Termogravitační cyklus - Thermogravitational cycle - Wikipedia

A termogravitační cyklus je reverzibilní termodynamický cyklus pomocí gravitační funguje z hmotnost a vztlak komprimovat a rozbalit pracovní kapalina.

Teoretický rámec

4 kroky ideálního termogravitačního cyklu. 1 → 2: adiabatická gravitační komprese, 2 → 3: přenos horkého tepla, 3 → 4: adiabatická gravitační expanze, 4 → 1: přenos studeného tepla.

Zvažte sloup naplněný transportním médiem a balón naplněný a pracovní kapalina. V důsledku hydrostatického tlaku transportního média se zvyšuje tlak uvnitř kolony podél z osa (viz obrázek). Zpočátku je balónek nafouknut pracovní tekutinou při teplotě TC a tlak P0 a nachází se v horní části sloupce. Termogravitační cyklus je rozložen do čtyř ideálních kroků:[1]

  • 1 → 2: Sestup balónu směrem ke spodní části sloupu. Pracovní tekutina prochází adiabatická komprese s rostoucí teplotou a dosažením hodnoty tlaku Ph dole (Ph>P0).
  • 2 → 3: Zatímco baňka leží na dně, pracovní kapalina přijímá teplo z horkého zdroje při teplotě TH a podstoupí izobarická expanze pod tlakem Ph.
  • 3 → 4: Balón stoupá směrem k vrcholu sloupu. Pracovní tekutina prochází adiabatická expanze s poklesem teploty a dosáhne tlaku P0 po expanzi, když je balón nahoře.
  • 4 → 1: Jakmile pracovní kapalina dorazí na vrchol, dodává teplo studenému zdroji při teplotě TC zatímco prochází izobarická komprese pod tlakem P0.

Aby došlo k termogravitačnímu cyklu, musí být balón hustší než transportní médium během 1 → 2 kroku a méně hustý během 3 → 4 kroku. Pokud tyto podmínky pracovní tekutina přirozeně nesplňuje, lze k balónu připojit závaží, aby se zvýšila jeho efektivní hmotnostní hustota.

Aplikace a příklady

Termogravitační elektrický generátor založený na nafouknutí / vyfouknutí balónu.[1] Balónek naplněný perfluorhexanem se nafukuje a vyfukuje v důsledku změn hustoty prostřednictvím tepelných výměn. Pokaždé, když magnet připojený k balónu prochází cívkou, je na osciloskop zaznamenán elektrický signál.

Experimentální zařízení fungující na principu termogravitačního cyklu bylo vyvinuto v laboratoři společnosti University of Bordeaux a patentováno ve Francii.[2] Tento termogravitační elektrický generátor je založen na cyklech nafukování a vypouštění elastického vaku vyrobeného z nitrilového elastomeru vyříznutého z prstu rukavice.[1] Sáček je naplněn těkavým pracovní kapalina která má nízkou chemickou afinitu k elastomeru, jako je perfluorhexan (C6F14). Je připevněn k silnému Sférický magnet NdFeB který působí jak jako váha, tak pro převod mechanické energie na napětí. Skleněný válec je naplněn vodou, která působí jako transportní tekutina. Ve spodní části je ohříván horkým cirkulujícím vodním pláštěm a nahoře chlazen studenou vodní lázní. Vzhledem k nízké teplotě bodu varu (56 ° C), perfluorhexan kapka obsažená ve vaku se odpaří a nafoukne balón. Jakmile je jeho hustota nižší než hustota vody, balón se zvedne podle Archimédův princip. Balónek ochlazený v horní části sloupu částečně vyfoukne, dokud nebude účinněji hustší než voda a nezačne padat. Jak je patrné z videí, cyklický pohyb má dobu několika sekund. Tyto oscilace mohou trvat několik hodin a jejich trvání je omezeno pouze úniky pracovní tekutiny přes gumovou membránu. Pokaždé, když magnet projde cívkou, vyvolá změnu v magnetický tok. An elektromotorická síla je vytvořen a detekován osciloskopem. Odhaduje se, že průměrný výkon tohoto stroje je 7 μW a jeho účinnost je 4,8 x 10−6.[1] I když jsou tyto hodnoty velmi malé, tento experiment přináší důkaz principu zařízení pro obnovitelnou energii pro získávání elektřiny ze slabého zdroje odpadního tepla bez nutnosti dalšího externího zásobování energií, např. pro kompresor v běžné tepelný motor. Experiment byl úspěšně reprodukován vysokoškoláky v přípravných třídách Lycée Hoche ve Versailles.

