялось тем, что стенки вихревой трубы

были металлическими, то есть непрозрачными для электромагнитного излучения.

Отметим, что изготовление вихревой трубы с электромагнитно прозрачными стенками

позволит значительно увеличить выход энтропийного нетеплового излучения из

8

отработавшего рабочего тела в окружающую среду и соответственно усилить эффект

охлаждения этого тела в упомянутой трубе. Наконец, в этом же режиме наблюдались

одинаковые значения температуры с обоих торцов трубы (со стороны мембраны, откуда,

обычно, исходит холодный поток, и со стороны диффузора, откуда, обычно выходит

поток нагретый). Упомянутые выше высокие значения коэффициента сжижения

достигались вследствие того, что подаваемый в вихревую трубу воздух предварительно

охлаждался жидким азотом в теплообменнике до 140 К [8 41, С. 1772]. При отсутствии

теплообменника коэффициент сжижения вихревого охладителя уменьшается примерно

вдвое [9 42, с. 69]. Непосредственным расчетом можно показать, что применение

одноступенчатого вихревого охладителя в сочетании с внутрицикловой регенерацией

теплоты позволяет замкнуть термодинамический цикл рассматриваемого двигателя и

сделать его работоспособным. Достоинства вихревой трубы как генератора

энтропийного нетеплового излучения техническая простота, высокие надежность и

ресурс, независимость эффекта охлаждения от секундного расхода рабочего тела.

Следовательно, метод генерации энтропийного нетеплового излучения при помощи

вихревой трубы перспективен как для двигателей большой мощности, так и для

двигателей малой мощности (вследствие независимости эффекта охлаждения

отработавшего рабочего тела от его секундной подачи). Один из основных недостатков

вихревой трубы уменьшение эффективности охлаждения (и соответственно

коэффициента сжижения) рабочего тела с понижением температуры последнего на входе

указанной трубы (температуры T2) [10 43]. Повышение эффективности охлаждения

рабочего тела в вихревой трубе при этих условиях может быть достигнуто, например,

использованием каскадного или многоступенчатого вихревого охладителя [1 37, с.

109113], раскруткой холодного потока [1 37, с. 99, 100], различных методов

стимулирования нетеплового излучения в нем и т.д.

Рассмотрим теперь второй вариант замыкания термодинамического цикла

теплового двигателя, который работает за счет потока теплоты, отбираемой им от

равновесной окружающей среды (например, атмосферы или естественных водоемов). В

этом варианте торможение молекул отработавшего рабочего тела путем генерации ими

нетеплового энтропийного излучения может быть осуществлено за счет подводимого

извне к этому рабочему телу безэнтропийного излучения, например, луча лазера.

(лазерного охлаждения) [11 413 6]. Замыкание термодинамических циклов при

использовании лазерного охлаждения состоит в следующем. Отработавшее рабочее тело

(например, пар) подвергают воздействию лазерного излучения, которое практически

безэнтропийно вследствие высоких когерентности (синфазности колебаний лазерных

фотонов), монохроматичности (одинаковости частоты последних) и коллимированности

(нерасходимости) лазерного луча. Взаимодействие лазерных фотонов с молекулами

рабочего тела приводит к тому, что упомянутые молекулы замедляются, хаотически

испуская в произвольных направлениях фотоны люминесценции различной энергии

(частоты). Поэтому выходящее из двигателя результирующее излучение становится

некогерентным, немонохроматическим и рассеянным, то есть приобретает энтропию, и

на такую же величину утрачивает энтропию, а значит, охлаждается отработавшее

рабочее тело. Приведенными ниже конкретными расчетами показано, что таким

способом удастся отнять от отработавшего рабочего тела всю сбросную энтропию,

причем затраты энергии на лазерное охлаждение при определенных условиях могут быть

меньше располагаемой работы цикла (механической работы, получаемой в

9

расширительной машине) даже в том случае, если теплоотдатчиком служит равновесная

окружающая среда (например, атмосфера). При этом, как уже говорилось, минимальная

температура цикла (температура рабочего тела в исходном состоянии) должна быть ниже

температуры окружающей среды на достаточную величину.

Таким образом, применение лазерного охлаждения отработавшего рабочего тела,

как будет показано ниже, позволит замкнуть термодинамический цикл двигателя даже в

том случае, если теплоотдатчиком служит равновесная окружающая среда. А это, в свою

очередь, сделает возможным создание первичного теплового двигателя, работающего за

счет охлаждения упомянутой среды без нарушения второго начала термодинамики и

прочих законов природы.

Рассмотрим физический механизм лазерного охлаждения. Лазерный свет действует

как вязкая жидкость, так называемая “оптическая патока”, в которой атомы и молекулы

замедляются. В основе этого явления лежит механическое действие света на вещество.

Механическую силу, с которой свет действует на атомы и молекулы (для определенности

будем говорить только об атомах) можно умозрительно разделить на две составляющие.

Одну называют давлением света, или силой рассеяния, а другую градиентной, или

дипольной, силой. Четко разграничить эти силы удается только в некоторых простых

случаях. Рассмотрим один из таких случаев. Пусть рабочее тело представляет собой газ,

движущийся с некоторой начальной скоростью и состоящий из не взаимодействующих

между собой (свободных) атомов. Допустим, что навстречу ему направляется лазерный

луч, длина волны которого выбрана так, чтобы энергия лазерного фотона в точности

равнялась разности между энергией атома в основном и первом возбужденных

состояниях (такое излучение называется резонансным). В этих условиях атом,

находящийся в основном состоянии, способен поглотить фотон и перейти в

возбужденное состояние. Поскольку последнее неустойчиво, то атом за время порядка 10

нс возвращается в исходное состояние с испусканием в произвольном направлении

другого фотона, называемого фотоном люминесценции. После этого атом может

поглотить второй фотон и т.д. Многократное повторение такого процесса и приводит к

замедлению атомов. Действительно, при поглощении каждого лазерного фотона

скорость атома уменьшается на одну и ту же величину, поскольку все эти фотоны

движутся в одном и том же направлении. При испускании же фотонов люминесценции,

поскольку они испускаются в произвольных направлениях, скорость атома в среднем не

меняется. Поэтому каждый цикл "поглощение испускание" для атома можно

рассматривать как "удар", который уменьшает скорость атома на величину, зависящую

только от массы атома и длины волны лазерного фотона. Таким способом можно

значительно понизить скорость хаотического (теплового) движения атомов и

соответственно уменьшить внутреннюю энергию и, главное, энтропию рабочего тела.

Последнее означает, что лазерное охлаждение представляет собой аналог охлаждения

теплообменом в смысле отвода от рабочего тела энтропии.

Описанный выше физический механизм лазерного охлаждения изложен, например,

в работах [11 413 6]; [14 7, с. 241247]; [15 8, с. 6380]; [16 9, с. 1319]; [17 10, с.

1425].

Сущность предложенного способа поясняется примером теплового двигателя, для

которого теплоотдатчиком служит атмосфера (T10=Tо.с.~293 К), а рабочее тело в

исходном состоянии (при наименьшей температуре цикла) представляет собой

криогенную жидкость (например, жидкий гелий). Простейшая схема двигателя

10

представлена на фиг. 1. Здесь 1 питательная емкость (ПЕ) криостат с криогенной

жидкостью (например, жидким гелием), имеющей температуру T20<T10; 2 питательный

насос (ПН); 3 теплообменник-нагреватель (ТН); 4 расширительная машина (РМ); 5

многоступенчатый компрессор (МК); 6 генератор безэнтропийного излучения (ГБИ); 7

вакуумный насос (ВН).

Двигатель работает следующим образом. Перед запуском двигателя над зеркалом

жидкости в питательной емкости создают откачкой давление p20, равное давлению

насыщенных паров жидкости, и доводят температуру жидкости до исходного значения

T20<T10. При этом энтальпия и энтропия жидкости приобретают исходные значения H20,

S20. Запуск двигателя производят от внешнего привода (не показан). При запуске

двигателя рабочее тело отбирают из питательной емкости 1 питательным насосом 2 и с

секундным массовым расходом mс под давлением p1>p20 подают в теплообменник-

нагреватель 3, где жидкость за счет теплоты Q1, отбираемой из окружающей среды,

испаряется и нагревается при постоянном давлении p1 до температуры T1. При этом

энтальпия рабочего тела возрастает от исходного значения H20 до H1=H20+Q1. В

зависимости от значений mс и p1, а также типа рабочего тела в качестве ПН может быть

использован одно- или многоступенчатый центробежный, осевой или иной подходящий

тип насоса [18 12, с. 155203]. Вместе с теплотой Q1 рабочему телу передается от

теплоотдатчика энтропия S1. Отметим, что T1<T10 вследствие конечности площади

поверхности теплообмена ТН. Отметим также, что в качестве ТН могут быть

использованы рекуперативные теплообменники, применяемые в криогенной технике,

например змеевиковые, витые или пластинчато-ребристые [19 13, с. 3842].

Газообразное рабочее тело, имеющее параметры p1, T1, H1, S1, направляют в

расширительную машину 4, где оно адиабатно расширяется до давления p2<p20 и

охлаждается до температуры T2, равной исходной температуре цикла, то есть T2=T20.

Отметим, что в качестве РМ могут применяться криогенные детандеры, причем как

объемного действия (поршневые) [20 14, с. 352417], так и ротационные (турбины) [20

14, с. 417471]. Можно также применять РМ в виде комбинации обычной поршневой или

ротационной машины (первый каскад) и криогенного детандера (второй каскад). Выбор

той или иной конструкции РМ определяется мощностью двигателя, значениями

температур теплоотдатчика и рабочего тела в исходном состоянии, типом рабочего тела,

областью применения двигателя и т.д. В процессе адиабатного расширения энтальпия

рабочего тела снижается от H1 до H2> H20. В РМ рабочее тело выполняет механическую

работу [1, с. 118]

A = H1 H2. (3 1)

Наличие внутренних потерь и паразитных теплопритоков из окружающей среды

увеличивает энтропию рабочего тела, поэтому на выходе из РМ ее приращение равно

S2 = S1+Sдв., (4 2)

где Sдв. = SТН+SРМ+ Sq суммарное приращение энтропии в отработавшем

рабочем теле двигателя, вызванное различного рода необратимостями в его элементах (в

том числе паразитными теплопритоками из окружающей среды); SТН, SРМ

11

приращения энтропии рабочего тела в теплообменнике-нагревателе и расширительной

машине; Sq приращение энтропии рабочего тела в прочих элементах двигателя. Так

как по условию внутрицикловая регенерация теплоты в двигателе не предусмотрена

(рассматривается простейший вариант двигателя), то рабочее тело на выходе из РМ

будет находиться в состоянии сухого ненасыщенного пара. После РМ отработавшее

рабочее тело направляют в изотермический компрессор 5, посредством которого

осуществляют изотермическое (при T=T20=const) сжатие пара до исходного давления p20

и его полную конденсацию (ожижение). Изотермичность сжатия достигается путем

воздействия на сжимаемое рабочее тело безэнтропийного излучения (например, луча

лазера), создаваемого генератором безэнтропийного излучения 6. Для определенности

будем полагать, что роль ГБИ играет лазерная установка (ЛУ). Безэнтропийность

лазерного излучения обусловлена его когерентностью (синфазностью колебаний

лазерных фотонов), монохроматичностью (одинаковостью частоты последних) и

коллимированностью (распространением лазерных фотонов строго в одном направлении,

то есть нерасходимостью лазерного луча). Взаимодействие лазерных фотонов с

молекулами рабочего тела приводит к тому, что упомянутые молекулы замедляются,

хаотично испуская в произвольных направлениях фотоны люминесценции разной

энергии (частоты), а рабочее тело охлаждается. В результате выходящее из двигателя

излучение оказывается некогерентным, немонохроматичным и неколлимированным

(рассеянным), то есть энтропийным, и в такой же степени утрачивает энтропию

отработавшее рабочее тело. Количество ступеней в компрессоре и мощность лазерного

луча выбирают таким образом, чтобы отводимая нетепловым излучением в окружающую

среду энтропия была равна сбросной энтропии S2. При этом условии работа

изотермического сжатия окажется равной Aиз.=T20S2, вследствие чего будет

происходить полная конденсация пара, то есть замыкание термодинамического цикла.

