Koncepcja turbiny gazowej o cechach pompy ciepła.
Czy to jest możliwe?
Zamieszczona animacja przedstawia turbinę uniwersalną, która celem zobrazowania
1. W pierwszej fazie pracuje w trybie schładzania gazu roboczego, czego skutkiem jest zamiana pozyskanego ciepła na energię mechaniczną a następnie poprzez prądnicę na prąd elektryczny, co w bilansie pracujących urządzeń przedstawia się w ten sposób, iż do pracy silnika napędzającego turbinę wymuszającą przepływ gazu, konsumowana jest energia 1x, natomiast na urządzeniu odbiorczym (prądnicy) połączonym z turbinami roboczymi otrzymuje się energię (przykładowo) 2x (bilans energetyczny jest uzależniony od wielu czynników takich jak: temperatura gazu roboczego, prędkość obrotowa turbin roboczych, ilość zastosowanych sekcji turbin roboczych, prędkość przepływu gazu sterowana turbiną wymuszającą) – lewoskrętna praca turbin roboczych i prawoskrętna praca turbiny wymuszającej.
2. Natomiast w drugiej fazie pracuje w trybie podgrzewaniu gazu roboczego, czego skutkiem jest zamiana dostarczonej energii mechanicznej na wzrost ciepła gazu roboczego, co w bilansie pracujących urządzeń przedstawia się w ten sposób, iż do pracy silnika napędzającego turbinę wymuszającą przepływ gazu, konsumowana jest energia 1x, natomiast na drugim urządzeniu pracującym w trybie silnika, połączonego z turbinami roboczymi angażowana jest dodatkowa energia (przykładowo) 2x (wzrost temperatury gazu jest uzależniony od wielu czynników takich jak: temperatura początkowa gazu, prędkość obrotowa turbin roboczych, ilość zastosowanych sekcji turbin roboczych, prędkość przepływu gazu sterowana turbiną wymuszającą) – prawoskrętna praca turbin roboczych i prawoskrętna praca turbiny wymuszającej.
Celem pełniejszego zrozumienia zasady działania niniejszej turbiny, zapraszam do wnikliwego przestudiowania „teorii termodynamicznej zmiennych prędkości cząsteczek gazu”. W opisie tej teorii przedstawiony jest wpływ elementów ruchomych urządzeń termodynamicznych na prędkość drgania cząsteczek gazu i wykazany jest na poziomie cząsteczkowym „mechanizm” zamiany ciepła na pracę oraz pracy na ciepło, czyli prędkość drgania cząsteczek gazu.
Sposób zamiany energii cieplnej gazów na energię mechaniczną oraz zamiany energii mechanicznej na energię cieplną gazów, za pośrednictwem turbiny gazowej jest metodą, która przykładowo pozwala na zamianę energii cieplnej powietrza na energię mechaniczną bez konieczności spalania paliwa lub też stosowania dodatkowego źródła ciepła. Przykładowo, schładzając za pośrednictwem turbiny powietrze z temperatury 25 OC do temperatury 5 OC z wydajnością 1 m3 powietrza / s, to otrzymamy urządzenie generujące moc około 27 KM. Ponadto sposób według wynalazku pozwala na stworzenie układu zamkniętego, w którym schłodzony czynnik jest ponownie podgrzewany i wykorzystywany do pracy urządzenia, a który przedstawia się w ten sposób, iż nie ma konieczności doprowadzania świeżego powietrza w celu poprawnego działania urządzenia. Cecha ta ma kolosalne znaczenie w dziedzinie technologii kosmicznych pozwalając na konstruowanie układów zasilania opartych na technologii pozyskiwania energii cieplnej z rozszczepiania pierwiastków promieniotwórczych. Sposób według wynalazku pozwala na konstruowanie urządzeń do zasilania których można wykorzystać wszelkie formy ciepła zawarte w: powietrzu, wodzie, ziemi, przestrzeni kosmicznej, jak również można konstruować urządzenia zasilane wszelkimi rodzajami paliw generujących ciepło. Sposób według wynalazku cechuje ponadto to możliwość konstruowania urządzeń chłodzących, do pracy których nie tylko nie ma potrzeby angażowania energii a wręcz odzyskuje się energię z czynnika schładzanego (klimatyzatory, których praca skutkuje wyprodukowaniem dodatkowej energii). Odwracając wektor pracy turbiny sposobu według wynalazku, możliwa jest zamiana energii mechanicznej na energię cieplną, przy czym w tym przypadku do pracy urządzenia jest niezbędne dostarczenie energii mechanicznej.
