УДК 539.219.1

В.Б. Цомая, канд. техн. Мурманское отделение Секции прикладных проблем при КНЦ РАН

ТЕРМОМОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕЕ ПРИМЕНЕНИЯ

Рассмотрены основные принципы нового научного направления, приводятся составы разработанных гетерогенных рабочих тел, обладающих в 100-1000 раз лучшими энергетическими показателями, чем пар и газ. Изложена физическая сущность новых способов аккумулирования и преобразования энергии. Даны возможные сферы применения термомолекулярной энергетики.

Анализ развития энергетики за последние 100-150 лет показывает, что тепловые двигатели, установки, а также ряд аккумулирующих и демпфирующих устройств в качестве рабочего тела используют пар или газ. Практически достигнут предел по накоплению и преобразованию энергии с помощью традиционных рабочих тел, и трудно ожидать заметного улучшения таких параметров, как термический КПД, энергоемкость и т.п. при решении новых технических задач.

В настоящее время ведутся работы по разработке и созданию нового гетерогенного рабочего тела (ГРТ) на основе использования поверхностных явлений в высокодисперсных системах.

Более высокие по сравнению с традиционными рабочими телами термодинамическая компактность ГРТ – энергообразующая способность единицы объема рабочего тела, отнесенная к 1°С рабочего перепада температур в цикле – (на 2-3 порядка) и энергоемкость (на 1-2 порядка) получаются в результате того, что энергетические преобразования ГРТ основаны на зависимости потенциальной энергии межмолекулярного взаимодействия от температуры процесса, в то время как у традиционных рабочих тел (пара, газа) энергопреобразующие процессы основаны на использовании зависимости кинетической энергии хаотического движения молекул от температуры.

ГРТ представляет собой гетерогенную термодинамическую систему "жидкость – капиллярно-пористая матрица, не смачиваемая этой жидкостью", в которой работу совершает межфазная лиофобная (несмачиваемая) развитая поверхность между жидкостью и капиллярно-пористой матрицей.

Допустим, требуется раскатать каплю воды по поверхности стола. Для этого необходимо затратить большую энергию, в результате чего произойдет развитие межфазной поверхности. Обратно в каплю жидкость соберется под действием межмолекулярных сил, при этом происходит сокращение межфазной поверхности и совершается полезная работа. Используя в качестве капиллярно-пористых матриц высокодисперсные вещества с большим объемом порового пространства и диаметром пор 5-10 нм, можно в 1 г вещества получать до нескольких тысяч квадратных метров поверхности. Таким образом, работа, совершаемая межфазной поверхностью, может достигать очень больших значений.

Разработка и создание технологий на основе термомолекулярных эффектов с использованием ГРТ являются новым шагом в развитии специальной, общепромышленной и бытовой энергетики.

В 1990 г. были успешно проведены промышленные испытания гидрокапиллярных аккумуляторов и демпферов автономного исполнительного механизма для раскрытия конструкций космического аппарата. Механизм имел в 2 раза меньшие габаритные размеры и развивал усилие в 4 раза большее, чем применяемые пружинные приводы, причем усилие постоянно на всем рабочем ходе механизма. Проработаны варианты создания гидрокапиллярных двигателей с внешним теплоподводом и безфреоновых холодильников с использованием ГРТ, имеющих хладопроизодительность в 2,5 раза большую, чем традиционные. Отличительной особенностью всех термомолекулярных энергоустройств является бесшумность работы и полное отсутствие загрязнений окружающей среды.

Возможными сферами применения являются:

·   новые гидрокапиллярные двигатели с КПД, равным (0.9 – 0.95) КПД цикла Карно;

·   новые амортизирующие устройства для различных технических средств;

·   устройства для подъема грузов с больших глубин;

·   аварийные приводы и инструмент;

·   катапульты;

·   бесфреоновые холодильники;

·   узлы стыковки и раскрытия конструкций космических аппаратов;

·   кузнечно-прессовое и сварочное оборудование;

·   создание сейсмостойких инженерных сооружений и защита побережий от разрушения волнами;

·   высокоэффективные демпферы и амортизаторы;

·   аккумулирование тепловой и механической энергии на тепловых и атомных станциях вместо гидроаккумулирующих станций;

·   системы рекуперации энергии торможения на транспорте и т.д.

Повышение энергоемкости ГРТ достигается за счет подбора систем "жидкость – капиллярно-пористая матрица" с максимальным углом смачивания, увеличения дисперсности пустот и их абсолютного объема в матрице, а также применения жидкостей с повышенным значением поверхностного натяжения.

