Тепловой насос

Одним из устройств по экстракции низкопотенциальной тепловой энергии окружающей среды является известный тепловой насос. Тепловой насос отбирает низкопотенциальную энергию от окружающей среды и передает ее потребителю (процесс такой, как показано на фиг. 2). В приемном преобразователе (тепловой приемник) теплового насоса с помощью компрессора и других устройств создаются физические условия, когда рабочее тело (фреон, хладон) испаряется, при этом создает потенциальную яму (область с температурой ниже, чем имеет окружающая низкопотенциальная среда).Эта область забирает тепловую энергию из низкопотенциальной окружающей среды. Затем рабочее тело переноситься компрессором в передающий преобразователь (тепловой нагреватель). По пути, с помощью повышения давления газа, делается изменение физического состояния рабочего тела (см. уравнение Менделеева-Клайперона). Благодаря этому рабочее тело конденсируется и при этом выделяет тепловую энергию, которая отдается потребителю. Чтобы этот процесс происходил, надо создать температуру в приемном преобразователе ниже окружающей холодной среды, а в передающем преобразователе — выше, чем имеется у потребителя. Для поддержания этого процесса используется энергия от внешнего источника энергии (от электросети). Выгода потребителя заключается в том, что он платит только за электроэнергию, а получает тепловую энергию, равную сумме энергий от сети и тепловой энергии от окружающей среды. Тепловая энергия от окружающей среды получается «даром» и может в несколько раз превышать величину электрической энергии, необходимой для поддержания процесса. Общепринятое название этого устройства — тепловой насос (подразумевается качание тепловой энергии из окружающей среды) — камуфлирует физический процесс происходящего. Это устройство является усилителем мощности (усиливает энергию от сети благодаря структуре устройства и поступления в устройство внешней энергии от окружающей среды). Коэффициент усиления энергии (отношение полученной тепловой мощности к электрической энергии внешнего источника) составляет 2-4 раза. Таким образом, за полученную тепловую энергию потребитель платит в 2-4 раза меньше, чем он платил бы при прямом преобразовании электрической энергии в тепло.

Сейчас уже более 12 млн. шт. фреонно-компрессорных тепловых насосов используются для обогревания жилых и промышленных помещений.
Но эти тепловые насосы имеют ряд серьезных недостатков (вредность газов используемых в тепловых насосах, сложность и дороговизна устройств, проблемы отбора большой энергии из окружающей среды и др.). Тепловые насосы также имеют относительно малый коэффициент усиления энергии (не более 3-4). В существующих типах тепловых насосов тепловая энергия экстрагируется только за счет охлаждения атмосферного воздуха (или воды, или грунта). Экстрагировать тепловую энергию при конденсации влаги из атмосферы конструкция современных тепловых насосов не позволяет (эта тепловая энергия уходит в атмосферу мимо приемных радиаторов тепловых насосов). 

Термоакустический тепловой насос

В последнее десятилетие сделаны серьезные попытки поиска других способов и устройств для экстракции низкопотенциальной тепловой энергии окружающей среды. Было обнаружено, что в акустических волнах высокой интенсивности образуются зоны с низкой и высокой температурой и между ними возможен перенос энергии. Это процесс аналогичен тепловому насосу. Эти устройства назвали термоакустическими тепловыми насосами.

NASA Ames Research Center/What is an Orifice Pulse Tube Cooler.htm

В герметичном объеме специальной формы создается очень интенсивная стоячая акустическая волна. В качестве среды может использоваться воздух или гелий. В акустической волне образуются холодная зона (ниже температуры низкопотенциальной окружающей среды) и горячая зона (температура этой зоны выше температуры потребителя). Акустическая волна переносит тепловую энергию от холодной зоны к горячей. В итоге термоакустический тепловой насос экстрагирует низкопотенциальную тепловую энергию окружающей среды. Термоакустический тепловой насос не нуждается в компрессоре, специальных жидкостях и многом другом. Созданы действующие образцы термоакустических тепловых насосов на 300 Вт. Но у разработчиков возникли большие проблемы с созданием термоакустических тепловых насосов средней и большой мощности.

