Способ преобразования энергии и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области физики преобразования одних видов энергии в другие,может найти Широкое применение в энергетике,в частности, в энергомашино- и двигателестроеНИИ.В настоящее время, практически во всех сферах деятельности человечества используются способы преобразования одних видов энергии в другие, которые разрабатывались на базе существующего мировоззрения, общепризнанНЫХ НЗУЧНЪТХ ОСНОВ, В ТОМ ЧИСЛС ВКЛТОЧЗЮЩИХ ИЗВССТНЬТС, ВОЗВСДСННЬТС В ранг ЗЗКОНОВ, ОСНОВЬТ классической механики и термодинамики.Естественно, только эти, а не другие научНЬТС ОСНОВЫ, СУЩССТВУТОЩИС МСТОДЬТ И ПОДХОДЫ,предопределяют качественное и количественное содержание рабочих процессов преобразования энергии, недостатки и преимущества существующих устройств. Так например, разработанные на базе классической механши и термодинамики энергоустановки, служащие для преобразования ТСПЛОТЬТ В НСООХОДИМЬТС ВИДЫ ПОЛСЗной энергии, обладают весьма серьезными недостатками, к которым относятся:- большие потери энергии на организацию рабочих процессов;- большие нагрузки на рабочие органы;- большой расход и применение дорогих ВИДОВ топлива.Перечисленные недостатки, приведшие к образованию чрезвычайшо сложной экологической обстановки на нашей планете, указывают на НССОВСрШСНСТВО НЗУЧНЬТХ МСТОДОВ И ПОДХОдов, которые в настоящее время не позволяют раскрыть потенциальные возможности испольЗУСМЬТХ В НЗСТОЯЩСС ВрСМЯ ИСТОЧНИКОВ ЗНСрГИИ и систем, служащих для преобразования одних ее видов в другие.Энергосодержание указанных источников,В системах, С КОТОрЫМИ ОНИ ВЗЗИМОДСЙСТВУЮТ В процессах преобразования энергии, гораздо ВЬТШС, ЧСМ ТО, ЧТО УЧИТЬТВЗСТСЯ В так НЗЗЬТВЗСмом энергетическом балансе.Несовершенство научных методов и подходов, применяемых при разработке и анализе способов преобразования энергии, заключается В ОТСУТСТВИИ ПОНЯТИЯ ПОТСрЬ ЗНСрГТ/Ш, СВЯЗЗННЬТХ со снижением работоспособности (при изменении состояния) источников энергии и систем,служащих для ее преобразования.Работоспособность источников энергии и систем, служащих для ее преобразования, непосредственно зависит от комплекса причинноследственных физических факторов, а именно,места или мест, зоны или зон приложения силы или сил воздействия преобразуемой энергии,НЗПРЗВЛСНРПЙ, ВСЛИЧИН СИЛОВЬТХ И ДИНЗМИЧССКИХ параметров указанного воздействия в системах,реагирующих на это воздействие, в том числе включающих параметры колебаний и волн, со 000327провождающих любой процесс преобразования энергг/Ш.К сожалению, практически во всех энергоустановках и двигателях, известных в настоящее время, процессы преобразования энергии направлены на понижение работоспособности как ИСПОЛЬЗУСМЬТХ ИСТОЧНИКОВ ЗНСрГИИ, так И СИСтем, служащих для ее преобразования. Это обусловлено тем, что указанные процессы разрабатывались без должного учета вышеуказанных факторов и внимания к ним. Такое отношение к названным факторам предопределило высокий УрОВСНЬ ПОТСрЬ, И, СООТВСТСТВСННО, недостатки современных энергоустановок и двигателей,рабочие процессы преобразования энергии в которых следует квалифицировать как низкоэффективные.Так, например, любое современное тепловое устройство, будь то двигатель внутреннего сгорания или тепловая станция, представляет собой низкоэффективное устройство с низкоэффективными рабочими процессами, потому ЧТО В НИХ на ИСТОЧНИК ТСПЛОТЬТ, как ИСТОЧНИК колебаний атомов и молекул, не оказывается должного физического воздействия, которое СНИЯЩПО бЬТ ПОТСрИ ЗНСрГИИ, СВЯЗЗННЬТС С ИЗМСнением состояния указанного источника, в процессе передачи от него теплоты рабочему телу или энергоносителю.Отсутствие должного эффективного воздействия сил преобразуемой энергии на рабочие ОРГЗНЬТ В СУЩССТВУЮЩИХ МСХЗНИЧССКИХ ИЛИ электромеханических системах привело к значительному снижению работоспособности поСПСДНИХ.