Для компенсации паразитных теплопритоков в двигатель из окружающей среды

предусмотрен вакуумный насос (ВН) 7. Последний производит непрерывную откачку

паров рабочего тела из питательной емкости (откачиваемый из ПЕ пар имеет на входе в

ВН параметры T20, p20, H20п, S20п, где H20п, S20п энтальпия и энтропия пара). В

результате в питательной емкости поддерживается заданная температура T20, а над

зеркалом жидкости заданное давление p20. В зависимости от соотношения между

давлениями p20 и p2 откачиваемый из ПЕ пар подают на вход или промежуточную

ступень ИК и производят его сжижение в последнем. Для определенности примем, что

пар из ПЕ подается на вход ИК. В этом случае секундная подача рабочего тела в ИК

будет равна mсп=mс+mспПЕ

, где mспПЕ

секундная подача в ИК пара, откачиваемого из

ПЕ. Отметим, что современные методы и средства теплоизоляции позволяют

существенно уменьшить паразитные теплопритоки в двигатель [19 13, с. 275283]. Это

позволяет сделать секундную подачу mспПЕ

существенно меньше секундной подачи mсп.

Последнее означает, что количеством паров, поступающих из ПЕ в ИК, можно

пренебречь. Таким образом, допустимо считать в первом приближении, что mсп ~ mс.

Отметим также, что в качестве вакуумного насоса может быть использован, например,

турбомолекулярный вакуумный насос [21 15, с. 85, 8792, 129134] или агрегат,

состоящий из турбомолекулярного насоса (первый каскад) и многоступенчатого осевого

(или центробежного) компрессора (второй каскад) [22 16, с. 7289, 193219]. Возможно

сочетание турбомолекулярного (первый каскад) и эжекторного [21 15, с. 115, 116]

(второй каскад) вакуумного насосов, а также другие комбинации откачивающих и

12

нагнетательных устройств, определяемые секундной подачей пара из ПЕ, родом рабочего

тела и т. д.

Полезная работа двигателя описывается выражением

Aп = AAсоб. = эфф.Q1, (5 3)

где эфф.=Aп/Q1 эффективный КПД (коэффициент преобразования энергии, сокращенно

КПЭ [23 21, с. 128131]) двигателя; Aсоб.=AПН+AИК+AГБИ работа, отбираемая на

собственные нужды двигателя; AПН, AИК, AГБИ работа, отбираемая соответственно

на привод питательного насоса, изотермического компрессора и питание генератора

безэнтропийного излучения (в данном случае лазерной установки).

Поясним смысл терминов "люминесценция", "тепловое излучение" и "нетепловое

излучение". Люминесценцией [24 17, с. 471] называются все виды свечения,

возбуждаемого за счет любого внешнего источника энергии. Все тела помимо теплового

(равновесного) излучения в результате различных внешних воздействий отдают

избыточное излучение, которое не определяется температурой тела.

Тепловым излучением [24 17, с. 217] называется "перенос теплоты с помощью

электромагнитных волн. Это излучение является одним из видов передачи теплоты от

одного тела к другому..., при котором теплообмен между телами происходит путем

испускания и поглощения теплового излучения". Уместно отметить, что элементарные

источники теплового излучения (молекулы или атомы нагретого тела) излучают на

различных частотах, неодновременно и во всех направлениях. Поэтому тепловое

излучение всегда некогерентно, несинфазно и немонохроматично, то есть оно всегда

энтропийно.

Нетепловым излучением [25 18, с. 390] называется "неравновесное

электромагнитное излучение, обусловленное любыми механизмами испускания ..., для

которого нельзя применить понятие температуры при описании спектрального

распределения энергии излучения". Это означает, что нетепловое излучение, в отличие

от теплового (равновесного) излучения не подчиняется закону Стефана-Больцмана

u=T4, Дж/м

3 [26 19, с. 188] (где , Дж/(К

4м

3) постоянная Стефана-Больцмана, T, К

термодинамическая температура). Таким образом, главной характерной особенностью

нетеплового излучения служит то, что его интенсивность не зависит от температуры

источника излучения. Следовательно, источник мощного нетеплового излучения может

иметь температуру ниже температуры окружающей среды, в том числе и близкую к

абсолютному нулю. Другая характерная особенность нетеплового излучения,

отличающая его от излучения теплового, состоит в том, что оно может быть как

энтропийным, так и безэнтропийным, в то время как тепловое излучение всегда

энтропийно. К безэнтропийным видам нетеплового излучения относится, например,

излучение, создаваемое квантовыми генераторами (мазерами, лазерами и т.д.), а к

энтропийным синхротронное излучение [25 18, с. 542-544], излучение газоразрядных

ламп, широкополосное СВЧ-излучение, различные типы люминесценции и т.д.

Покажем, что действие рассматриваемого двигателя не противоречит началам

термодинамики. Начнем с закона сохранения энергии (первого начала термодинамики).

В процессе нагрева от T20 до T1 к рабочему телу подводится теплота Q1=H1H20,

преобразующаяся во внутреннюю энергию последнего. Часть этой энергии

преобразуется в механическую работу A=H1H2 (располагаемую работу цикла), а другая

13

часть ее U2=H2H20=T20S2 отдается окружающей среде при T=T20 в форме

энтропийного нетеплового излучения W2=U2. Таким образом, энергетический баланс в

рассматриваемом двигателе описывается выражением

Q1 = A+U2 = Aп+Aсоб.+W2. (6 4)

Как видно из (6 4), рассматриваемый двигатель удовлетворяет первому началу

термодинамики, поскольку у него есть источник энергии (теплота Q1, отбираемая от

теплоотдатчика, например, атмосферы), часть которой преобразовывается в полезную

работу Aп, часть Aсоб. отвлекается на собственные нужды двигателя, а часть отводится из

последнего в окружающую среду нетепловым излучением W2. На фиг. 3 2 изображена

схема внешних потоков энергии, пересекающих контрольную поверхность

(воображаемую оболочку, окружающую двигатель), а на фиг. 4 3 энергетическая

диаграмма двигателя. Эти рисунки наглядно показывают, что рассматриваемый

двигатель удовлетворяет первому началу термодинамики.

Рассмотрим теперь двигатель на соответствие его второму началу термодинамики.

Напомним, что второе начало выражает закон о существовании энтропии у всякой

равновесной системы и неубывании ее при любых процессах в изолированных и

адиабатно изолированных системах [26 19, с. 45]. Что касается энтропии, то ее

физический смысл применительно к тепловым двигателям может быть выражен

следующим образом. Энтропия есть удельная (отнесенная к единице абсолютной

температуры) энергия, необходимая для того, чтобы после адиабатического процесса в

расширительной машине двигателя, завершающегося при температуре, соответствующей

начальному состоянию, возвратить рабочее тело в это начальное состояние путем его

изотермического сжатия при низшей температуре цикла [27 20, с. 65].

Соотношение приращений энтропии рабочего тела на выходе и входе двигателя, как

уже говорилось, имеет вид:

S2 = S1+Sдв. > S1. (7 5)

Выражение (7 5) показывает, что энтропия, отводимая в окружающую среду, больше

энтропии, поступающей в двигатель от теплоотдатчика (поскольку возрастание энтропии

на Sдв., напомним, обусловлено протекающими в двигателе необратимыми процессами).

Последнее утверждение иллюстрируется энтропийной диаграммой двигателя,

представленной на фиг. 5 4. Таким образом, второе начало термодинамики (закон

неубывания энтропии в изолированных термодинамических системах) в

рассматриваемом двигателе не нарушается.

Выясним, удовлетворяет ли рассматриваемый двигатель началам термодинамики с

точки зрения эксергетического анализа. Для этого определим вначале понятие эксергии и

укажем ее важнейшие особенности.

Эксергия это свойство термодинамической системы или потока энергии,

определяемое (характеризуемое) количеством работы, которая может быть получена

внешним приемником энергии при обратимом взаимодействии с окружающей средой до

установления полного равновесия [28 21, с. 20]. Таким образом, эксергия характеризует

степень, полноту превратимости одних форм энергии в другие. В узком смысле эксергия

понимается, как количественная мера способности термодинамической системы

14

совершить механическую работу. Отметим, что эксергия работы равна самой работе.

Одна из важнейших особенностей эксергии, отличающих ее от энергии способность

исчезать, уничтожаться [28 21, с. 23, 24]. Другая особенность эксергии заключается в

том, что во всех реальных (необратимых) процессах она уменьшается. Отсюда следует,

что "всякое устройство, на выходе которого эксергия больше, чем на входе, представляло

бы собой вечный двигатель 2-го рода" [28 21, с. 119]. При отсутствии разности

термодинамических потенциалов (перепада температур, давлений, концентраций и т. д.)

эксергия равна нулю, то есть соответствующая форма энергии полностью

неработоспособна (пример неработоспособной энергии теплота, отводимая из

тепловых двигателей в окружающую среду при температуре, близкой к температуре

последней). Применительно к рассматриваемому двигателю следует говорить об

эксергии теплоты, подводимой к нему от теплоотдатчика (окружающей среды). Она

определяет максимальное (теоретически возможное) количество механической работы,

которое может быть получено в двигателе из каждого Джоуля подведенной теплоты при

заданных температурах теплоотдатчика и криогенной жидкости. Подчеркнем, что эта

эксергия не равна нулю вследствие наличия конечной разности температур между

теплоотдатчиком и криогенной жидкостью. Поскольку теплоотдатчиком для

рассматриваемого двигателя служит окружающая среда (атмосфера), то в качестве

нулевого уровня эксергии следует принимать рабочее тело в исходном состоянии (то

есть криогенную жидкость в питательной емкости). Отметим также, что все сказанное

выше об эксергии в полной мере относится к излучениям различного типа, в том числе и

к нетепловому (в частности, лазерному) излучению.

Эксергетический баланс двигателя [28 21, с. 118128] в установившемся режиме

дается равенством

E1 = Aп+Aсоб.+E2 = Aп+Aсоб., (8 6)

где E1=Q11 эксергия теплоты, получаемой рабочим телом от теплоотдатчика; E2

эксергия выходящего из двигателя излучения; 1=1T20/T1 эксергетическая

температурная функция [28 21, с. 8, 35]. Отметим, что эксергия Aсоб. замыкается внутри

двигателя, а значит не пересекает контрольную поверхность. С учетом последнего

обстоятельства из (6) следует, что для потоков эксергии, пересекающих контрольную

поверхность, имеет место соотношение

Aп < E1 E2, (9 7)

то есть выходящая из двигателя эксергия всегда будет меньше входящей при условии,

что

E2< E1 Aп. (10 8)

Можно показать, что условие (10 8) в большинстве случаев выполнимо, поскольку

эксергия энтропийного нетеплового излучения, пересекающая контрольную поверхность

двигателя и выходящая в окружающую среду как правило, невелика по сравнению с

эксергией на его входе E1. Таким образом, рассматриваемый двигатель удовлетворяет

началам термодинамики и с точки зрения эксергетического анализа. Это утверждение

иллюстрируется фиг. 6 5 и 7 6, на которых соответственно изображена схема внешних

15

потоков эксергии, пересекающих контрольную поверхность двигателя, и его

эксергетическая диаграмма.

На основании всего изложенного заключаем, что принцип действия

рассматриваемого двигателя (а значит, и предлагаемый способ преобразования теплоты в

работу) не противоречит термодинамике. Однако, как уже указывалось, это еще не

гарантирует работоспособности двигателя, так как может оказаться (такое бывает и при

создании обычных двигателей), что работа, затрачиваемая на собственные нужды, будет

больше располагаемой работы цикла.

