From igor@mail.eunet.lv Sun Oct 10 04:45:07 1999
Newsgroups: relcom.sci.philosophy
Subject: Re: Теория Управления.
From: Игорь Тимофеев
Date: Sat, 09 Oct 1999 22:45:07 +0300
--------
Публикуется по просьбе root@tehmet.vdonsk.ru
Re: Теория управления (детандер, принцип работы и перспективы)
В данной публикации я изложил своё видение основного принципа
работы детандера, как тепловой машины и перспективы его применения.
Данное видение появилось, к сожалению, не благодаря,
а вопреки неконструктивному подходу к дискуссии
SK - Serge Kravchuk ,
может в этом и была его положительная роль.
RT - это я .
Здесь я оставил от всего нашего пустопорожнего флейма
то, что хоть как-то относится к делу, рассматривайте это как введение.
Введение.
--------
>RT > Серьёзно : я просил вас объяснить факты "разноса" детандера,
>RT > которые могли наблюдаться и от чего мог отталкиваться Вашкевич.
>RT > Жую :
>RT > Если при работе дизеля фаза сжатия вызывает противодействующий
>RT >"взрыв давления", при к-ром выделяется "химическая энергия" топлива,
>RT > то, возможно ?!! - в детандере фаза разряжения вызывает "взрыв
>RT > разряжения",
>RT > при котором выделяется "тепловая энергия хаотического движения",
>RT > что, собственно, не противоречит закону сохранения энергии.
>
SK>Происходит конденсация, часть рабочего тела переходит в жидкую
SK>фазу, часть остается в виде газа. Если замыкать цикл, этот
SK>газ придется опять сжимать. Элементарные расчеты показывают,
SK>что требуемая при этом работа и теплосъем больше, чем
SK>хотелось бы Вашкевичу.
...
>RT > Никто здесь не собирается делать из детандера
>RT > "перпетум мобиле", я спрашивал о том, эффекте, который
>RT > называют "совершением внешней работы".
>
SK>Ну есть таковой. Совершается внешняя работа. За счет
SK>расширения газа. Тот, бедолага, при этом жутко
SK>мерзнет и от этого частично сжижается :-)
Вот это сжижение и есть "взрыв разряжения" -
это значит, что не нужно этот газ обратно "сжимать",
он "сгорел" на фазе сжижения, как "топливо"
и вытек в виде жидкости.
Т.е. в идеале данный эффект может быть использован как двигатель,
всё дело в соотношении доли сжижения и потерь трения.
Мы имеем точно такой же гистерезис на диаграмме (p, V),
как и в дизельном двигателе, только она расположена
ниже уровня внешнего давления и имеет меньший размах.
1. Детандер в общем виде.
----------------------
1. Если эффект сжижения превышает потери на трение, теплопередачу
и поддержку вакуума с обратной стороны рабочего цилиндра, то детандер
вполне может быть двигателем, "топливом" которого служит
температура и давление внешней среды (атмосферы),
а "выхлопом" охлаждённый и сжиженный газ (воздух).
При этом не наблюдается нарушения ЗСЭ.
2. Если эффект сжижения сравним с потерями, то детандер
изначально запускаемый и поддерживаемый электродвигателем
постоянного тока с последовательным возбуждением
(обычно такие и используют для пуска) может пойти вразнос,
т.к. подобные двигатели имеют крутопадающую характеристику
по диаграмме (момент на валу, частота вращения),
и не ограничены сверху частотой вращения, т.е. будут разгоняться
пока не упрутся в динамическое сопротивление среды
(здесь инерционность процесса сжижения), либо разрушение
элементов конструкции от неуравновешенных центробежных сил.
3. Если же эффект сжижения заметно менее потерь,
то и разговаривать собственно не о чём.
Собственно от SK, как спеца, хотелось услышать объяснение эффекта
"совершения внешней работы", чтобы понять причину снижения температуры.
Но опять выходит придётся домысливать самому с "нуля",
т.е. с уровня базовых представлений.
2. Физика тепловой машины в самом общем виде.
-----------------------------------------
Идеальный газ - это множество мельчайших частиц (молекул),
движущихся хаотично и испытывающих упругие столкновения,
где длина их свободного пробега значительно превышает расстояние
"действия" межмолекулярных сил.
Температура такого газа, характеризуется кинетической энергией
движущихся молекул, т.е. средней скоростью их движения.
Рассмотрим цилиндр с таким газом и движущийся в нём поршень.
Сжатие : взаимодействие движущегося поршня с газом на примере
одной молекулы - это как столкновение двух тел различной массы
(mv и MV) по закону сохранения импульса, при этом большое тело как бы
слегка замедляется, а маленькое ускоряется, при этом когда
lim m/M --> 0, то замедление большого тела несравнимо мало,
а ускорение малого происходит на величину скорости
большого тела v = v0 + V.
Аналогично, когда движение поршня происходит за счёт разности
давлений (с обратной стороны поршня вакуум), тогда молекулы газа
как бы толкают поршень и скорость их движения уменьшается
на величину v = v0 - V.
Вот такова основная причина нагрева при сжатии и охлаждения при
расширении идеального газа.
3. Принципиальный технический анализ (в самом первом приближении).