Так, например, работоспособность поршНСВЬТХ ДВИГЗТСЛСЙ С КрИВОШИПНО-ШЗТУННЬТМ МСханизмом зависит от увеличения плеча приложения сил воздействия используемого рабочего тела на кривошип. Максимальное значение этого плеча, а, следовательно, работоспособность кривошигшо-шатунного механизма соответствуют расположению шатуна относительно кривошипа под углом в 90. К сожалению, при максимальной потенциально возможной работоспоСОбНОСТИ КрИВОШИПНО-ШЗТУННОГО МСХЗНИЗМЗ В существующих поршневых двигателях воздействие сил рабочего тела на поршень, и соответСТВСННО на КрИВОШИП, МИНИМЗЛЬНОС, ПОТОМУ ЧТО в этот момент расширение рабочего тела практически завершилось. Это указывает на необхоДИМОСТЬ В ПОрШНСВЬТХ ДВИГЗТСЛЯХ ПСрСМСЩСНИЯ приложения сил воздействия рабочего тела на кривошигшо-шатунный механизм в положенгш его максимальной работоспособности.Аналогичная картина просматривается в любом устройстве, используемом в настоящее время, для преобразования одного вида энергии в другой.Учитывая то, что способы преобразования энергии, на базе которых были созданы совреМСННЬТС энергоустановки И ДВИГЗТСЛИ, ПО ВЬТШС указанным причинам являются низкоэффективньтми, цель предлагаемого изобретения заключается в разработке экологически безопасного,вьтсокоэффективного способа преобразования энергии и устройств для его осуществления,которые создали бы научно-технические, технологические и морально-этические предпосылки,необходимые для разрешения чрезвьтчайно сложных экологических, энергетических, социально-экономических и духовно-этических проблем.Применяемые в предлагаемом изобретении методы и подходы направлены на обеспечение резонансных режимов, непосредственно ВЛИШОЩИХ НЯ ПОВЬТШСНИС УДСЛЬНОГО ВЫХОДЯ ПОлезной энергии, образуемой при преобразовании одного ее вида в другой. Это обеспечение предусматривает как на макро- так и микроуровнях разумное использование комплекса физических факторов, а именно места или мест,зоны или зон приложения силы или сил воздействия преобразуемой энергии, направлений,ВСЛИЧИН СИЛОВЫХ И ДИНЯМИЧССКИХ ПЯрЯМСТрОВ указанного воздействия в системах, реагирующих на это воздействие. Указанные факторы определяют качественное и количественное содержание практически всех процессов преобраЗОВЯНИЯ ЗНСрГТ/Ш, ИЗВССТНЪТХ В НЯСТОЯЩСС ВрСМЯ.К резонансным режимам, непосредственно ВЛИШОЩИМ НЯ ПОВЬТШСНИС УДСЛЬНОГО ВЫХОДЯ полезной энергии, предрасположены практически все известные в настоящее время способы преобразования энергии и устройства для их осуществления, поэтому в качестве аналога изобретения выбран широко известный способ преобразования исходного вида энергии, например, энергии рабочего тела в жидком или газообразном состоянии, тепловой, электрической энергии или другого ее вида, в необходимьтй полезный вид энергии, в качестве прототипа - выбраны установка и способ, изложенные в публикациях патента США Мг 3991574. Этот способ включает преобразование энергии рабочего тела в газообразном состоянии в полезную механическую энергию и резонансный режим,косвенно влияющий на повышение удельного ВЫХОДЯ ПОЛСЗНОЙ ЗНСрГИИ ЗЯ СЧСТ УМСНЬШСНИЯ потерь, связанных с ускорением и замедлением возвратно-поступательно перемещающихся масс.Одним из недостатков указанного способа является то, что его резонансный режим непосредственно не связан с вводом в резонанс физических факторов, характеризующих, количественно и качественно определяющих содержание указанного преобразования.В основу изобретения, определяющую его единый технический замысел, новизну, уровень ТСХНИКИ И ПРОМЬТШЛСННУЮ ПрИМСНИМОСТЬ, ПОложена задача, заключающаяся в раскрьттии ПОТСНЦИЯЛЬНЬТХ ВОЗМОЯСНОСТСЙ ПОВЬТШСНИЯ Эффективности использования преобразуемьтх ви 000327дов энергии и работоспособности систем, служащих для ее преобразования.Поставленная задача достигается в энергоустановке или двигателе способом преобразования одного исходного вида энергии, например,энергии рабочего тела в жидком или газообразном состоянии, тепловой или электрической энергии в другой, необходимый вид полезной энергии, включающем резонансное обеспечение, непосредственно влияющее на повышение удельного выхода полезной энергии.