В соответствии с (5 3) двигатель будет работоспособен только при выполнении

условия

Aп = AAсоб. > 0. (11 8)

Рассмотрим выражение (11 8). Можно показать (это будет сделано ниже на конкретном

примере), что суммарная работа, отбираемая от расширительной машины на привод

питательного насоса и изотермического компрессора, не превышает 1820 % от

располагаемой работы цикла. Работа, подводимая к вакуум-насосу, также пренебрежимо

мала вследствие малости паразитных теплопритоков в питательную емкость. Поэтому

слагаемые AПН, AИК и AВН не могут играть существенной роли в условии (11 8). С учетом

сказанного последнее можно записать так:

AAГБИ > 0. (12 9)

Таким образом, принципиальное значение для работоспособности рассматриваемого

двигателя (а значит и реализуемости предлагаемого способа преобразования теплоты в

работу) имеет слагаемое AГБИ, то есть работа отбираемая от РМ на питание генератора

безэнтропийного излучения (в рассматриваемом случае на питание лазерной

установки).

Покажем, что работа AГБИ может быть меньше располагаемой работы цикла A. В

соответствии со вторым началом термодинамики в любой холодильной машине

традиционного типа от рабочего тела, находящегося при низкой температуре T20,

отбирается малое количество теплоты Q20, окружающей среде (теплоприемнику-

термостату), находящемуся при более высокой температуре Tо.с.~T1, отдается большая

энергия Q2=Q20+Aвн., где Aвн. работа, подводимая к холодильной машине от внешнего

источника энергии. Предельное охлаждение в такой машине дается выражением

T2Q = T1Q20/Q2. (13 10)

В работе [29 22] показано, что охлаждение рабочего тела можно осуществить путем

воздействия на него высокочастотным резонансным электромагнитным излучением

(излучением накачки). В этом случае от рабочего тела осуществляется отбор энергии W20

и отдача окружающей среде энергии W2=W20+Wн (где Wн~h энергия накачки,

частота излучения накачки, h постоянная Планка) с заимствованием Wн у внешнего

источника энергии. Для холодильной машины, отводящей энергию от охлаждаемого

объекта в форме нетеплового излучения (условимся называть такую холодильную

машину квантовой), предельное охлаждение описывается выражением [29 22, с. 121]

16

T2W = T1W20/W2. (14 11)

Выражение (14 11) справедливо при следующих допущениях [29 22, с.120, 121] : 1)

считается, что рабочее тело и окружающая среда-термостат есть двухуровневые

квантовые системы с разностью энергий =EBEA между двумя состояниями A и B в

рабочем теле и разностью энергий =+h=EDEC между состояниями C и D в

окружающей среде; 2) предполагается, что при наличии высокочастотного поля

становятся возможными переходы B+C↔A+D; 3) предполагается, что вероятность обоих

переходов пропорциональна интенсивности излучения накачки; 4) не учитываются

диссипативные процессы взаимодействия рабочего тела с окружающей средой; 5)

накачка считается достаточно интенсивной для трактовки физических процессов,

протекающих в квантовой холодильной машине, с позиций классической физики.

Приняв, что T2Q=T2W=T20 (обе холодильные машины имеют одинаковую

предельную температуру охлаждения), получим:

W20/W2=Q20/Q2. (15 12)

Равенство (15 12) показывает, что для достижения одинаковой температуры охлаждения

рабочего тела отношение отбираемой от него энергии к энергии, отдаваемой

окружающей среде, должно иметь одно и то же значение как в традиционной, так и в

квантовой холодильной машине. Этого и следовало ожидать, поскольку соотношение (15

12) есть следствие второго начала термодинамики, а последнее справедливо для

холодильных машин любого типа. Однако из (15 12) вовсе не следует логически

равенство между энергиями W20, Q20 и между энергиями W2, Q2. Другими словами, при

выполнении равенства (15 12) в общем случае W20Q20, W2Q2. Естественно поэтому

предположить, что при определенных (и притом вполне реализуемых) условиях могут

иметь место неравенства

W20 < Q20, (16 13)

W2 < Q2. (17 14)

Из (15 12) вытекает, что при выполнении неравенства (16 13) автоматически выполняется

и неравенство (17 14), причем верно и обратное. Таким образом, доказательство

работоспособности двигателя сводится к доказательству реализуемости одного из

неравенств (16 13), (17 14). Для определенности выберем неравенство (16 13). Если

последнее может соблюдаться, то применение в рассматриваемом двигателе квантовой

холодильной машины вместо традиционной будет оправданным, поскольку приведет к

появлению положительной полезной работы (Aп>0), которую можно непрерывно

отдавать внешнему потребителю.

Докажем, что в рассматриваемом двигателе неравенство (16 13) может быть

удовлетворено. По условию, замыкание термодинамического цикла двигателя протекает

изотермически (T=T20=const). В этом случае энтропия, отводимая нетепловым

излучением в окружающую среду, описывается выражением

17

S2 = W2/T20 = (W20+Wн)/T20=Wн(+1)/T20, (18 15)

где

= W20/Wн=T20/(T1T20) (19 16)

холодильный коэффициент, равный отношению энергии нетеплового излучения

рабочего тела W20 (энергии люминесценции) к энергии излучения накачки [1, с. 35, 133;

29 22, с. 121].

Введем условие S2=const и рассмотрим процессы охлаждения и конденсации

рабочего тела при различных уменьшающихся значениях температуры T20. Как видно из

(15) и (16), при выборе меньшего значения T20 будут уменьшаться потребная энергия

накачки Wн (и, как следствие, суммарная энергия нетеплового излучения W2), а также

холодильный коэффициент . Уменьшение свидетельствует о снижении

термодинамической эффективности квантовой холодильной машины по мере

приближения температуры рабочего тела к абсолютному нулю, что находится в полном

согласии с термодинамикой. Так как, по условию, энтропия S2 фиксирована, то в

соответствии с первым равенством (18 15) и выражением (19 16) энергия W2 в

отсутствие паразитных теплопритоков при меньших значениях T20 должна снижаться.

Следовательно, существует критическое значение температуры T20=(T20)кр., ниже

которого имеет место неравенство (16 13). Таким образом, в рассматриваемом двигателе

неравенство (16 13) может быть соблюдено, что и требовалось доказать. Повторяя

рассуждения, аналогичные вышеприведенным, можно показать, что неравенство (16 13)

будет соблюдаться и в случае возрастания энтропии S2 с понижением температуры T20

при условии, что S2 возрастает медленнее, чем 1/T20. Для реальных газов это условие

соблюдается [22 16, с. 255268], поскольку есть следствие третьего начала

термодинамики [19 13, с. 84, 85], что служит дополнительным аргументом в

доказательстве реализуемости неравенства (16 13). Все сказанное означает, что для

отвода в окружающую среду от рабочего тела с температурой T20<(T20)кр. заданного

количества энтропии квантовой холодильной машине потребуется меньше работы, чем

традиционной, а значит работа AГБИ, отбираемая от расширительной машины на питание

генератора безэнтропийного излучения, будет меньше располагаемой работы цикла A.

Следовательно, в области температур меньших (T20)кр. полезная работа цикла будет

положительной (Aп>0), то есть рассматриваемый двигатель окажется работоспособным.

Конкретные примеры термодинамического расчета рассматриваемого двигателя (см.

ниже) показывают, что неравенство (16 13) действительно соблюдается, причем для

T20=4,2 К (жидкий гелий) работа AГБИ оказывается заметно меньше располагаемой

работы цикла A.

Вернемся к выражению (18 15). Оно показывает, что при T200 энергия W20

(если S2=const). Отсюда как будто бы следует, что принцип внешнего охлаждения

рабочего тела безэнтропийным излучением противоречит следствию из 3-го начала

термодинамики о недостижимости абсолютного нуля температуры, а значит и самому

третьему началу [19, с. 8183]. В самом деле, известно, что чем ниже температура, до

которой нужно охладить объект, тем больше отношение энергии, подводимой к

холодильной машине от внешнего источника, к энергии, отбираемой от охлаждаемого

объекта. Вблизи абсолютного нуля это отношение неограниченно возрастает,

18

теоретически стремясь к бесконечности при стремлении температуры объекта к

абсолютному нулю [19, с. 83].

Докажем, что указанное противоречие кажущееся. Прежде всего, напомним, что

замыкание термодинамического цикла всегда осуществляется изотермическим сжатием

отработавшего рабочего тела, которое сопровождается уменьшением энтропии

последнего. Но "по третьему началу, при изотермических процессах, когда температура

близка к 0 К, энтропия перестает изменяться при сжатии" [19, с. 83]. Следовательно,

вблизи абсолютного нуля перестает соблюдаться условие S2=const. Другими словами,

при температурах, все более и более близких к абсолютному нулю, это условие можно

соблюсти только за счет неограниченного возрастания степени изотермического сжатия

(то есть, неограниченного увеличения мощности изотермического компрессора), что

невозможно.

Отметим далее, что выражение (18 15) получено в пренебрежении теплопритоками

из окружающей среды. С учетом этих теплопритоков (а от них в принципе невозможно

избавиться полностью) выражение для энтропии, которую необходимо отвести от

отработавшего рабочего тела, запишется следующим образом:

S2 = S2'Sо.с. = (W2

'+Qо.с.)/T20 = W2/T20, (20 16)

где

S2' = W2

'/T20 (21 17)

значение энтропии S2 без учета паразитных теплопритоков в двигатель из

окружающей среды (W2'=W20

'+Wн

' отводимая в этом случае из двигателя энергия

результирующего излучения; W20', Wн

' соответствующие значения энергии

люминесценции и энергии накачки);

Sо.с. = Qо.с./T20 (22 18)

энтропия, передаваемая рабочему телу двигателя паразитными теплопритоками Qо.с. из

окружающей среды;

W2 = W2'+Qо.с. (23 19)

суммарная энергия, отводимая излучением в окружающую среду. Выражение (20 16),

как и выражение (18 15), записано в предположении, что отвод энтропии S2 и подвод

энтропии Sо.с. осуществляются изотермически при T=T20=const. Отметим, что в

выражении (22 18) Qо.с. есть эквивалентный паразитный теплоприток, то есть количество

теплоты, которую необходимо подвести в изотермическом процессе к рабочему телу,

чтобы сообщить последнему такую же энтропию, Sо.с., которая подводится к рабочему

телу всеми паразитными теплопритоками в реальном двигателе. Отметим также, что при

фиксированной температуре окружающей среды (это, как правило, имеет место)

значение Qо.с. с уменьшением T20 возрастает, стремясь к максимальному значению при

T20 0 [19 13, с. 278281]. Учитывая, что для установившегося режима работы двигателя

19

S2' = const = const1 (24 20)

и принимая для простоты Qо.с.=const=const2, запишем выражение (20 16) в виде:

S2=const1const2/T20. (25 21)

Из выражения (25 21) видно, что при T20 0 S2 . Следовательно, при выборе все

меньших и меньших значений температуры T20 энергия W2 (а значит и энергия накачки

Wн), необходимая для отвода энтропии S2 от отработавшего рабочего тела, будет

возрастать, стремясь в пределе T20 0 к бесконечности. Отношение Wн/W2 при T20 0

также будет возрастать неограниченно (это можно легко показать). Таким образом,

принцип внешнего охлаждения рабочего тела безэнтропийным (в частности, лазерным)

излучением находится в полном согласии с 3-им законом термодинамики, что и

требовалось доказать.