При аккумулировании тепловой энергии решающее значение принадлежит температурному коэффициенту поверхностного натяжения: чем он больше, тем выше энергоемкость ГРТ по теплоте.

В зависимости от функционального назначения энергоустройств матрица ГРТ может представлять собой либо моноблок, либо дискретные капиллярно-пористые частицы матрицы, образующие с жидкостью суспензию.

ГРТ можно перемещать с помощью электромагнитных полей. Возможны два варианта: пористая матрица содержит вкрапления ферромагнитных материалов; ГРТ помещают в гибкие оболочки, которым могут быть приданы электромагнитные свойства.

В качестве жидкого компонента ГРТ следует использовать низкотемпературные эвтектики на базе галлия, воду и водные растворы, глицерин, а также другие жидкие металлы и расплавы, не смачивающие пористые матрицы, не теряющие подвижности и не претерпевающие фазовых переходов в области температур и давлений, при которых работает устройство.

В качестве капиллярно-пористой матрицы ГРТ целесообразно применять силикагели, алюмосиликаты, силохромы, пористые стекла, оксиды алюминия, ядерные фильтры Флерова на лавсановой основе, тефлоновые пористые пленки "Дюрапор" и "Владипор", сополимер стирола, дивенилбензола и другие пористые материалы с удельной поверхностью 100-1000 м/г. При необходимости работы при сверхвысоких давлениях (сотни – тысячи мегапаскалей) следует применять цеолиты с максимальным объемом пор.

Все указанные вещества находят широкое применение в катализной промышленности и легко могут быть получены в необходимых количествах.

Применяя в качестве капиллярно-пористых матриц смеси из 10 – 15 порошков с известными размерами пор и капилляров, можно получать ГРТ с любым требуемым видом рабочих характеристик.

Широкие перспективы открывает применение ГРТ для аккумулирования и преобразования энергии.

При наличии избыточной механической или гидравлической энергии она может быть накоплена в виде работы изотермического образования межфазной поверхности в гидрокапиллярных аккумуляторах и затем использована для совершения механической работы.

При наличии избыточной тепловой энергии она может быть накоплена в гидрокапиллярных аккумуляторах в виде скрытой теплоты образования межфазной поверхности в процессе принудительного сжатия ГРТ и возвращена в систему в процессе самопроизвольного изотермического сокращения межфазной поверхности.

Поверхностная теплоемкость ГРТ соизмерима и может быть даже больше объемной теплоемкости гетерогенной системы (в зависимости от степени дисперсности пористой матрицы и природы жидкости).

Для эффективного рассеивания кинетической энергии движущихся масс целесообразно использовать гидрокапиллярные демпферы и амортизаторы с широким спектром рабочих характеристик, получаемых за счет изменения композиционного состава порошков (пористых матриц ГРТ) и за счет изменения ширины петли гистерезиса.

Для осуществления больших перестановочных усилий на борту подвижных объектов при дефиците пространства целесообразно применять компактные энергоавтономные гидрокапиллярные исполнительные механизмы.

Уникальными возможностями обладает термомолекулярный привод, в котором процесс преобразования энергии после ее накопления в системе прерывается на любой интервал времени, а замыкание цикла (рабочий ход привода) осуществляется в требуемый момент путем подвода порции теплоты к системе. В конструкции предусмотрена возможность многократного повторения циклов зарядки и рабочего хода.

Рис. 1

В основе новых способов аккумулирования и преобразования энергии лежит использование лиофобных высокодисперсных систем "жидкость – капиллярно-пористое тело, не смачиваемое этой жидкостью" (). Пример такой гетерогенной системы представлен на рис. 1. Если изотермически сжать эту систему, то на -диаграмме (рис. 2) можно выделить деформационные участки 1-2 и 3-4, но существенное сжатие системы происходит на участке 2-3 за счет интрузии (проникновения) жидкости в лиофобное капиллярно-пористое пространство матрицы ГРТ. Изобарно-изотермическое сжатие ГРТ  , где  – пористость матрицы;  – объем матрицы,  – объем перового пространства;  – радиус пор и капилляров;  – коэффициент формы пор и капилляров;  – межфазная поверхность "жидкость – твердое тело".