Turbina według wynalazku, może być wykonana w układzie otwartym lub w układzie zamkniętym. Układ otwarty charakteryzuje się tym, iż na bieżąco do pracy turbiny pobierany jest gaz z zewnątrz (przykładowo powietrze atmosferyczne), który po schłodzeniu lub podgrzaniu jest „wydalany” na zewnątrz (przykładowo do atmosfery). Układ zamknięty stosowany głównie w wersji schładzania gazów celem zamiany energii cieplnej na energię mechaniczną, cechuje się tym, iż poprzez odpowiednie kolanka i przedłużenie tuby, schłodzony gaz jest „zawracany” i po podgrzaniu kierowany do wlotu turbiny. To rozwiązanie pozwala przykładowo stworzyć urządzenie zasilające w energię elektryczną wszelkiego rodzaju pojazdy latające i pojazdy kosmiczne, w którym to urządzeniu źródłem ciepła jest spalanie paliw płynnych lub proces rozszczepiania pierwiastków promieniotwórczych. Ponadto układ zamknięty pozwala zwiększyć ciśnienie gazu roboczego wewnątrz tuby, w następstwie czego możliwe jest konstruowanie urządzeń o mniejszym gabarycie w odniesieniu do generowanej mocy.
Turbina według wynalazku, pracująca w trybie schładzania, może pracować w trybie turbiny gazowej o spalaniu wewnętrznym, w którym spalanie mieszanki paliwowo-powietrznej odbywa się wewnątrz tuby przed dolotem do turbin roboczych, a produkty spalania wraz z powietrzem zasysanym przez turbinę stanowią gaz roboczy turbiny według wynalazku, oraz może pracować w trybie turbiny gazowej o spalaniu zewnętrznym, w którym proces spalania mieszanki paliwowo-powietrznej odbywa się poza tubą turbiny a podgrzewanie gazu roboczego turbiny odbywa się poprzez wymiennik ciepła (nagrzewnicę) usytuowaną wewnątrz tuby przed turbinami roboczymi turbiny według wynalazku.
Turbina według wynalazku, pracująca w układzie zamkniętym w trybie podgrzewania gazu roboczego, pozwala na podgrzanie gazu roboczego do wysokiej temperatury, której wartością graniczną jest temperatura graniczna materiałów z których ta turbina jest wykonana. Turbina taka może mieć szerokie zastosowanie w hutnictwie oraz w utylizacji, gdzie wymagane jest stosowanie wysokich temperatur.
Turbina według wynalazku, pracująca w trybie schładzania gazu roboczego, pozwala na konstruowanie urządzeń z materiałów nie wymagających dużej odporności na temperaturę, i tak w przypadku urządzenia, w którym gaz roboczy przed wlotem do turbin roboczych ma przykładowo temperaturę 80 OC a na wylocie 10 OC, pozwala na wykonanie urządzenia z tworzyw sztucznych co znacznie redukuje seryjny koszt wytwarzania takich urządzeń.
Turbina według wynalazku, otwiera ogromne możliwości w wielu sektorach gospodarki takich jak: energetyka, motoryzacja, lotnictwo, żegluga morska i śródlądowa, kosmonautyka, hutnictwo itd. Sposób według wynalazku pośrednio może mieć wpływ na wszystkie sektory gospodarki, a jego zalety można przyrównać do wynalezienia perpetuum-mobile, gdyż możliwość wykorzystania ogólnodostępnego ciepła (którego w chwili obecnej jest na Ziemi nadmiar) bez konieczności spalania paliw, otwiera znacznie większe możliwości energetyczne świata, bez skutków ubocznych takich jak efekt cieplarniany, a wręcz pozwala na złagodzenie skutków tego efektu występującego obecnie. Można się tutaj posłużyć przykładem morza bałtyckiego, z którego ciepła gdyby odzyskać 1 OC, to pozwoliło by to na zaspokojenie obecnych potrzeb energetycznych Polski na okres 100 lat. Innym przykładem może byś stworzenie w okresie letnim lodowisk czy miasteczek zimowych, których utrzymanie pociąga za sobą taki skutek, że pozyskuje się darmową energię. Warte podkreślenia jest to, iż urządzenie według wynalazku w wersji pozyskiwania energii z ciepła powietrza atmosferycznego, może pracować latem jak również zimą i to w warunkach arktycznych, gdyż możliwa jest jego praca przykładowo w temperaturze –50 OC schładzając gaz roboczy do temperatury przykładowo –70 OC.
Prace prototypowe.
Wykonałem prototyp turbiny na drukarce 3D w PLA z rozdzielczością 0,4 mm (zdjęcia poniżej). W pierwszym wariancie wykonałem turbinę w wersji podobnej do prezentowanej na filmie, nie mniej turbina wymuszająca była mało wydajna nie dając odpowiedniej siły strumienia gazów, lecz mimo to podczas próby zaobserwowano spadek temperatury powietrza na wylocie o 1 stopień Celsjusza. Istotnym jest również to, że niedokładność wydruku 3D wymuszała zastosowanie dość znaczącej szczeliny pomiędzy wewnętrznymi powierzchniami obudowy a obręczami turbin roboczych, co powodowało przedmuchy obniżające sprawność urządzenia. W poprawionej wersji jako turbinę wymuszającą wykonałem trójsekcyjną znacznie efektywniejszą turbinę odśrodkową. Gdy sprawdzałem siłę wytwarzanego strumienia gazów, który znacznie efektywniej wprowadzał w ruch turbinę roboczą, łopatki wirników dmuchawy odśrodkowej rozsypały się nie wytrzymując próby, gdy ustawiłem maksymalne obroty silnika (12,500 obr./min.). No i stanęło na tym, że uznałem, iż turbinę należy wykonać w metalu.