Установим границы практической применимости этого метода внешнего

охлаждения для замыкания термодинамических циклов тепловых двигателей. Для этого

перепишем выражение (20 16) в виде:

_

S2 = W2'(1+Qо.с./W2

')T20 = S2

'(1+Qо.с.), (26 22)

где

_ _

Qо.с. = Qо.с./W2' = Qо.с.(T20) ~ 1/(RtэT20) (27

23)

относительное значение эквивалентного паразитного теплопритока в ИК из

окружающей среды (здесь Rtэ эквивалентное термическое сопротивление тепловой

изоляции двигателя). Анализ выражения (26 22) с учетом равенства (24 20)

_

приводит к следующим выводам. Если Qо.с.<<1, то есть вкладом паразитных

теплопритоков в энтропию S2 можно пренебречь, то S2~S2' и, значит, справедлива

формула (18 15). Такая ситуация может наблюдаться либо при достаточно высоких

значениях температуры T20 (соответствующих, например, температуре кипения жидкого

азота при атмосферном давлении), либо при низких значениях T20 (не более 4,2 К), но

малых паразитных теплопритоках (большом значении Rtэ), достигаемых

применением совершенной

_

тепловой изоляции, например экранно-вакуумной [19 13, с. 282, 283]. Если же Qо.с.>>1,

то

S2>S2' и внешнее охлаждение нетепловым излучением будет сопряжено со

значительными затратами энергии, которые могут превзойти располагаемую работу

термодинамического цикла (работу A) и сделать двигатель неработоспособным. Исходя

_

из сказанного, условной границей, отделяющей первый случай (Qо.с.<<1) от второго

_

20

(Qо.с.>>1), то есть границей практической применимости нетеплового внешнего

охлаждения для замыкания циклов тепловых двигателей можно считать следующее

соотношение:

_

Qо.с.1. (28 24)

Инициирование в рабочем теле энтропийного нетеплового излучения за счет

воздействия на его молекулы внешнего безэнтропийного нетеплового излучения может

быть достигнуто различными способами. Один из них состоит в воздействии на рабочее

тело резонансным без- или малоэнтропийным высокочастотным электромагнитным

излучением. Такое излучение может создаваться (в зависимости от вида и параметров

исходного состояния рабочего тела, мощности двигателя и других факторов)

молекулярными квантовыми генераторами мазерами (СВЧ-диапазон) и оптическими

квантовыми генераторами лазерами (оптический диапазон). Отметим, что возможность

эффективного охлаждения тел за счет нетеплового энтропийного излучения,

инициируемого в последних путем воздействия на них безэнтропийной высокочастотной

электромагнитной энергии, к настоящему времени обоснована теоретически и

подтверждена экспериментально (см., например, [411, 22, 2430]). Достоинство данного

способа генерации энтропийного нетеплового излучения в отработавшем рабочем теле

заключается в возможности замыкания термодинамического цикла без внутрицикловой

регенерации теплоты. Главный недостаток способа состоит в низком КПД генераторов

безэнтропийного излучения. Так например, для лазеров значения КПД составляют: 12

% у твердотельных лазеров с кристаллическим, стеклянным или пластмассовым

активным веществом [31, с. 11; 32, с. 116, 117] (в перспективе до 1015 % [32, с. 118]);

1050 % у газовых лазеров [31, с. 1723]. Исключением служат полупроводниковые

лазеры, КПД которых уже сегодня достигает 4050 % и более [31, с. 12]. Другой

недостаток применения квантовых генераторов возможность случайного попадания

людей и животных в зону действия их излучения, воздействие которого биологически

опасно [31, с. 81111, 138162], и электромагнитное загрязнение окружающей среды [31,

с. 168172]. Кроме того, в двигателях большой мощности (от единиц мегаватт и более)

мощность, потребляемая генератором безэнтропийного излучения, будет также велика

(десятки и сотни киловатт), что представляет собой самостоятельную проблему и может

оказаться одним из главных факторов, ограничивающих максимальную мощность

двигателя. Эту проблему можно решить повышением экономичности ГБИ. Поскольку

потери в ГБИ выделяются, главным образом, в форме теплоты, то экономичность

генератора безэнтропийного излучения можно повысить за счет утилизации потерь в нем

путем охлаждения его потоком рабочего тела, направляемого от теплоотдатчика к

расширительной машине. При этом температура рабочего тела на входе расширительной

машины (максимальная температура термодинамического цикла) увеличится, что

приведет к повышению КПД двигателя и снижению сбросной энергии. Последнее, в

свою очередь, даст возможность уменьшить мощность генератора безэнтропийного

излучения и, соответственно, увеличить мощность двигателя. Отметим, что утилизацию

потерь в генераторе безэнтропийного излучения можно осуществлять различными

способами. Так, например, потери в твердотельных лазерах можно рекуперировать,

пропуская рабочее тело двигателя вдоль поверхности активной зоны лазера или (и) по

21

охладительным каналам в последнем. Для улучшения теплообмена активная зона лазера

может быть дополнительно снабжена охладительными ребрами. Рекуперацию потерь в

газовых лазерах можно осуществить прокачкой рабочего тела лазера и рабочего тела

двигателя через рекуперативный теплообменник. Недостаток этого способа утилизации

потерь в газовом лазере состоит в необходимости дополнительного теплообменника, а

также компрессора, обеспечивающего циркуляцию рабочего тела лазера, что усложняет

двигатель, снижает его надежность и удельную мощность, повышает стоимость. Другой

способ утилизации потерь в газовом лазере состоит в прокачке через его активную зону

рабочего тела двигателя, играющего роль рабочего тела лазера. Этот способ не требует

теплообменника и компрессора и обеспечивает практически стопроцентную

рекуперацию (тепловых) потерь в лазере. Недостаток данного способа заключается в

необходимости подбора рабочего тела, которое было бы эффективным как для двигателя,

так и для лазера. Еще один путь снижения мощности, потребляемой генератором

безэнтропийного излучения применение бинарных циклов [33, с. 1922] (например,

азотно-гелиевого). Использование в рассматриваемом двигателе бинарного цикла

позволит уменьшить температуру T20, а следовательно сбросную энергию и мощность

генераторов безэнтропийного излучения.

Отметим, что нетепловое энтропийное излучение в отработавшем рабочем теле

может инициироваться не только электромагнитным, но и другими видами излучения

накачки, например, акустическим [34, с. 325]. Основные требования, предъявляемые к

последним такие же, как и к электромагнитному, а именно они должны быть

безэнтропийными (когерентными, монохроматическими, коллимированными) и

резонансными по отношению к молекулам отработавшего рабочего тела.

На фиг. 8 7 приведена функциональная простейшая схема ГБИ на основе лазерной

установки. Последняя состоит из электрогенератора (ЭГ) 6-1, приводимого в действие от

расширительной машины двигателя, источника питания лазера (ИПЛ) 6-2, отбирающего

энергию от электрогенератора, и собственно лазера (Л) (одного или нескольких) 6-3,

энергия в который поступает от источника питания лазера. Лазерная установка работает

следующим образом. От РМ к валу электрогенератора подводится механическая работа

AГБИ, которую ЭГ преобразует в энергию электрического тока WЭГ=AГБИWЭГ, где

WЭГ потери в ЭГ. Энергия WЭГ поступает в источник питания лазера. Источник

питания лазера преобразует параметры энергии WЭГ (напряжение, частоту и т.д.) в

параметры, требуемые для питания данного лазера. С выхода ИПЛ энергия WИПЛ=WЭГ

WИПЛ (здесь WИПЛ потери в ИПЛ) поступает в лазер, где преобразуется в

когерентное монохроматичное и коллимированное оптическое излучение с энергией

WЛ=WИПЛWЛ (WЛ потери в лазере). При прохождении через ИК на полезный

эффект (собственно лазерное охлаждение) будет затрачена только часть Wл.о.=WЛWл.о.

энергии лазерного луча (где Wл.о. потери на собственно лазерное охлаждение). Эта

полезно используемая энергия и есть энергия накачки Wн, поступающая из ГБИ в ИК.

Последняя связана с работой AГБИ так:

Wн = AГБИ(WЭГ+WИПЛ+WЛ+Wл.о.) = AГБИWГБИ = AГБИГБИ, (29 25)

Где

22

WГБИ = WЭГ+WИПЛ+WЛ+Wл.о. =(1ГБИ)AГБИ (30

26)

суммарные потери в лазерной установке;

ГБИ = ЭГИПЛЛл.о. (31

27)

эффективный КПД ГБИ (в нашем случае лазерной установки); ЭГ, ИПЛ, Л, л.о.

КПД электрогенератора, источника питания лазера, собственно лазера и собственно

лазерного охлаждения. В зависимости от типа лазера, режима его работы (непрерывный

или импульсный) и схемных решений источника питания лазера КПД ИПЛ может

колебаться в пределах от 0,5 (ИПЛ на основе емкостного накопителя с зарядкой через

балластный резистор) до 0,9 (ИПЛ с зарядкой емкостного накопителя через индуктивно-

емкостный преобразователь) [35, с. 2738]. КПД ЭГ обычно укладывается в диапазон от

0,5 (микромашины) до 0,95 и более (крупные машины). КПД лазеров были приведены

выше. Приняв ЭГ=0,85, ИПЛ=0,85, Л=0,28 (полупроводниковый лазер), л.о.=0,5,

получим следующую оценку КПД лазерной установки без рекуперации потерь в

последней:

ГБИ = 0,850,850,280,5 ~ 0,1 (10 %).

Отметим, что лазерное замыкание цикла легче всего осуществить в том случае, если

рабочее тело состоит из одноатомных молекул. Это обусловлено тем, что газ, состоящий

из многоатомных молекул, значительно труднее поддается лазерному охлаждению, чем

одноатомный газ [8, с. 75]. Последнее объясняется тем, что число степеней свободы у

многоатомных молекул больше, чем у молекул одноатомных. Энергия лазерных

фотонов, поглощаемых такими молекулами, в первую очередь будет перераспределяться

между внутренними (вращательными и колебательными) степенями свободы последних,

переходя, в конечном итоге, в теплоту, а не излучение. При этом рабочее тело будет не

охлаждаться, а нагреваться [8, с. 75, 79]. Для получения эффекта охлаждения необходимо

увеличить интенсивность потока лазерных фотонов (то есть потребляемую лазером

мощность) с таким расчетом, чтобы время жизни молекулы в возбужденном состоянии

оказалось меньше времени безызлучательного распада ее возбужденных энергетических

уровней. Увеличения мощности лазера можно избежать, если, например, производить

операцию лазерного охлаждения над вспомогательным рабочим телом, состоящим из

одноатомных молекул, а основное рабочее тело охлаждать посредством теплового

контакта последнего со вспомогательным рабочим телом в теплообменнике (фиг. 8).

Недостаток такого способа замыкания термодинамического цикла усложнение схемы

двигателя. От этого недостатка можно избавиться путем применения рабочего тела,

представляющего собой в исходном состоянии смесь жидкостей или газов, одна из

компонент которой (например, основная) состоит из многоатомных молекул, а другая

(вспомогательная) из одноатомных. В этом случае параметры лазерного луча выбирают

под охлаждение вспомогательного компонента, а охлаждение всей смеси осуществляют

внутренним теплообменом в последней. Достоинство этого способа замыкания цикла

двигателя заключается в возможности использования схемы лазерного охлаждения,

23

изображенной на фиг. 7. Недостаток способа состоит в снижении эффекта охлаждения за

счет теплового рассеяния части энергии лазерного луча на молекулах основного

компонента смеси. Данный недостаток можно частично устранить оптимизацией

соотношения компонентов в смеси, а также выбором в качестве основной компоненты

такого газа, молекулы которого в наименьшей степени рассеивают и безызлучательно

поглощают лазерное излучение. Отметим, что смесевое рабочее тело может быть

многокомпонентным с числом компонент больше двух, часть которых состоит из

многоатомных молекул, а другая часть из одноатомных. В этом случае параметры

излучения накачки выбираются под компоненты, наиболее легко поддающиеся

охлаждению указанным излучением.

Таким образом, для схемы на фиг. 8 7 необходимо использовать рабочее тело,

которое наиболее легко поддается охлаждению путем подвода резонансного

безэнтропийного излучения накачки.

Еще один фактор, затрудняющий лазерное охлаждение эффект Доплера, то есть

"изменение воспринимаемой частоты колебаний при относительном движении

источника и приемника волн" [18, с. 225]. Когда источник и приемник (наблюдатель)

удаляются друг от друга, то последний зафиксирует уменьшение частоты колебаний

(увеличение длины волны). Если же наблюдатель движется навстречу

распространяющимся волнам, то частота воспринимаемых им колебаний возрастает

(длина волны уменьшается). Это означает, что если молекула движется в направлении

источника лазерного излучения, то частота последнего (частота лазерных фотонов)

должна быть равна =0, где 0 частота лазерных фотонов при неподвижных

относительно друг друга молекуле и лазере; расстройка частоты лазерного

излучения от резонанса, определяемая эффектом Доплера. Если же молекула удаляется

от лазера, то частота лазерных фотонов должна быть выбрана равной =0+.