Изобара-изотерма 2-3 на рис. 2 обязана тому факту, что давление в гидросистеме определяется капиллярным давлением Лапласа:

,

где  – коэффициент поверхностного натяжения жидкости, поэтому ГРТ практически несжимаемо до тех пор, пока давление в системе не достигнет капиллярного. Площадь, ограниченная кривой 1-2-3-4, характеризует работу сжатия ГРТ. В частности, для участка 2-3 она имеет вид:

.                                                    (1)

Рис. 2

Используя широко известные капиллярно-пористые материалы (силикагели, алюмосиликаты, силохромы, пористые стекла и т.д.) с максимальной межфазной поверхностью м2/г адсорбента и жидкости, не смачивающие эти матрицы (ртуть, эвтектики на базе галлия, воду, водные растворы и т.д.), можно в процессе сжатия ГРТ накапливать энергию, а в процессе самопроизвольного сокращения межфазной поверхности (расширения ГРТ) совершать полезную работу .

В процессе экспериментов было установлено, что изотермичность сжатия ГРТ сохраняется при высоких скоростях сжатия (время сжатия 10-1-10-3 с). Примером такой изотермы является кривая 1 на рис. 3 (монопористая матрица, т.е. ). Если увеличить темп сжатия, то -диаграмма приобретает существенные изменения (кривые 3-4), а при импульсной нагрузке (процесс близок к адиабатическому) ГРТ становится несжимаемым (кривая 2).

Рост давления в системе по мере увеличения темпа сжатия ГРТ (переход от кривой 3 к кривой 4) связан с тем, что процесс образования поверхности является тепломеханическим, т.е. к системе необходимо подводить не только механическую энергию , но и тепловую:

,                                                                          (2)

где  – скрытая теплота образования межфазной поверхности;  – удельная поверхностная энтропия;  – физическая константа, температурный коэффициент поверхностного натяжения, для простых жидкостей , поэтому при развитии поверхности, когда , требуется подвод теплоты к системе, т.е. .

Рис. 3

Если темп сжатия ГРТ и потребность в теплоте превышает тепловой поток к системе извне, то образование межфазной поверхности идет за счет внутренней энергии системы, т.е. за счет снижения температуры ГРТ, а это приводит, в свою очередь, к повышению поверхностного натяжения в соответствии с уравнением

и росту капиллярного давления в системе. Это объясняет факт расположения кривой 4 на рис. 3 выше кривой 3 (большее охлаждение системы за счет принудительного высокоскоростного сжатия ГРТ внешними силами).

Адиабатическая несжимаемость ГРТ (кривая 2) объясняется теми же причинами: при мгновенном сжатии из-за отсутствия прихода теплоты извне система переохлаждается, и возросшее капиллярное давление Лапласа не позволяет внешним силам сжать ГРТ (все протекает в полном соответствии с законом Ле-Шателье-Брауна).

Соотношение между механической  и тепловой  энергиями, подводимыми к системе в изотермическом процессе образования межфазной поверхности, определяется температурой процесса  природой и свойствами применяемой жидкости, критической температурой  т.е. температурой, при которой :

.                                             (3)

Рис. 4

Графическая интерпретация равенства (3) представлена на рис. 4. Из графика следует, что в области низких температур   расход механической энергии  на образование поверхности превышает расход тепловой , поэтому в этой области целесообразно аккумулировать механическую энергию и затем использовать ее для совершения полезной работы.

В области высоких температур   к системе необходимо подводить (аккумулировать) в большем количестве уже тепловую энергию и отводить скрытую теплоту образования поверхности в обратимом процессе расширения ГРТ (самопроизвольное сокращение межфазной поверхности) при температуре .

Скрытая теплота образования поверхности  близка к скрытой теплоте испарения жидкости . Из молекулярной физики известно, что последняя складывается из работы дезагрегации жидкости на отдельные молекулы и работы расширения молекулярного газа. Соотношение между указанными величинами примерно 9:1. Таким образом, скрытая теплота образования поверхности приближается к работе дезагрегации жидкости при использовании высокодисперсных матриц капиллярно-пористых тел. Этим объясняется высокая энергоемкость гидрокапиллярных аккумуляторов механической и тепловой энергии.

Список литературы

1.   Ерошенко В.А. Термодинамическая компактность тепловых двигателей // Изв АН УССР, Промышленная теплотехника, 1987. №4 С 74-78

2.   Ерошенко В.А. Теплообмен при заполнении фобных капилляров жидкостью // Изв. АН СССР, Коллоидный журнал, 1987 № 5. С 875-880.