Experiment termogravitačního cyklu provedli Elsa Giraudat a Jean-Baptiste Hubert (zatímco vysokoškolští studenti na Lycée Hoche ve Versailles ve Francii) pro svůj osobní fyzikální projekt. Tekutinou byl perfluoropentan (C5F12 ) v jejich případě a studený zdroj byl vyroben ledovými bloky plovoucími na vodním sloupci. Numerická integrace elektromotorické síly poskytla nasbíranou energii 192 µJ na cyklus.

V literatuře lze nalézt několik dalších aplikací založených na termogravitačních cyklech. Například:

  • V solárních balónech je absorbováno teplo ze slunce, což způsobuje, že balón naplněný vzduchem stoupá a převádí jeho pohyb na elektrický signál.[3]
  • V gravitační jízdě organický Rankinův cyklus, gravitace se používá místo čerpadla k natlakování pracovní kapaliny. V literatuře různí autoři studovali charakteristiky pracovní tekutiny, které se nejlépe hodí k optimalizaci jejich účinnosti pro gravitační zařízení ORC.[4][5]
  • Ve verzi generátoru magnetické tekutiny se chladicí kapalina odpařuje na dně kolony vnějším zdrojem tepla a její bubliny se pohybují po magnetizované ferrofluid, čímž vytváří elektrické napětí přes A lineární generátor.[6]
  • V koncepčním hybridu několika patentů je sluneční nebo geotermální energie využívána pomocí modifikovaného organický Rankinův cyklus s vysokými sloupy vody pod zemí[7]

Účinnost cyklu

Účinnost η termogravitačního cyklu závisí na termodynamické procesy the pracovní kapalina prochází během každého kroku cyklu. Níže uvádíme několik příkladů:

  • Pokud dochází k výměnám tepla ve spodní a horní části kolony s horkým zdrojem a studeným zdrojem při konstantním tlaku a teplotě, účinnost by se rovnala účinnosti Carnotův cyklus:[1]
Numerické simulace byly provedeny s CHEMCAD pro tři různé pracovní kapaliny (C5F12, C.6F14a C.7F16) s horkými teplotami zdroje a tlaky až 150 ° C, respektive 10 barů.[1]
Teplota studeného zdroje je nastavena na 20 ° C. Pracovní tekutina je udržována v plynném stavu během vzestupu, respektive v kapalném stavu během pádu balónku. Účinnost je vyjádřena relativně k 1 (tj. Ne jako procento).[1]

Reference

  1. ^ A b C d E F G h i Aouane, Kamel; Sandre, Olivier; Ford, Ian J .; Elson, Tim P .; Slavík, Chris (2018). „Termogravitační cykly: Teoretický rámec a příklad elektrického termogravitačního generátoru založeného na inflaci / deflaci balónu“. Vynálezy. 3 (4): 79. doi:10,3390 / vynálezy3040079.
  2. ^ Aouane, Kamel; Sandre, Olivier (2014-04-30). „Termogravitační zařízení na výrobu elektřiny“. FR3020729 A1 jako na Google Patents.
  3. ^ Grena, Roberto (01.04.2010). „Energie ze solárních balónků“. Solární energie. Mezinárodní konference CISBAT 2007. 84 (4): 650–665. doi:10.1016 / j.solener.2010.01.015. ISSN  0038-092X.
  4. ^ Shi, Weixiu; Pan, Lisheng (2019-02-22). „Studie optimalizace tekutin pro gravitační organický energetický cyklus“. Energie. 12 (4): 732. doi:10,3390 / cs12040732.
  5. ^ Li, Jing; Pei, Gang; Li, Yunzhu; Ji, Jie (01.08.2013). „Analýza nového gravitačního organického Rankinova cyklu pro kogenerační aplikace v malém měřítku“. Aplikovaná energie. 108: 34–44. doi:10.1016 / j.apenergy.2013.03.014. ISSN  0306-2619.
  6. ^ Flament, Cyrille; Houillot, Lisa; Bacri, Jean-Claude; Browaeys, Julien (10.02.2000). "Generátor napětí využívající magnetickou tekutinu". European Journal of Physics. 21 (2): 145–149. doi:10.1088/0143-0807/21/2/303. ISSN  0143-0807.
  7. ^ Schoenmaker, J .; Rey, J. F. Q .; Pirota, K. R. (01.03.2011). „Vztlak organického Rankinova cyklu“. Obnovitelná energie. 36 (3): 999–1002. doi:10.1016 / j.renene.2010.09.014. ISSN  0960-1481.