Сущность предлагаемого способа заключается в том, что преобразование одного исходного вида энергии в другой полезнообразуемьтй вид, осуществляемое с помощью вынуждающего воздействия силы или сил исходной, преобразуемой энергии на, по меньшей мере, один,воспринимающий и преобразующий это воздействие в необходимый полезнообразуемый вид энергии, источник колебаний, входящий в систему преобразования энергии или соединенный с ней, выполняется в резонансном реэкшие,предназначенном для улучшения использования комплекса физических факторов, сопровождающих этот процесс и непосредственно ВЛИЯЮЩИХ НЯ ПОВЬТШСНИС В НСМ УДСЛЬНОГО ВЫхода полезной энергии, а в наиболее совершенных системах - и для воспроизводства исходной,преобразуемой энергии. Достигается указанный резонансный режим путем того, что вЬ 1 нуждающее воздействие силы или сил исходного вида энергии на источник колебаний, воспринимающий и непосредственно преобразующий это воздействие в другой полезнообразуемый ВИД ЗНСрГИИ, ОКЯЗЬТВЯСТСЯ В рСЗОНЯНСНЫХ МССТС или местах, зоне или зонах и направлении, в которых частота колебаний указанного воздействия приближается к частоте собственных колебаний образуемых указанным источником,причем указанные место или места, зону или зоны и направление определяется по потенциально существующей в системе возможности реализации указанного приближения.Реализация в способе указанного воспроизводства, достигается путем того, что на источник преобразуемой энергии или в направлении воздействия этой энергии оказьтвается силовое воздействие со стороны указанного источника колебаний.Реализация предлагаемого способа возможна по нескольким направлениям (группам) повышения работоспособности систем, служащих для преобразования энергии.1. Направление (труппа) повышения рабоТОСПОСОбНОСТИ ТСПЛОВЬТХ И ТСрМОДИНЯМИЧССКИХ систем.В этом направлении резонансный режим,используемьтй непосредственно для повышения удельного выхода полезной энергии, в способе достигается при преобразовании теплоты в энергию рабочего тела или ее носителя, путем ТОГО, ЧТО НЯ ИСТОЧНИК ТСПЛОТЬТ, НЯХОДЯЩИЙСЯ Врабочей камере и являющийся источником колебаний атомов и молекул, одновременно с процессом передачи от него теплоты рабочему телу или энергоносителю, оказывается управляемое, сжимающее воздействие непрерывного или циклического, объемного или местного характера. Реэкимом и величиной указанного возДСЙСТВИЯ поддерживается СОСТОЯНИС ИСТОЧНИКЗ ТСПЛОТЫ на резонансном термодинамическом уровне, определяемом замедлением снижения физически связанных между собой частоты колебаний атомов и молекул, давления и температуры этого источника, или определяемом отсутСТВИСМ СНШКСНИЯ фИЗИЧССКИ СВЯЗЗННЫХ МСЖДУ собой частоты колебаний атомов и молекул,давления и температуры указанного источника. Резонансные место или зона в термодинамической системе определяется по потенциально существующей в этой системе возможности указанных замедления или исключения.Например, в процессе регулируемой передачи теплоты рабочему телу или энергоносителю на массу источника теплоты оказывается сжимающее воздействие в режиме постоянного давления величиной 100 кг/см 2 и постоянной температуры величиной 4000 С. В этом режиме частота колебаний атомов и молекул используемого источника не снижается.В процессе преобразования энергии в каЧССТВС ИСТОЧНИКЗ ТСПЛОТЫ МОЖСТ ИСПОЛЬЗОВЗТЬся масса вещества или веществ в любом состоянии, например, газообразном, масса нагретого воздуха и/или масса продуктов сгорания, а в качестве рабочего тела или энергоносителя масса ВОДЫ ИЛИ ВОДЯНОГО пара.Передача теплоты от ее источника к рабочему телу или энергоносителю осуществляется либо через поверхности теплопередачи, либо при непосредственном контакте тел.По одному из вариантов в процессе преобразования энергии в качестве источника управляемого сжимающего воздействия на источник теплоты используется масса вещества или веществ, поглощающих эту теплоту, при этом выполняется подбор таких веществ, участвующих в процессе, таких соотношений масс этих веществ, и такие параметры их состояния, при которых обеспечивается указанный резонансный термодинамический режим с указанным резонансным обеспечением.