Вихревой тепловой насос

Известно, что вихревая трубка Ранка-Хилша разделяет входящий в нее воздух на холодный и горячий.

Их идея заключалась в следующем. Атмосферный воздух пропускается через низко температурную зону вихревой трубки (температура холодной зоны вихревой трубки ниже, чем температура окружающего воздуха) и воздух отдает тепловую энергию трубке. Из трубки атмосферный воздух затем выбрасывается наружу, при этом он имеет температуру более низкую, чем имел ранее. Экстрагированная энергия переносится в горячую зону трубки. При этом температура горячей зоны становится еще более высокой, чем она была без экстракции энергии окружающей среды. 
Были созданы макеты теплового насоса на базе вихревой трубки. Результаты испытаний показали, что энергия на выходе теплового насоса этого типа меньше энергии подаваемого на компрессор. Т.е. получился преобразователь с коэффициентом преобразования меньше 1. Этот результат можно было предвидеть заранее. В вихревой трубке только 10-15% энергии подаваемой на компрессор идет на образование вихревого движения внутри трубки (и соответственно на разделение температуры воздуха внутри вихря). Остальная энергия уноситься вместе с выбрасываем в атмосферу с большой скоростью воздухом (иначе вихревая трубка не будет работать). При благоприятной ситуации может экстрагироваться энергия в 2-4 раза больше, чем имеет энергию сам вихрь в трубке. В итоге имеем: 
— энергия в вихре трубки в 6-10 раз меньше, чем энергия подаваемая на компрессор, 
— экстракция энергии от окружающей среды возможна (это есть гипотеза) в 2-4 раза больше энергии вихря. 
— в итоге получаем, что тепловой насос на вихревой трубке не дает прироста энергии на выходе устройства за счет "даровой энергии" окружающей среды. 
Несмотря на отрицательные результаты, работа проведенная Prof. Dr. J. U. Keller и Prof. Boye K. Ahlborn имеют очень важное значение. Она указала на принципиальную возможность экстрагирования низкопотенциальной энергии атмосферы с помощью вихря. Для успешного реализации этого способа экстрагирования энергии атмосферы необходимо решить три задачи (или часть из них): 
— увеличить кпд устройства для генерирования высокоскоростного вихря, который будет разделять температуру внешнего атмосферного воздуха; 
— увеличить коэффициент усиления преобразователя (вихря) за счет большего понижения температуры атмосферы и экстрагирования тепловой энергии атмосферы при конденсации влаги; 
— увеличить коэффициент усиления преобразователя (вихря) за счет экстрагирования энергии давления атмосферы или столба воды. 
 

Louis Michaud, inventor of the
AVE Atmospheric Vortex Engine
By imitating nature, we can create a vortex using low temperature heat sources.
“If Mother Nature produces spontaneous vortices from 30. seawater, then we ought to be able to use 40. waste
water to create an artificial vortex and extract energy.”
web site: vortexengine.ca