Поскольку молекулы рабочего тела движутся хаотически с различными скоростями, то

настроить лазерное излучение в резонанс с ними практически невозможно. Это снижает

эффективность лазерного охлаждения. Однако при температурах, близких к

абсолютному нулю (например, при температуре жидкого гелия 4,2 К) молекулы

движутся со скоростями порядка v=100 м/с, то есть во много раз медленнее скорости

света c=3108 м/с. В этом случае расстройка частоты лазерного излучения от резонанса,

требуемая для компенсации эффекта Доплера, =0v/c становится настолько малой,

что ею в первом приближении можно пренебречь.

Предположим, что температура рабочего тела на входе в сепаратор-излучатель

настолько низка (то есть, скорость теплового движения молекул настолько мала), что

можно пренебречь эффектом Доплера при рассмотрении процессов взаимодействия

лазерного луча с молекулами (при комнатной и более высоких температурах упомянутый

эффект существенно затрудняет процесс лазерного охлаждения газа [7, с. 244]). Это

допущение корректно, так как вследствие расширения в РМ рабочее тело на входе в

сепаратор-излучатель имеет температуру T2<<Tо.с.. В пренебрежении эффектом Доплера

длина волны луча выбирается, например, таким образом, чтобы энергия лазерного

фотона в точности равнялась разности между энергией молекулы рабочего тела в

основном и первом возбужденном состояниях. Направление луча выбирается встречным

направлению потока рабочего тела в сепараторе-излучателе. В этих условиях молекула,

как уже говорилось, способна поглотить фотон и перейти в возбужденное состояние.

Затем молекула возвращается в исходное состояние с испусканием в произвольном

24

направлении фотона люминесценции. После этого молекула может поглотить второй

фотон и т.д. Многократное повторение такого процесса с молекулами облучаемого в СИ

потока рабочего тела приводит к замедлению части последних, то есть к охлаждению их

до температуры T20и<<T20. При этом, как показали эксперименты по лазерному

охлаждению атомных пучков /см., например, [46]/, температура T20и может достигать

значений 10

К и менее, что существенно ниже T20 для таких рабочих тел, как жидкий

гелий (T20~0,84,2 К) или жидкий азот (T20~6578 К). Таким образом, лазерное

охлаждение приводит к созданию в рабочем теле неравновесности: часть рабочего тела

приобретает температуру T20и<<T20, а другая часть его остается при температуре T2>T20.

В результате в рабочем теле возникает внутренний теплообмен, приводящий в пределе к

выравниванию температур его охлажденной и нагретой частей. Интенсивность лазерного

охлаждения (определяемая мощностью лазерного луча, которая, в свою очередь, зависит

от мгновенной мощности нагрузки двигателя) выбирается такой, чтобы температура

рабочего тела на выходе из сепаратора-излучателя не превосходила T20. Для получения в

СИ рассматриваемого двигателя заданного коэффициента сжижения рабочего тела

проточную часть сепаратора-излучателя необходимо выполнять сужающейся по

определенному закону. Для профилирования проточной части СИ можно использовать

известные методы экспериментального исследования и термодинамического расчета

суживающихся сопел и каналов (см., например, [12, с. 350, 351; 36, с. 206220, 385392].

Если молекулы рабочего тела многоатомные (пример азот), то непосредственное

использование схемы, приведенной на фиг. 7, затруднительно из-за необходимости

значительного увеличения мощности лазерного луча.

Рассмотрим третий возможный вариант изотермического сжатия отработавшего

рабочего тела в тепловом двигателе, работающем за счет отбора теплоты от равновесной

окружающей среды путем возбуждения в отработавшем рабочем теле энтропийного

нетеплового излучения. Этот способ основан на физическом явлении, обнаруженном в

установке для исследования эмиссионных свойств материалов при кавитации [44] и

описанном в работе [45]. В этой установке жидкое рабочее тело-диэлектрик под

давлением до 7 МПа подавалось в дроссельное устройство, выполненное из испытуемого

материала и представлявшее собой канал длиной 2530 мм и диаметром 12 мм.

Дроссельное устройство было размещено во втулке, выполненной из диэлектрического

материала, стойкого к кавитационной эмиссии, гидравлически связанной с отделенным

посредством изолятора от отводящего трубопровода дополнительным патрубком из

электропроводного материала, соединенным электрическим проводником с приборами

для замера величины тока эмиссии и электрического потенциала. Регулированием

давления и частоты пульсаций потока жидкости в системе получали мощные

резонансные колебания потока частотой порядка 5 кГц. Поскольку жидкость

практически несжимаема, то на входе в дроссель возникали резкие пульсации давления и

сопутствующая последним кавитация. При кавитационном течении жидкости на входной

кромке по периметру дросселирующего канала появлялось излучение в оптическом

диапазоне, по яркости напоминающее дуговой разряд, электронный и нейтронный

потоки, рентгеновское излучение [45, с. 188, 190]. Измерения и оценки параметров

показали, что плотность энергии излучения составляет 10 кДж/см3. В области свечения

наблюдался также высокий электрический потенциал порядка 200 кВ относительно

Земли. Отмечено, что наложение внешнего электростатического поля, имеющего ту же

полярность, что и потенциал, стимулирует излучение, а обратной подавляет. Таким

25

образом, интенсивностью излучения можно управлять. Отмечено также, что за 100 часов

работы установки материал дроссельного устройства не претерпел заметной эрозии, хотя

свечение генерировалось практически на поверхности последнего [45, с. 188]. Это

говорит о том, что температура в области свечения не превосходила заметно температуру

окружающей среды. Следовательно, излучение было нетепловым. Кроме того, указанное

излучение было также и энтропийным. Энтропийность излучения обусловлена его

немонохроматичностью, некогерентностью и неколлимированностью. Следовательно,

если установку, генерирующую упомянутое излучение, теплоизолировать от

окружающей среды, то при условии, что отводимая излучением энтропия больше

энтропии, привносимой в жидкость источниками теплоты (питательным насосом,

паразитными теплопритоками из окружающей среды и т.д.), последняя будет

охлаждаться. Из изложенного вытекает, что замыкание термодинамического цикла

рассматриваемого двигателя путем генерации нетеплового излучения описанным

методом должно включать следующие основные операции: 1) отвод всей избыточной

энтропии от отработавшего рабочего тела и отдачу ее в форме теплоты в

теплообменнике-охладителе жидкому рабочему телу, направляемому к теплоотдатчику;

2) охлаждение нагретой жидкости путем пропускания ее через дроссельное устройство

генератор энтропийного нетеплового излучения. При этом следует избегать испарения

жидкости до ее входа в дроссельное устройство, так как в противном случае произойдет

срыв генерации излучения. Для исключения преждевременного испарения жидкости

можно, например, сделать дроссельное устройство многоступенчатым и отдавать

сбросную теплоту жидкости порциями при прохождении последней между

дроссельными ступенями. Если давление жидкости больше критического, то ее

испарения можно избежать и в одноступенчатом дроссельном устройстве. Наличие

нескольких дроссельных ступеней позволяет увеличить мощность излучения. Для

увеличения секундной подачи рабочего тела и мощности двигателя дроссельные ступени

должны состоять из нескольких параллельных ветвей. Простейшая схема возбуждения

энтропийного нетеплового излучения кавитацией приведена на фиг. 9 11. По этой схеме

теплообменник-охладитель содержит n теплообменных секций (соответствующих

количеству ступеней вакуумного компрессора) между которыми размещены

дроссельные устройства-генераторы нетеплового излучения. На фиг. 9 11 секции

теплообменника-охладителя и дроссельные устройства включены последовательно. В i-й

секции ТО охлаждающей жидкости, имеющей на входе в упомянутую секцию

температуру Tai, от сжимаемого рабочего тела передаются количество теплоты Qпi и

энтропия Sпi. В результате теплообмена жидкость нагревается, приобретая на выходе из

секции температуру Tbi, а газ охлаждается от температуры Tci на входе в секцию до Tdi на

выходе из последней. Затем охлаждающая жидкость поступает в i-е дроссельное

устройство, где охлаждается за счет отвода от нее нетепловым излучением энергии Wyi и

энтропии SWi. В результате жидкость охлаждается и поступает в i+1-ю секцию ТО,

имея при этом температуру Ta(i+1). Отметим, что в зависимости от интенсивности

охлаждения в дроссельном устройстве температура Ta(i+1) может быть меньше, равна или

больше Tbi. В процессе протекания жидкости по теплообменным секциям ей в общей

сложности передаются от сжимаемого газа количество теплоты и энтропия, равные

соответственно

Qп1+Qп2+...+Qпn = Q3'; (32 48)

26

Sп1+Sп2+...+Sпn = S2. (33 49)

При прохождении жидкости по всем дроссельным устройствам от нее отводятся в

окружающую среду нетепловым излучением энергия и энтропия, равные соответственно

Wy1+Wy2+...+Wyn = Wy; (34 50)

SW1+SW2+...+SWn = SW. (35 51)

Отметим, что в общем случае SWS2. В частности, если SW<S2, то после выхода

жидкости из ТО в ней остается энтропия

S3 = S2SW, (36 52)

а температура T3 жидкости на выходе из ТО будет больше T3' (хотя и меньше T10), что

соответствует внутрицикловой регенерации теплоты

T3

Q3 = ∫ TdS3. (37 53) T3

'

Преимущество данного способа генерации нетеплового излучения состоит в

легкости управления интенсивностью последнего. Кроме того, способ относительно

прост технически. Однако ему присущ и ряд недостатков. Один из них состоит в том, что

при его осуществлении необходимо всю сбросную энтропию S2 отдавать, и притом в

форме теплоты, рабочему телу, направляемому к теплоотдатчику. Это приводит к

увеличению работы собственных нужд Aсоб. за счет роста работы AВК', снижению

удельной мощности и КПД двигателя. Другой недостаток рассматриваемого способа

заключается в том, что он применим только для таких тепловых двигателей, рабочее тело

которых в исходном состоянии представляет собой жидкость. Еще один недостаток этого

способа наличие на дроссельном устройстве высокого электрического потенциала, что

дополнительно снижает надежность и удельную мощность двигателя, усложняет его

конструкцию и эксплуатацию. Серьезным недостатком описываемого способа служит

также и то, что для возбуждения нетеплового излучения течение жидкости по тракту

"ПНТИ" должно происходить в пульсационном режиме [45, с. 188]. Это усложняет

двигатель и снижает его надежность. Указанный недостаток можно парировать

прокачкой через дроссельное устройство и теплообменник-охладитель рабочего тела,

циркулирующего по замкнутому контуру посредством дополнительного жидкостного

насоса. Если SW<S2, то теплоту Q3 и связанную с последней энтропию S3 отбирают

от охлажденного в дроссельном устройстве рабочего тела и передают рабочему телу,

направляемому к теплоотдатчику. Схема описанного способа отвода энтропии S2 от

отработавшего рабочего тела приведена на фиг. 10 12. Здесь 10 циркуляционный насос,

11 теплообменник-излучатель, 12 дроссельные устройства. Прочая нумерация

соответствует фиг. 1. Достоинство способа возможность прокачки рабочего тела по

27

тракту "ПНТИ" в обычном режиме, то есть без пульсаций потока, недостатки

усложнение двигателя, уменьшение его удельной мощности, снижение КПД.