--------------------------------------------------------------
А теперь попробуем в самом грубом приближении оценить
порядок величины технических параметров детандера,
работающего от атмосферных условий.
Очевидно, что с ростом соотношения V/v и приближения к V = v
мы входим в зону оптимальных режимов работы таковой машины,
так как сверху V - скорость хода поршня ограничена динамикой
самого газа - v, скоростью движения молекул,
а снизу V ограничена тем, что при малых значениях V/v теплопередача
через стенки конструкции машины нивелирует весь термоэффект.
Таким образом, требуется создать достаточно высокую "термическую
движущую силу" - ТДС за счёт высокого соотношения V/v
и высокое сопротивление теплопередаче через стенки конструкции
применением соответствующих материалов (высоконикелевых сплавов)
и пористой и пустотелой структуры элементов конструкции.
Порядок v - скорости молекул воздуха где-то возле скорости звука, 300
м/с,
поэтому рассмотрим параметры машины при порядке скорости поршня - 100
м/с,
сотни метров в секунду.
Для поршневых конструкций двигателей скоростные параметры
(частота вращения вала) порядка 50-100 об/сек (3000-6000 об/мин),
здесь находится оптимум их работы, который определяется
тем, что чем выше частота вращения, тем выше КПД и удельная мощность
машины, но она, видимо, ограничена сверху возможностями точности
изготовления и характеристиками применяемых материалов,
причём чем больше рабочий объём, тем ниже частота вращения.
Исходя из этого определяем порядок размера хода поршня для
частоты 50 об/с (Гц) : h = V/(2*w) = 100/(2*50) = 1 метр.
Оптимальность конструкций поршневых систем определяется
где-то равенством диаметра поршня его ходу, поэтому
определим порядок мощности машины как :
P = p*h*h*h*w,
где p - давление в цилиндре, порядок 10^5 Па (1 атм),
h - ход поршня, порядок 1 м,
w - частота вращения вала, порядок 50 Гц,
P = 10^5*1*1*1*50 = 5 000 000 = 5000 кВт,
Теперь определим порядок веса такой машины,
исходя из того что вес пропорционален кубу размера,
и примерной плотности поршневых двигателей - сотни кг на сотни мм,
100 кг/100 мм (реально где-то 300 кг на 70-80 мм, но мы оцениваем
порядок, поэтому ошибка даже в 10 раз допустима),
M = 100/100 * (1м/0.1м)^3 = 1 000 000 кг = 1000 тн,
т.е. имеем двигатель, где мощность порядка 5000 кВт,
а вес порядка 1000 тн,
его удельная мощность 5000/1000 = 5 кВт/тн,
сравним с обычным ДВС (где-то 50 кВт на 200 кг) = 250 кВт/тн,
таким образом порядок удельной мощности "оптимального детандера"
в сотню раз меньше имеющихся ДВС, а это очень близко к
порядку коэффициента трения скольжения 0.01 - 0.0001 в
системах металл-металл со смазкой.
Т.о., использование детандера в качестве двигателя
при существующем уровне развития поршневых систем нецелесообразно.
Основная проблема - низкая удельная мощность,
видимо, для поршневых систем с преобразованием поступательного
движения во вращательное с использованием имеющихся материалов
предел частоты вращения в несколько сотен Гц непреодолим,
тут, наверное, нужно отказываться от кривошипо-шатунного принципа,
либо вообще от преобразования во вращательное движение.
Но это вовсе не значит, что применение детандерного
принципа в качестве энергетической установки следует
отложить в долгий ящик.
Представляется перспективным использование стационарных
детандерных установок в комплексе оборудования ТЭС и АЭС,
с целью снижения теплового загрязнения окружающей среды
и повышения комплексного КПД таких систем.
Особенно для АЭС, так как использование АЭС-теплоснабжения
не вызывает энтузиазма у населения, а тепловое загрязнение
чрезвычайно высокое, и использование прудов-охладителей
встречает сопротивление со стороны экологов,
поэтому включение детандера в комплекс энергетического
оборудования позволило бы замкнуть тепловой цикл и сделать
АЭС более безопасными с одной стороны, а с другой размещать
их вообще вдали от любых водоёмов, где-нибудь в пустынях,
подальше от зон обитания.
Заключение.
----------
Надеюсь, мне удалось достаточно популярно изложить
принцип работы детандера, пролить свет на суть "энергетики"
данного процесса, на то, откуда у детандера возникает
движущая сила.
И надеюсь, теперь понятно почему детандер не может
быть "перпетум мобиле" (нужен внешний приток тепла и давления).
И главное, надеюсь, теперь В.Н.Вашкевич отнесётся
к данной статье внимательно, поймёт всё здесь изложенное
и НЕ ВПАДЁТ В УНЫНИЕ !!! так как я показал ему область
приложения усилий и при его энтузиазме в направлении
детандерной эволюции он сможет обработать Академию Наук и
иже, дабы данная тема не заглохла, а развивалась с тем,
чтобы принести совершенно конкретную и очевидную пользу.
Сергей И.
ответы и вопросы дублируйте на майл
--- root@tehmet.vdonsk.ru ---
Built by Text2Html