В процессе преобразования энергии управляемое сясимающее воздействие на источник теплоты может осуществляться при помощи специального органа, например, поршня, расположенного в рабочем цилиндре.Возможно управляемое сясимающее возДСЙСТВИС на ИСТОЧНИК ТСПЛОТЫ ОСУЩССТВЛЯТЬ через непосредственный контакт с массой вещества или веществ, поглощающей эту теплоту и используемой для осуществления указанного воздействия.В процессе преобразования энергии теплообмен между массой источника теплоты и массой вещества или веществ, поглощающих эту теплоту, возможно осуществлять при их смешивании в общей рабочей камере, при этом резонансный реэким, используемый непосредственно для повышения удельного вЬ 1 Хода полезной энергии, достигается путем того, что подбираются такие вещества, такие соотношения масс этих веществ, такие параметры их состояний,ПрИ КОТОрЫХ СКОрОСТЬ ПОВЫШСНИЯ ДЗВЛСНИЯ массы вещества или веществ, поглощающих теплоту, приближается, соответствует или превышает, например, как при управляемом взрЬ 1 ве, скорость изменения давления массы вещества ИЛИ ВСЩССТВ, ВЬЩСЛШОЩИХ И передающих ЭТУ теплоту, в процессе этой теплопередачи.По одному из вариантов в процессе преобразования энергии управляемое сяшмающее воздействие на массу вещества или веществ,выделяющих и передающих теплоту или участвующих в процессе теплообмена в общей рабочей камере, осуществляется при помощи аккумулятора давления.Для повышения теплового потенциала(температуры) указанного источника целесообразно до начала перехода от него теплоты к массе рабочего тела или энергоносителя, выполнять предварительное сжатие массы источника, например, в тепловой рабочей камере, при этом подбираются такие начальные параметры температуры И ДЗВЛСНИЯ ИСТОЧНИКЗ ТСПЛОТЫ,при которых наступает значительное или максимально возможное увеличение выхода квант ЗНСрГРШ ТСПЛОТЫ, ИЛИ ПРОСТО УДСЛЬНОГО ВЫХОДЗ теплоты по отношению к подводит/той на предварительное сЖатие энергии, например, мехаъшческой, например, осуществляется сжатие массы воздуха с начальными параметрами температуры 1 ОООС и давления 1 кг/см 2 до давления 100 кг/см 2 и температуры, соответствующей температуре его газообразного состояния при ЭТОМ сжатии.Возможен вариант, при котором в процессе преобразования энергии, до начала перехода теплоты от массы ее источника к массе рабочего тела или энергоносителя, осуществляется отвод теплоты на предварительный нагрев масс воздуха и/или топлива, подаваемых в указанную камеру, например, от цилиндрической поверхности удлиненной камеры сгорания, до температуры нагрева воздуха более 600 С и топлива более 1 ООС, или до параметров, приближающихся к параметрам взрыва.Также возможен вариант, когда в процессе преобразования энергии в качестве источника теплоты используется масса продуктов сгорания, а управляемое сжимающее воздействие на эту массу осуществляется в камере сгорания водогрейной или паровой котельной установки, В камере ДВИГЗТСЛЯ ВНУТРСННСГО ИЛИ ВНСШНСГО сгорания.По другому варианту в процессе преобраЗОВЗНИЯ ЗНСрГРШ В КЗЧССТВС ИСТОЧНИКЗ ТСПЛОТЫ используется масса продуктов сгорания, а управляемое сжимающее воздействие на эту массу осуществляется в камере сгорания поршневого двигателя посредством управляемой подачи водяного пара или перегретой воды, с поМОЩЬЮ КОТОРЫХ ДВИГЗТСЛЬ ВЫВОДЯТ на температурный режим работы до достижения температуры парогазовой смеси в начале процесса расширения рабочего тела в пределах 300-1000 С.Еще по одному варианту в процессе преобразования энергии в качестве источника теплоты, используется масса продуктов сгорания, а управляемое сжимающее воздействие на эту массу осуществляется в камере сгорания газотурбинного или турбореактивного двигателя путем того, что в эту камеру или перед входом на турбину выполняется управляемая подача водяного пара или перегретой воды, посредстВОМ КОТОРЫХ ДВИГЗТСЛЬ ВЫВОДЯТ на температурный режим с параметрами температуры на входе в турбшту в пределах 3 О 0-600 С, при этом,как правило, уменьшают подачу воздуха на охлаждение продуктов сгорания перед указанным входом на турбину.