Как уже говорилось, при заданном значении температуры T20 снижение мощности

устройств, генерирующих нетепловое излучение, может быть достигнуто за счет

внутрицикловой регенерации теплоты Q2 (точнее Q3), одна из возможных схем которой

приведена на фиг. 1. На фиг. 11 13 показан другой возможный вариант отдачи теплоты

Q3 рабочему телу, направляемому к теплоотдатчику (при этом предполагается, что часть

W2 энергии U2 отводится в сепараторе-излучателе). По этому варианту питательный

насос выполняют состоящим из двух ступеней ПН1 (2-1) и ПН2 (2-2), причем в ступени

ПН1 давление рабочего тела повышают от p20 до pпн1<p1 (при этом температура

последнего возрастает до Tпн1), а окончательное повышение давления от pпн1 до p1

производят во второй ступени. Откачиваемый из сепаратора-излучателя пар адиабатно

сжимают в ВК до давления pпpпн1 (при этом он нагревается до температуры Tп) и вводят

в тракт "ПН1ПН2", где пар вступает в тепловой контакт с холодным рабочим телом и

вследствие интенсивного перемешивания с последним конденсируется. Описанная схема

есть частный случай внутрицикловой регенерации теплоты Q3, осуществляемой путем

смешения части отработавшего рабочего тела, не переведенной в исходное (в данном

случае жидкое) состояние, с рабочим телом, направляемым к теплоотдатчику.

Преимущество такой схемы отдачи теплоты Q3 упрощение и облегчение двигателя за

счет исключения из его состава теплообменника-охладителя, вспомогательной

расширительной машины и ожижительного компрессора. Недостаток схемы меньшая

экономичность, поскольку отбор работы на сжатие пара в ВК не рекуперируется

вследствие отсутствия ВРМ. Этот недостаток частично компенсируется отсутствием

отвода работы на привод ожижительного компрессора. Таким образом, схему на фиг. 11

13 целесообразно применять в тех случаях, когда решающее значение имеют

массогабаритные показатели, простота и надежность двигателя. Возможны и другие

варианты внутрицикловой регенерации теплоты Q3 /см., например, [1, с. 122,123]/.

Экономичность двигателя при необходимости можно повысить, например, применяя

рабочее тело с более низкой температурой сжижения. Отметим, что на основе

предложенного способа преобразования теплоты в работу можно осуществить тепловой

двигатель, в котором рабочее тело не меняет своего агрегатного состояния (например,

газовую машину). Отметим также, что предложенный способ не исключает применения

топлива. Если теплоотдатчиком служит окружающая среда, то использование топлива

целесообразно для кратковременного форсирования мощности двигателя.

В рассмотренных схемах двигателя в окружающую среду отдается только часть

SW энтропии S2, другая же ее часть SСИ с теплотой Q2 передается потоку рабочего

тела, направляемому к теплоотдатчику. Тем самым производится внутрицикловая

регенерация части сбросной энергии U2. Регенерация теплоты Q2 приводит, с одной

стороны, к уменьшению работы, отвлекаемой на инициирование в отработавшем

рабочем теле нетеплового излучения. Однако, с другой стороны, часть располагаемой

работы цикла отбирается при этом на осуществление упомянутой регенерации.

Следовательно, количество теплоты Q2 (или Q3) есть параметр, который целесообразно

оптимизировать по критерию Aсоб.=min. Наличие внутрицикловой регенерации теплоты

усложняет схему двигателя, а также снижает его надежность и ресурс С этой точки

зрения выгодно отводить в окружающую среду всю энтропию S2. При этом упрощается

схема двигателя так как становятся ненужными теплообменник-охладитель,

28

вспомогательная расширительная машина и ожижительный компрессор. Мощность

вакуумного компрессора в таком двигателе может быть снижена во много раз, поскольку

теперь в его функцию входит только откачка паров рабочего тела из питательной

емкости, образующихся вследствие паразитных теплопритоков в последнюю. Некоторые

из возможных вариантов двигателя с отдачей в окружающую среду в виде нетеплового

излучения всей энтропии S2 изображены на фиг. 14 и 15. Особо следует выделить схему

на фиг. 15. Особенность этой схемы отсутствие откачки паров из ПЕ, образующихся

вследствие паразитных теплопритоков в последнюю из окружающей среды. Это

достигается охлаждением отработавшего рабочего тела в СИ до температуры T20'<T20.

Значение T20' выбирают с таким расчетом, чтобы количество теплоты, отнимаемое

жидкостью, поступающей в ПЕ из СИ, в точности равнялось количеству теплоты,

привносимому в ПЕ из окружающей среды. В этом случае давление и температура в ПЕ

будут поддерживаться на заданном уровне. При этом отпадает надобность в вакуумном

компрессоре, что служит преимуществом схемы на фиг. 15 перед другими схемами.

Таким образом, на фиг. 15 изображена простейшая схема рассматриваемого двигателя.

Преимущества двигателя с полной отдачей сбросной энтропии нетепловым излучением

упрощение схемы, повышение надежности и ресурса. Главный недостаток такой схемы

двигателя низкое давление и большой удельный объем рабочего тела (пара) в конце

процесса расширения в РМ. Это приводит, как уже говорилось, к резкому росту

габаритов и массы двигателя, снижает его удельную мощность, увеличивает стоимость

(см. пример расчета двигателя). Другие недостатки схемы необходимость отбора

большей энергии на генерацию излучения накачки и повышенный уровень

электромагнитного загрязнения окружающей среды. От последнего недостатка можно

частично избавиться, формируя спектральный состав излучения и диаграмму

направленности последнего таким образом, чтобы воздействие излучения на

окружающую среду было минимальным. Технически этого можно достичь путем отвода

нетеплового излучения в окружающую среду через волновод с установленным на его

конце переизлучателем устройством, позволяющим изменять спектральный состав и

(или) диаграмму направленности излучения [46, с. 267] (отметим, что роль

переизлучателя могут играть, например, фазированная антенная решетка [47, с. 64],

планотрон-преобразователь [47, с. 100102] и другие подобные им устройства). В

частности, если двигатель предназначен для эксплуатации на поверхности Земли, под

водой или на летательных аппаратах, то поток излучения целесообразно направлять

перпендикулярно вверх относительно поверхности Земли, то есть по кратчайшему пути в

космическое пространство. Биологическая вредность исходящего из двигателя излучения

может быть при этом устранена практически полностью. Другой путь снижения уровня

электромагнитного загрязнения окружающей среды заключается в утилизации энергии

отводимого из двигателя нетеплового излучения. Выше отмечалось, что эксергия

упомянутого излучения не равна нулю. Последнее обусловлено тем, что это излучение

отводится в окружающую среду при температуре меньшей, чем у теплоотдатчика (в

данном случае атмосферы). Утилизацию энергии отводимого нетеплового излучения

целесообразно производить, направляя поток излучения посредством волновода

(например оптического, СВЧ или комбинированного) в теплообменник-регенератор,

установленный между теплообменником-испарителем и основной расширительной

машиной и выполненный из материала, поглощающего это излучение. За счет

преобразования энергии излучения Wy в теплоту QW=Wy рабочее тело, направляемое в

29

РМ, нагревается в теплообменнике-регенераторе. Это увеличивает максимальную

температуру термодинамического цикла и эффективный КПД двигателя. Если в

двигателе применяется утилизация потерь генератора безэнтропийного излучения, то

теплообменник-регенератор необходимо устанавливать между выходом системы

охлаждения ГБИ и входом в РМ. Схема утилизации энергии отводимого нетеплового

излучения приведена на фиг. 16. Отметим, что эксергия нетеплового излучения при

утилизации в значительной степени сохраняется , поскольку преобразование указанного

излучения в теплоту осуществляется при максимальной температуре цикла. Отметим

также, что утилизация эксергии отводимого нетеплового излучения приводит к

минимизации производства энтропии в двигателе и, соответственно, к максимизации

работы цикла [4850]. Наконец, отметим, что утилизация нетеплового излучения

позволяет уменьшить его отрицательное воздействие на окружающую среду практически

до нуля. Недостаток описанного метода утилизации нетеплового излучения Wу

заключается в неполном использовании его эксергии. Последнее обусловлено

преобразованием излучения в теплоту, эксергия которого всегда меньше самой теплоты

[20, с. 156158]. При использовании лазерного охлаждения этот недостаток можно

частично устранить путем использования в теплообменнике-регенераторе в качестве

материала, поглощающего излучение Wу, фотоэлементов. В этом случае 1020 %

энергии излучения удастся превратить в энергию электрического тока, эксергия которой

равна 100 %. Остальная энергия превратится в теплоту, передаваемую рабочему телу

двигателя при наивысшей температуре термодинамического цикла. Эффективность

описанной схемы определяется, главным образом, КПД фотоэлементов: чем он выше,

тем больше эксергии излучения Wу может быть утилизировано. Если нетепловое

охлаждение осуществляется когерентным излучением на частотах отличных от частот

оптического диапазона, то вместо фотоэлементов необходимо в теплообменнике-

регенераторе использовать приемники СВЧ-излучения и преобразователи уловленного

излучения в энергию электрического тока. Эффективность этой схемы утилизации

эксергии сбросного излучения, как и предыдущей, определяется, в основном, КПД

приемников и преобразователей излучения.

Таким образом, тепловой двигатель, использующий предложенный способ

преобразования теплоты в работу, может быть сделан экологически чистым как в смысле

отсутствия продуктов сгорания топлива, так и с точки зрения биологической вредности

исходящего из двигателя излучения. В этом отношении упомянутый двигатель имеет

преимущество перед обычными тепловыми двигателями. В самом деле, вредность

продуктов сгорания химических топлив полностью устранить невозможно, а для

ядерных двигателей имеют место столь же неразрешимые проблемы захоронения

радиоактивных продуктов ядерных реакций и радиоактивного загрязнения окружающей

среды при разгерметизации их активной зоны.

В процессе отбора теплоты от вещества-теплоотдатчика, поступающего в

двигатель из окружающей среды, оно не должно охлаждаться до температуры,

соответствующей температуре перехода его в твердую фазу. Так, например, если в

качестве вещества-теплоотдатчика используется природная вода (речная или морская),

то ее нельзя охлаждать ниже 0 0С. В противном случае начнется обледенение рабочих

поверхностей теплообменника-испарителя. "Ледяная шуба", обладая низким

коэффициентом теплопроводности, существенно уменьшает интенсивность

теплообмена между веществом-теплоотдатчиком и рабочим телом двигателя. Это ведет

30

к уменьшению высшей температуры термодинамического цикла и снижению

эффективного КПД двигателя. Во избежание упомянутого фазового перехода

теплообмен между веществом-теплоотдатчиком и рабочим телом двигателя

необходимо осуществлять посредством промежуточного теплообменного контура,

теплоносителем в котором служит вещество, которое не переходит в твердую фазу при

температуре, соответствующей температуре рабочего тела на входе в ТИ, то есть в

момент, непосредственно предшествующий тепловому контакту рабочего тела с

теплоотдатчиком. Возможная схема такого способа нагрева рабочего тела двигателя

изображена на фиг. 17. Здесь 3-1 насос для подачи жидкости-теплоотдатчика из

окружающей среды в теплообменник-испаритель (НЖТ); 3-2 первый контур ТИ (ТИ-

1); 3-3 циркуляционный насос промежуточного теплоносителя (НПТ); 3-4 второй

контур ТИ (ТИ-2). Схема ТИ на фиг. 17 работает следующим образом. Жидкость-

теплоотдатчик с температурой T10 посредством НЖТ подается на вход ТИ-1. Здесь она

вступает в тепловой контакт с промежуточным теплоносителем, циркуляция которого

между ТИ-1 и ТИ-2 осуществляется при помощи НПТ. Отметим, что в схеме на фиг. 17

промежуточный теплоноситель в исходном состоянии представляет собой жидкость.

Это позволяет уменьшить затраты энергии на его циркуляцию. В ТИ-1 жидкость-

теплоотдатчик охлаждается до температуры T10' (причем T10

' больше температуры

замерзания жидкости) и отводится обратно в окружающую среду. Промежуточный

теплоноситель нагревается в ТИ-1 от начальной температуры Tн до конечной

температуры Tк<T10 (полностью или частично испаряясь при этом), после чего

поступает в ТИ-2. Там он входит в тепловой контакт с рабочим телом двигателя,

имеющим температуру T3, охлаждается до исходной температуры Tн и снова

конденсируется в жидкость. Основные недостатки схемы, показанной на фиг. 17

усложнение двигателя, снижение его мощности и КПД, трудности с подбором

промежуточного теплоносителя, обладающего требуемыми теплофизическими

свойствами. Еще один недостаток схемы на фиг. 17 наличие шума от работы насосов.