Выводы

1. Экстракция низкопотенциальной тепловой энергии из окружающей среды является уже фактом. Десятки миллионов тепловых насосов экстрагируют тепловую энергию из атмосферного воздуха, воды рек и морей, грунта и передают ее для обогрева жилых и промышленных помещений.
2. Существующие типы тепловых насосов имеют коэффициент усиления энергии до 4 и нет образцов, которые бы подавали потребителю электроэнергию.
3. Несмотря на увеличивающийся энергетический кризис развитию направления исследований по экстракцию энергии из низкопотенциальной окружающей среды уделяется удивительно мало внимания. 
Причины этого следующие:
— создание преобразователей, экстрагирующих энергию атмосферы и воды требует научных и конструкторских знаний на порядок выше, чем это требуется для разработки традиционных ветро-гидрогенераторов и других возобновляемых источников энергии;
— существующие тепловые насосы обеспечивают потребителя только тепловой энергией;
— существующие типы тепловых насосов достаточно сложные и дорогие;
— не разработана теория и общие принципы экстракции низкопотенциальной энергии; 
— возможность получения гораздо большего коэффициента усиления энергии и создания автономных источников энергии, а также получения электрической энергии остается вне понимания широкого круга ученых и предпринимателей;
— несмотря на успех в создании и запуска в огромную серию тепловых насосов, исследования в области экстракции низкопотенциальной энергии рассматриваются как «лженаучными»; 
— к сожалению, в этой области имеется множество изобретателей, которые пытаются создать различного типа «вечные двигатели», которые только дискредитируют это направление научных исследований.
4. Сейчас появляется все больше научных исследований по экстракции низкопотенциальной энергии, которые опираются на основы фундаментальной физики и создают предпосылки получения в ближайшее время высокоэффективных автономных источников энергии тепловой и электрической энергии. 
5. Низкопотенциальные источники энергии являются экологически чистыми.
6. Низкопотенциальные источники энергии могут, наряду с обеспечением потребителя энергий, поставлять ему чистую воду, экстрагируя ее из атмосферы.
7. Возможность сочетания ветрогидрогенератора с вихре-колебательным усилителем. Это приведет к увеличению энергии, подаваемой потребителю.
8. Источники экстракции низкопотенцильный энергии окружающей среды могут обеспечить энергией все потребности планеты и заменить все существующие электростанции, в т.ч. атомные.
9. Успех развития этого направления энергетики зависит от принятия решений по серьезному финансированию этого направления и научного уровня ученых и конструкторов, которые будут заниматься этой работой.
 

2.1.Разрабатывается теория и общие принципы экстракции низкопотенциальной энергии.

2.2. Разработан способ генерации вихря в текучей среде с помощью только колебаний специальной формы (Know How).

Вихревое движение является одним из наиболее перспективных направлений. Но вихри в известных устройствах создаются с помощью вращения различных тел, компрессора и т.п. Коэффициент полезного действия этих приводов не велик. Поэтому нет положительных результатов.

Нами создан привод, в котором с помощью колебаний специальной формы создаются очень интенсивные вихри при очень малых затратах энергии. Это достигается тем, что генерация вихря происходит с помощью колебаний (это отличается от малоэкономичных способов генерации вихря с помощью различных вращений, компрессора, например от трубки Ранка и т.п.). Одновременно с этим, колебания используются для аннигиляции аэро- или гидродинамического сопротивления при движении вихря.

Сделана установка, подтвердившая экспериментально этот эффект.

2.3. Разработаны общие принципы экстракции низкопотенциальной тепловой энергии из спокойной окружающей среды с помощью вихря.

(Вихре-колебательный тепловой насос)

При движении в вихре частицы воздуха (или воды) имеют низкую температуру внутри вихря и высокую температуру в наружной области вихря. Известные вихревые трубки на эффекте Ранка работают с помощью компрессора, подающего внутрь трубки сжатый воздух. В предлагаемом нашем устройстве вихревой эффект Ранка создается с помощью только колебаний специальной формы (Know How), без компрессора.

Внутри вихря создается низкотемпературная зона (аналогично эффекту Ранка в вихревой трубке), ниже температуры окружающей среды. Окружающая среда, самим вихрем, прокачивается через внутреннюю зону вихря и выбрасывается наружу. При этом, благодаря разнице температуры между поступающей струей из окружающей среды и внутренней частью вихря, последняя нагревается за счет отбора тепловой энергии извне (от струи).