Teoretyczna analiza sposobu zamiany ciepła na pracę za pośrednictwem turbiny gazowej.
Gdyby schłodzić 1 m3 powietrza o temperaturze 20 CO o jeden stopień Celsjusza, to uzyska się energię około 0,32 Wh, co pozwala przyjąć, że turbina gazowa schładzająca w czasie 1 sekundy 1 m3 powietrza o 10 CO, może przy założeniu 100% sprawności, generować moc 11,52 kW. Jeżeli
przyjmiemy, że silnik napędzający dmuchawę ma sprawność 80%, oraz alternator wytwarzający prąd ma również 80% sprawności, to uzyskujemy sprawność układu na poziomie 64%, co dla powyższego przykładu pozwala uzyskać 7,37 kW „dodatkowej” mocy urządzenia.
Jak przedstawia się „mechanizm” zamiany ciepła na pracę dla turbiny gazowej?
W turbinie gazowej, czynnikiem pozwalającym uzyskać zamianę ciepła na pracę, jest efekt spadku prędkości drgających cząsteczek gazu, w wyniku oddalania się od siebie łopatek turbin roboczych względem łopatek kierownic. Jeżeli przyjmiemy, że turbina robocza składa się z sekcji
pięciu turbin roboczych o średniej średnicy 12 cm, i jeżeli przyjmiemy (dla rozważań teoretycznych), że cząsteczka gazu odbija się przemiennie raz od łopatek kierownic a następnie od łopatek turbin roboczych, to dla prędkości obrotowej 1 obr./s uzyskamy prędkość „ucieczki” o wartości 0,38 m/s. Jeżeli teraz przyjmiemy, że turbina robocza wiruje z prędkością 3.000 obr./min, to uzyskamy prędkość „ucieczki” o wartości 19 m/s. Zakłada się, że aby uzyskać efektywną zamianę ciepła na pracę, prędkość przepływu powietrza powinna być około dwukrotnie wyższa od prędkości „ucieczki” łopatek turbin roboczych względem łopatek kierownic, dlatego też dla prędkości obrotowej 3.000 obr./min. dmuchawa powinna wymusić prędkość przepływu powietrza na poziomie 38 m/s. Dla takiej prędkości, przepływ powietrza przez sekcję turbin roboczych odbywa się w czasie około 0,02 s, natomiast ilość przepływającego gazu w czasie 1 s to koło 0,35 m3/s. Jeżeli przyjmiemy, że średni dystans dzielący łopatki turbin roboczych od łopatek kierownic to około 4 cm, to w czasie 0,02 s, cząsteczka gazu drgająca z prędkością 340 m/s, odbije się 85 razy w relacji: łopatki turbin roboczych – łopatki kierownic. Jeżeli prędkość „ucieczki” łopatek turbin roboczych wynosi 19 m/s, to teoretycznie za każdym uderzeniem cząsteczka gazu wytraca 19 m/s. W tym miejscu należy zaznaczyć, że jest to tylko założenie teoretyczne, w praktyce należy przyjąć, że efektywność wytracania prędkości drgającej cząsteczki gazu jest kilkakrotnie mniejsza, gdyż cząsteczki gazu drgają we wszystkich możliwych kierunkach, oraz kąt między wypadkową powierzchnią łopatek kierownic a powierzchnią łopatek turbiny roboczej, cyklicznie się zmienia.
Jeżeli przyjmiemy, że wytracanie prędkości drgającej cząsteczki gazu, jest na poziomie 3% w odniesieniu do założeń teoretycznych, to za każdym uderzeniem cząsteczki gazu o powierzchnię łopatki turbiny roboczej, cząsteczka gazu wytraca „statystycznie” 0,57 m/s, co przy 85-ciu
uderzeniach daje wynik 48,5 m/s wytracenia prędkości drgającej cząsteczki gazu, podczas przepływu gazu przez turbinę roboczą. Dla temperatury 20 CO cząsteczki powietrza drgają z prędkością około 340 m/s, natomiast dla prędkości drgania cząsteczek gazu o 48,5 m/s mniejszej, temperatura powietrza jest o około 40 CO mniejsza. Pozwala to wyliczyć, że przy przepływie powietrza przez turbinę o objętości 0,35 m3/s pozwoli uzyskać moc 16,1 kW mocy dla 100% sprawności układu, lub 10,3 kW przy założeniu 64% sprawności.
Powyższe rozważania są teoretyczne, i mają na celu zobrazowanie mechanizmu działania urządzenia. Aby móc precyzyjnie przedstawić wyniki działania turbiny, należy poddać wnikliwym badaniom prototyp urządzenia – prototypy urządzeń (różne warianty turbin, będą się cechowały odmiennymi parametrami).