В большинстве возможных применений заявляемого способа преобразования

теплоты в работу предполагается использование в качестве вещества-теплоотдатчика

атмосферного воздуха. При этом возникает проблема конденсации присутствующих в

атмосфере паров воды на теплообменных поверхностях ТИ и обледенения последних.

Одно из возможных решений указанной проблемы состоит в применении схемы ТИ,

представленной на фиг. 18. Схема включает в себя охлаждаемый многоступенчатый

турбокомпрессор теплообменника-испарителя (КТИ) 3-1, собственно теплообменник-

испаритель (СТИ) 3-2, конструктивно объединенный с КТИ, и расширительную машину

теплообменника-испарителя (РМТИ) 3-3. Схема ТИ на фиг. 18 работает следующим

образом. Воздух из окружающей среды с параметрами p10, T10, H10, S10 засасывается КТИ

и сжимается в его ступенях (здесь H10, S10 энтальпия и энтропия воздуха, p10 105 Па,

T10 300 К давление и температура последнего). На сжатие воздуха в КТИ от РМ

отбирается работа AКТИ. После адиабатного сжатия в каждой i-ой ступени нагретый

воздух охлаждается рабочим телом двигателя, направляемым в СТИ из ТО (см. фиг. 1). В

результате рабочему телу передается в СТИ от атмосферного воздуха количество

теплоты Q1' и энтропия S1

'. Охлаждение воздуха в i-ой ступени СТИ производится до

температуры несколько большей точки росы при текущем давлении. Тем самым

предотвращаются конденсация паров воды на теплообменных поверхностях СТИ и

обледенение этих поверхностей. Кроме того, сжатие воздуха в КТИ повышает среднюю

31

температуру подвода теплоты Q1' к рабочему телу двигателя, что повышает эффективный

КПД последнего. С выхода СТИ газообразное рабочее тело двигателя направляется в

систему регенерации потерь в ГИН (если таковая имеется), а затем в РМ. Сжатый в КТИ

воздух с параметрами p1в, T1в, H1в, S1в (где p1в>p10, T1вT10, H1в=H10Q1',

S1в=S10S1'+SКТИ+SСТИ давление, температура, энтальпия и энтропия последнего;

SКТИ, SСТИ приращения энтропии воздуха в КТИ и СТИ) поступает в РМТИ, где

адиабатно расширяется с отдачей внешней работы AРМТИ. Таким образом, фактическая

работа, отбираемая от РМ на привод КТИ, составляет AКТИ'=AКТИAРМТИ. На выходе из

РМТИ воздух приобретает параметры p2вp10, T2в<T10, H2в=H1вAРМТИ, S2в=S1в+SРМТИ,

где SРМТИ приращение энтропии воздуха в РМТИ. С выхода РМТИ холодный воздух

либо отводится в атмосферу (простейший, наиболее нерациональный вариант), либо

используется для различных целей. Так например, перед выхлопом он может охлаждать

наружные (соприкасающиеся с атмосферой) поверхности теплоизоляции наиболее

низкотемпературных элементов двигателя с целью снижения паразитных теплопритоков

в последние (например, последних ступеней расширительной машины, питательной

емкости и т.д.). Еще одним применением выходящего из РМТИ холодного воздуха

может быть охлаждение рабочих машин (полезной нагрузки) двигателя, помещений,

скоропортящихся продуктов и т.д. Возможно также получение дополнительной работы

или (и) электроэнергии за счет разности температур между воздухом, вышедшим из

РМТИ, и прочей атмосферой.

Достоинства предложенного способа преобразования теплоты в работу по

сравнению с прототипом заключаются в следующем:

1) сбросная энтропия может непрерывно отводиться в окружающую среду от

отработавшего рабочего тела при температуре последнего равной или близкой к низшей

температуре термодинамического цикла меньшей температуры окружающей среды;

2) низшая температура термодинамического цикла (температура рабочего тела в

исходном состоянии) может непрерывно поддерживаться на заданном уровне, меньшем

температуры окружающей среды (в частности, на уровне близком к абсолютному нулю);

3) температура теплоотдатчика может быть понижена до температуры окружающей

среды (например, атмосферы, водных бассейнов, космического пространства), так что

последняя сама может играть роль теплоотдатчика;

4) вследствие этого становится возможным непрерывное преобразование в

механическую работу теплоты, отбираемой за счет охлаждения упомянутой окружающей

среды (в прототипе такое преобразование энергии невозможно в принципе);

5) становится возможным приблизить к абсолютному нулю минимальную

температуру термодинамического цикла за счет применения низкокипящих (криогенных)

рабочих тел (например, жидких азота, неона, гелия) и тем самым увеличить, по

сравнению с прототипом, эффективный КПД двигателя;

6) в связи с этим максимальное давление рабочего тела в термодинамическом цикле

заявляемого способа преобразования теплоты в работу может быть меньшим, чем в

прототипе;

7) при использовании заявляемого способа расширяются возможности по

рекуперации потерь в элементах как самого двигателя, (например, в генераторе

безэнтропийного излучения), так и устройстве (устройствах), служащем для двигателя

полезной нагрузкой (например, электрическом генераторе).

32

Общественно-полезные свойства предложенного способа преобразования теплоты в

работу по сравнению с прототипом заключаются в следующем:

1) отпадает необходимость в использовании любого топлива (химического,

ядерного и т.д.) ;

2) тепловой двигатель на основе заявляемого способа становится экологически

чистым (как в смысле отсутствия продуктов сгорания топлива, так и с точки зрения

биологической вредности исходящего из него излучения);

3) двигатель может работать практически в любой среде (атмосфере, воде, под

землей, в космическом пространстве и т.д.);

4) расширяется область применения двигателя (так например, он может с успехом

применяться в шахтах для охлаждения последних, регенерации кислорода для шахт,

глубоководных скафандров, а также очистки воздуха от пыли и вредных газов);

5) повышается безопасность, надежность и долговечность двигателя (вследствие

отсутствия в последнем топлива и высоких температур);

6) снижаются стоимость и масса двигателя (за счет возможности изготовления его

из дешевых и легких конструкционных материалов, таких как алюминиевые, магниевые

или титановые сплавы, вместо дорогих и тяжелых жаропрочных сталей, а также

вследствие отсутствия топливных баков, систем охлаждения, топливоприготовления и

топливоподачи);

7) двигатель может быть быстро освоен производством, поскольку все его элементы

(расширительная машина, теплообменники, сепараторы, компрессоры, жидкостные и

вакуумные насосы, трубопроводы, лазерные установки, вихревые трубы и т.д.) хорошо

известны, существуют методики их расчета, отработана технология изготовления;

8) применение заявляемого способа позволит осуществить децентрализацию

энергосистем за счет размещения первичных двигателей непосредственно у

потребителей энергии, повысить устойчивость, надежность и живучесть систем

энергопитания.

Предложенный способ может быть использован при создании двигателей для

транспортных установок любых типов, электростанций, для автономного

энергоснабжения (в том числе и в космическом пространстве), хранения криогенных

жидкостей и сельскохозяйственной продукции, опреснения воды, добычи и

концентрации химических элементов и веществ, рассеянных в окружающей среде,

утилизации отходов жизнедеятельности цивилизации и т.д. По сравнению с прототипом

предложенный способ преобразования теплоты в работу позволяет исключить

использование в двигателе любого топлива путем замены последнего охлаждением

окружающей среды, сохраняя при этом его универсальность, автономность, а также

обеспечивая экологическую чистоту и высокие технико-экономические показатели

(эффективный КПД, удельную мощность, надежность, ресурс и т.д.).

Автор Аристов Ю.В.

Ф О Р М У Л А И З О Б Р Е Т Е Н И Я

1. Способ преобразования теплоты в работу, включающий подвод теплоты к рабочему

телу от теплоотдатчика, расширение рабочего тела в расширительной машине с

преобразованием части подведенной теплоты в механическую работу и замыкание

термодинамического цикла путем отвода от отработавшего рабочего тела в

окружающую среду сбросной энтропии изотермическим сжатием последнего при

33

минимальной температуре цикла, отличающийся тем, что изотермичность сжатия

отработавшего рабочего тела достигается торможением его молекул подводимым

извне безэнтропийным излучением любой физической природы (например, лучом

лазера, мазерным излучением, ультразвуком и т.д.), преобразованием этого излучения

в результате взаимодействия с молекулами в энтропийное (например, нетепловое)

излучение и отдачей его окружающей среде.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что излучением отводят в окружающую среду

только часть сбросной энтропии, а другую часть посредством теплообмена передают

рабочему телу, направляемому к теплоотдатчику.

3. Способ по п. 12, отличающийся тем, что инициирование энтропийного излучения

осуществляют во вспомогательном рабочем теле, легко поддающемся охлаждению

при воздействии на него данного безэнтропийного излучения (например, в

одноатомном газе), а отвод сбросной энтропии от основного рабочего тела

производят посредством теплообмена последнего с охлажденным вспомогательным

рабочим телом.

4. Способ по п. 12, отличающийся тем, что рабочее тело в исходном состоянии

готовят в виде смеси жидкостей или газов, параметры безэнтропийного излучения

выбирают под компоненты, легко поддающиеся охлаждению данным излучением, а

охлаждение всей смеси осуществляют внутренним теплообменом в последней.

5. Способ по п. 14, отличающийся тем, что потери в генераторе безэнтропийного

излучения отводят в форме теплоты к рабочему телу после теплового контакта

последнего с теплоотдатчиком.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что в качестве активного вещества генератора

безэнтропийного излучения используют рабочее тело двигателя.

7. Способ по п. 1 и 2, отличающийся тем, что энтропийное нетепловое излучение

получают пропусканием рабочего тела через вихревую трубу.

8. Способ по п. 1 и 2, отличающийся тем, что энтропийное нетепловое излучение

инициируют дросселированием жидкого рабочего тела, направляемого к

теплоотдатчику, причем всю сбросную энтропию в форме теплоты передают от

отработавшего рабочего тела к жидкости до, в процессе или после дросселирования

последней.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что операцию дросселирования жидкости

повторяют несколько раз, а всю сбросную энтропию в форме теплоты передают от

отработавшего рабочего тела к жидкости порциями в промежутках между

операциями дросселирования последней.

10. Способ по п. 8 и 9, отличающийся тем, что дросселированию подвергают

вспомогательное жидкое рабочее тело (например, идентичное рабочему телу

двигателя), циркулирующее по замкнутому контуру посредством жидкостного

насоса, а всю сбросную энтропию в форме теплоты передают от отработавшего

рабочего тела к вспомогательному рабочему телу.

11. Способ по п. 17, отличающийся тем, что жидкое рабочее тело, направляемое к

теплоотдатчику, адиабатно сжимают, повышая его давление до значения,

промежуточного между минимальным и максимальным давлениями цикла,

газообразную фазу отработавшего рабочего тела после отвода от него части сбросной

энтропии излучением адиабатно сжимают до этого же давления и инжектируют в

рабочее тело, направляемое к теплоотдатчику, после чего последнее адиабатно

34

сжимают до давления, равного максимальному давлению цикла и затем приводят в

тепловой контакт с теплоотдатчиком, причем секундную подачу жидкого рабочего

тела перед первым адиабатным сжатием выбирают равной разности между текущей

секундной подачей рабочего тела в теплоотдатчик и текущей секундной инжекцией в

жидкость газообразной фазы отработавшего рабочего тела.

12. Способ по п. 17, отличающийся тем, что только что отработавшее рабочее тело

охлаждают нетепловым излучением до температуры, меньшей минимальной

температуры цикла, после чего смешивают его с ранее отработавшим рабочим телом,

имеющим в момент смешения температуру, большую минимальной температуры

цикла вследствие паразитных теплопритоков из окружающей среды, причем значение

температуры охлажденного только что отработавшего рабочего тела выбирают с

таким расчетом, чтобы температура смеси по окончании теплообмена в ней была

равна заданной минимальной температуре цикла.