При дальнейшем движении, внутри самого вихря, частицы попадают в наружную область вихря. Там они имеют температуру выше, чем имели бы без отбора энергии от окружающей среды. Отбор энергии для потребителя происходит от наружной высокотемпературной зоны. При отборе энергии от обычной вихревой трубки эта энергия не будет больше, чем энергия компрессора, создавшего вихревой эффект. В нашем же случае отбираемая энергия будет состоять из энергии устройства возбудившего вихре-колебательный эффект (вихревую трубку нового типа) и, что самое главное, из энергии спокойной окружающей среды, утилизированной с помощью вихря. Энергии из спокойной окружающей среды, при определенных физических условиях (Know How), может быть в несколько десятков раз больше энергии устройства, создавшего вихрь. В этом заключается суть работы вихре-колебательного теп лового н асоса.

В отличии от известных тепловых насосов вихре-колебательный тепловой насос может экстрагировать не только тепловую энергию низкопотенциальной окружающей среды путем ее охлаждения, но тепловую энергию при конденсации влаги из атмосферы и потенциальную энергию давления атмосферы или столба воды.

Следует подчеркнуть, что наши исследования опираются на классическую фундаментальную физику и являются продолжением работ Константина Циолковского, Никола Тесла, Виктора Шаубергера, профессора Александра Предводителева, нобелевского лауреата Ильи Пригожина и многих других.

Эксперименты подтвердили очень низкие энергетические затраты на генерацию вихря.

Далее нами планируется создать внутри вихря зону с температурой, ниже окружающей среды. Это реально, т.к. такие понижения температуры уже известны, например, в трубке Ранке, в интенсивных вихревых циклонах. Затем не представляет принципиальных проблем пропускать через эту холодную зону окружающий воздух или воду, которые будет отдавать свою тепловую энергию, еще более охлаждаясь (см. фиг. выше). Частицы вихря переносят энергию, полученную от окружающей среды в область, где температура выше, чем имеет потребитель, и отдают энергию потребителю.

Теоретические оценки экстракции энергии окружающей среды с помощью вихря показали, что коэффициент усиления энергии при экстракции тепловой энергии могут быть 3-40 раз, а при экстракции энергии давления окружающей среды, — до 140 раз.

2.4. Разработаны способы экстракции низкопотенциальной тепловой энергии с помощью вихря:

— конвективная передача (рисунок слева);

— диффузионная передача энергии (рисунок справа).

На рисунках показан общий случай — одновременной экстракции кинетической энергии ветра и течений и — ThrmValv.gif енциальной тепловой энергии

2.5. Разработаны способы экстракции низкопотенциальной тепловой энергии и конденсации воды из атмосферы с помощью вихря:

— конвективная передача (рисунок слева);

— диффузионная передача энергии (рисунок справа).

На рисунках показан общий случай — одновременной экстракции кинетической энергии ветра и — течений и низкопотенциальной тепловой энергии и конденсации воды из атмосферы.

2.6. Разработаны способы экстракции низкопотенциальной тепловой и потенциальной (давления) энергии с помощью вихря:

— конвективная передача (рисунок слева);

— диффузионная передача энергии (рисунок справа).

На рисунках показан общий случай — одновременной экстракции кинетической энергии ветра и — течений и низкопотенциальной энергии

3. Преимущества вихре-колебательного теплового насоса по сравнению с существующими источниками энергии.

Сравнение характеристик теплового насоса (на хладоне) и вихре-колебательного теплового насоса

Наши предложения

Предлагается создать тепловой насос, в котором:

— Для экономного генерирования вихря предлагается использовать колебания специальной формы (Know How). 
— Для увеличения эффективности (коэффициента усиления энергии) предлагается экстрагировать не только тепловую энергию воздуха или воды при ее охлаждении, но тепловую энергию при конденсации влаги из атмосферы и потенциальную энергию давления атмосферы или столба воды. 
 

Вихре-колебательный тепловой насос предназначен:

— для обогрева жилых и нежилых помещений, аналогично применению обычных тепловых насосов за рубежом (экономия электроэнергии в несколько раз); 
— использование в холодильниках и кондиционерах вместо обычных тепловых насосов; 
— использование в различных технологических процессах. 
 

4.1.Тепловой насос