В ракетных двигателях также целесообразно выполнять управляемую подачу водяного пара или перегретой воды в камеру сгорания до достижения параметров температуры на выходе из двигателя ниже 15 ООС.Указанные температурные режимы в поршневых, газотурбинных, турбореактивных и ракетных ДВИГЗТСЛЯХ СООТВСТСТВУЪОТ наиболее эффективному резонансному обеспечению, повышающему в них энергию рабочего тела и соответственно удельный выход полезной энерГИИ.ПрИМСНИТСЛЬНО К ПОрШНСВЫМ ДВИГЗТСЛЯМ,в процессе преобразования энергии в качестве тела, поглощающего теплоту и повышающего работоспособность системы, служащей для преобразования энергии, используется масса воды в любом агрегатном состоянии, в качестве источника теплоты масса предварительно нагретого в процессе сжатия воздуха и/или масса продуктов сгорания, а управляемое сжимающее воздействие на указанные массы осуществляется в камере сгорания двигателя посредством вспомогательного или газового поршня, являющегося исполнительным органом аккумулятора давлеНИЯ.ПОМОЩИ НСГО ЗНСрГИЯ СЯЩТИЯ МЗССЫ воздуха аккумулируется, а затем упреждается снижение его давления при передаче теплоты массе топлива, аккумулируется энергия процессов горения и образования парогазовой смеси с ОДНОВРСМСНЪПЯМ ЗВТОМЗТИЧССКИМ СЯСИМЗЮЩИМ воздействием на указанные массы, участвующие в указанных процессах.Примет-Штельно К парогазовым турбинам в качестве дополнительного источника теплоты используется масса воздуха предварительно нагретого в процессе сжатия в компрессоре и смешиваемого с водяным паром в рабочей камере. Образуемая паровоздушная смесь из камеры подается на парогазовую турбшту, при этом управляемое сжимающее воздействие на массу воздуха осуществляется за счет повышения давления водяного пара, образуемого в процессе теплопередачи.Как правило, управление сжимающим воздействием в процессе преобразования энергии осуществляется путем регулирования параметров источника этого воздействия, например,давления газообразного рабочего тела аккумулятора давления, используемого для этой цели.По одному из вариантов в качестве источника управляемого сяшмающего воздействия на источник теплоты используется водяной пар,одновременно являющийся рабочим телом аккумулятора давления.В случае необходимости, в процессе преобразования энергии одновременно с управлением сжимающши воздействием, осуществляется управление процессом передачи теплоты от ее источника телу, поглощающему теплоту, путем регулирования давления и расхода последнего.2. Направление повышения работоспособНОСТИ МСХЗНИЧССКИХ СИСТ СМ.В этом направлении способ осуществляется в процессе преобразования любого исходного вида энергии в другой вид энергт/Ш, например,механическую, в качестве источника колебаний или волн используется механический источник,включающий, по меньшей мере, один вращающийся орган и соединенные с НИМ, например,посредством узла или узлов, рабочий орган или рабочие органы, воспринимающие воздействие сил преобразуемой энергии, которое выполняется в резонансном режиме, используемом неПОСрСДСТВСННО ДЛЯ ПОВЫШСНИЯ УДСЛЬНОГО ВЬЕХОда полезной энергии, в направлении и с частотой, приближающихся к направлению вектора максимальной линейной скорости вращающегося органа и частоте колебаний и механических волн, образуемых, например, указанными узлом(узлами) в указанном процессе, при этом резонансное место или места, зона или зоны приложения указанного воздействия определяется по потенциально существующей механической системе указанного приближения. Приближение воздействия сил преобразуемой энергии к направлению вектора максимальной линейной скорости вращающегося органа в указаъшом процессе осуществляется с помощью тела или тел, органа или органов, вспомогательного привода или вспомогательной системы, посредством которых перемещают и/или концентрируют указанное воздействие в нужном направлении.