13. Способ по п. 112, отличающийся тем, что спектральный состав нетеплового

излучения и его диаграмму направленности формируют (например, с помощью

переизлучателя) по критерию минимума поглощения излучения окружающей средой.

14. Способ по п. 112, отличающийся тем, что выведенное из двигателя нетепловое

излучение направляют в теплообменник, выполненный из материала, поглощающего

это излучение, а рабочее тело после нагрева в теплоотдатчике пропускают через

указанный теплообменник.

15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что в качестве материала теплообменника,

поглощающего выведенное из двигателя энтропийное излучение, используют

преобразователи энергии этого излучения в энергию электрического тока (например,

фотоэлементы).

16. Способ по п. 115, отличающийся тем, что теплообмен между веществом-

теплоотдатчиком и рабочим телом двигателя осуществляют посредством

промежуточного теплоносителя, причем если вещество-теплоотдатчик и (или)

промежуточный теплоноситель в исходном состоянии представляют собой жидкости,

то охлаждение последних ведут до температур, значения которых выше температур

их замерзания.

17. Способ по п. 115, отличающийся тем, что воздух из окружающей среды, играющий

роль теплоотдатчика, адиабатно сжимают, а затем охлаждают холодным рабочим

телом, причем охлаждение воздуха производят до температуры, несколько

превышающей точку росы при текущем давлении, после чего сжатый воздух

адиабатно расширяют с отдачей внешней работы до атмосферного давления и

отводят в окружающую среду.

18. Способ по п. 17, отличающийся тем, что после адиабатного расширения

полученным холодным воздухом охлаждают наружные (соприкасающиеся с

окружающей средой) поверхности теплоизоляции наиболее низкотемпературных

элементов двигателя (последних ступеней расширительной машины,

изотермического компрессора, питательной емкости и т.д.), после чего подогретый

воздух отводят в окружающую среду.

19. Способ по п. 17, отличающийся тем, что холодный воздух применяют для

охлаждения полезной нагрузки двигателя (например, электрогенератора) и (или)

иных надобностей (охлаждения помещений, скоропортящихся продуктов и т.д.),

после чего его отводят в окружающую среду.

35

20. Способ по п. 17, отличающийся тем, что разность температур между окружающей

средой и воздухом, охлажденным в результате адиабатного расширения последнего,

используют для получения дополнительной механической работы или (и)

электроэнергии.

Автор Аристов Ю.В.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Алабовский А.Н., Недужий И.А. Техническая термодинамика и теплопередача:

Учеб. пособие. 3-е изд., перераб. и доп. – Киев: Выща шк., 1990. 255 с., ил.

2. Куландин А.А., Тимашев С.В., Иванов В.П. Энергетические системы космических

аппаратов. М.: Машиностроение, 1972. 428 с.

36

3. Энергетические установки космических аппаратов/С.А. Подшивалов, Э.И. Иванов,

Л.И. Муратов и др.; Под общ. ред. Д.Д. Невяровского и В.С. Викторова. М.:

Энергоиздат, 1981. 223 с.

4. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. В 2 кн. Кн. 2. Учебн.

для авиац. спец. вузов/А.П. Васильев, В.М. Кудрявцев, В.А. Кузнецов и др.; Под ред.

В.М. Кудрявцева. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1993. 368 с., ил.

5 13. Григорьев В.А., Крохин Ю.И. Тепло- и массообменные аппараты криогенной

техники: Учебн. пособие для вузов. М.: Энергоиздат, 1982. 312 с., ил.

6. Техника низких температур. Под ред. Е.И. Микулина, И.В. Марфениной, А.М.

Архарова. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Энергия, 1975. 512 с., ил.

7. Мартынов А. В., Бродянский В. М. Что такое вихревая труба? М: Энергия, 1976. с.

8. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М.:

Машиностроение, 1969. 184 с., ил.

9. Бродянский В.М., Семенов А.М. Термодинамические основы криогенной техники.

М.: Энергия, 1980. 448 с., ил.

15. Основы вакуумной техники: Учебник для техникумов/А.И. Пипко, В.Я.

Плисковский, Б.И. Королев, В.И. Кузнецов. 2-е изд., перераб. и доп. М.:

Энергоиздат, 1981. 432 с., ил.

16. Газотурбинные установки. Конструкции и расчет: Справочное пособие/Под общ.

ред. Л.В. Арсеньева и В.Г. Тырышкина. Л.: Машиностроение, 1978. 232 с., ил.

17. Кузьмичев В.Е. Законы и формулы физики/Отв. ред. Тартаковский. Киев: Наук.

думка, 1989. 864 с., ил.

18. Физика космоса. Маленькая энциклопедия. Глав. ред. С.Б. Пикельнер. М.: Сов.

энциклопедия, 1976. 655 с., ил.

19. Базаров И.П. Термодинамика: Учебник. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк.,

1983. 344 с., ил.

20. Шамбадаль П. Развитие и приложения понятия энтропии. Пер. с франц. М.:

Наука. Главн. ред. физ.-мат. литературы, 1967. 278 с., ил.

21. Бродянский В.М., Фратшер В., Михалек К. Эксергетический метод и его

приложения. Под ред. В.М. Бродянского. М.: Энергоатомиздат, 1988. 288 с., ил.

22. Зельдович Я.Б. Охлаждение с помощью высокочастотной энергии//Письма в

ЖЭТФ. 1974. Т. 19. Вып. 2. С. 120123.

23. Григорьев В.А., Павлов Ю.М., Аметистов Е.В. Кипение криогенных жидкостей.

М.: Энергия, 1977. 288 с., ил.

24. Казанцев А.П. Излучение атома во внешнем электромагнитном поле//ЖЭТФ.

1974. Т. 66. Вып. 4. С. 12291236.

25. Казанцев А.П. Ускорение атомов светом//ЖЭТФ. 1974. Т. 66. Вып. 5. С.

15991612.

26. Казанцев А.П. Резонансное световое давление//УФН. 1978. Т. 124. Вып.1.

С. 113145.

27. Краснов И.В., Шапарев Н.Я. Фазировка атомных скоростей в поле бегущей

электромагнитной волны//ЖЭТФ. 1979. Т. 77. Вып. 3(9). С. 899908.

37

28. Краснов И.В. Поступательная неравновесность, индуцированная резонансным

радиационным давлением в смеси газов//ЖЭТФ. 1983. Т. 85. Вып. 5(11). С.

15631572.

29. Балыкин В.И., Летохов В.С., Сидоров А.И. Формирование интенсивного

стационарного потока холодных атомов методом лазерного замедления атомного

пучка//ЖЭТФ. 1984. Т. 86. Вып. 6. С. 20192029.

30. Гаврилюк А.П., Краснов И.В. Эффективный режим охлаждения разреженного газа

резонансных микрочастиц при одновременном действии светового давления и

неселективной силы//ЖТФ. 1985. Т. 55. Вып. 11. С. 22732275.

31 4. Чу С. Управление нейтральными частицами//Успехи физич. наук. 1999. Т.

169. Вып. 3. С. 274291.

32 5. Коэн-Тануджи К.Н. Управление атомами с помощью фотонов//Там же, с.

292304.

33 6. Филипс У.Д. Лазерное охлаждение и пленение нейтральных атомов//Там же, с.

305322.

34 7. Далибар Ж. Остановка атомов лазерным светом//Физика за рубежом. 1987: Серия

А (исследования): Сб. статей. Пер. с англ., франц. М.: Мир, 1987. 272 с., ил.

35 8. Вайнленд Д., Итано В. Лазерное охлаждение//Физика за рубежом. 1989: Серия А

(исследования): Сб. статей. Пер. с англ., франц. М.: Мир, 1989. 208 с., ил.

36 9. Миногин В.Г., Летохов В.С. Давление лазерного излучения на атомы. М:

Наука: Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. 224 с. (Сер. "Совр. пробл. физики").

37 10. Павлик Б.Д. Холодные и ультрахолодные атомы. К.: Наукова думка, 1993.

263 с.

38 11. Развитие методов охлаждения и пленения атомов с помощью лазерного света

(информация Нобелевского комитета)//Успехи физич. наук. 1999. Т. 169. Вып. 3.

С. 271273.

39 31. Лазерное излучение. Под общ. ред. В.Я. Гранкина. М.: Воениздат, 1977. 192

с., ил.

40 32. Мак А.А., Сомс Л.Н., Фромзель В.А., Яшин В.Е. Лазеры на неодимовом стекле.

М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1990. 288 с., ил.

41 33. Канаев А.А., Копп И.З. Судовые и стационарные жидкометаллические

энергетические установки. Л.: Судостроение, 1968. 320 с., ил.

42 34. Дружинин Н.Г., Марков Г.П., Станко В.И. Звучащий "свет" и "светящийся"

звук. М.: Знание, 1989. 64 с. (Новое в жизни, науке, технике. Сер. "Физика"; №

9).

43 35. Лазеры в технологии. Под ред. М.Ф. Стельмаха. М.: Энергия, 1975. 216 с.,

ил.

44 36. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред. М.: Энергия, 1968.

423 с., ил.

39. Чижиков Ю.В. О подобии течений в вихревой трубе//Изв. РАН. Энергетика.

1997. № 5. С. 122128.

47 40. Пиралишвили Ш.А., Поляев В.М., Сергеев М.Н. Термогазодинамический анализ

природы энергоразделения в вихревой трубе//Изв. РАН. Энергетика. 1999. № 2.

С. 8796.

38

48 41. В.Е. Финько. Особенности охлаждения и сжижения газа в вихревом

потоке//Журн. техн. физики. 1983. Т. 53. Вып. 9. С. 17701776.

42. Котоусов Л.С. К ожижению газов в вихревом охладителе//Журн. техн. физики.

1991. Т. 61. Вып. 2. С. 6671.

43. Гуляев А.И. Эффект Ранка при низких температурах//Инж.-физич. журн. 1965.

Т. 9. - № 3. С. 354357.

44. А.с. 334405 СССР, МКИ F 04 b 51/00. Гидродинамическая установка для

кавитационных испытаний/А.И. Колдамасов, В.А. Сударушкин (СССР). Заявл.

13.06.1970, № 1446440/24-6//Открытия. Изобретения. Промышленные образцы.

Товарные знаки. 1972. № 12. С. 138.

45. Колдамасов А.И. Плазменное образование в кавитирующей диэлектрической

жидкости//Журн. техн. физики. 1991. Т. 61. Вып. 2. С. 188190.

46. Бурдаков В.П., Данилов Ю.И. Физические проблемы космической тяговой

энергетики. М.: Атомиздат, 1969. 400 с., ил.

47. Бурдаков В.П. Электроэнергия из космоса. М.: Энергоатомиздат, 1991. 152 с.,

ил.

48. Розоноэр Л.И., Цирлин А.М. Оптимальное управление термодинамическими

процессами. I//Автоматика и телемеханика. 1983. № 1. С. 7079.

49. Розоноэр Л.И., Цирлин А.М. Оптимальное управление термодинамическими

процессами. II//Автоматика и телемеханика. - 1983. № 2. С. 88101.

50. Розоноэр Л.И., Цирлин А.М. Оптимальное управление термодинамическими

процессами. III//Автоматика и телемеханика. 1983. № 3. С. 5064.

51 20. Бродянский В.М. Вечный двигатель прежде и теперь. От утопии к науке, от

науки к утопии. М.: Энергоатомиздат, 1989. 256 с., ил.

52 22. Фастовский В.Г., Петровский Ю.В., Ровинский А.Е. Криогенная техника. Под ред.

В.Г. Фастовского. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Энергия, 1974. 496 с., ил.

53 26. Салль С.А. К вопросу о природе свечения шаровой молнии//ЖТФ. 1992. Т.

62. Вып. 6. С. 205210.

54 27. Дробышев А.С., Самышкин Е.А. Установка для исследования излучения при

осаждении газов на холодную подложку//ПТЭ. 1997. № 3. С. 156158.