Согреет… арктический шквалУсловия российского Севера, особенно при недостаточных поставках энергоносителей, очень суровы. А когда человеку становится туго, он вынужден искать новые, необычные решения проблем. Предлагаемая система газодинамического отопления (СГДО) соответствует такому подходу.
Еще в 1852 г. У.Томсон придумал «динамическое отопление», рассчитывая затратой работы (при сжигании угля) отбирать внутреннюю энергию у промозглого лондонского смога. Работа такого теплового насоса опирается на так называемый холодильный цикл (перекачка тепла на более высокий температурный уровень). Идея Томсона в ХХ веке воплотилась в сплит‑системах «зима-лето», без которых трудно сейчас представить даже средней руки офис.
Но тундра не офис. Как правило, там просто не во что воткнуть вилку кондиционера.
Вихрь доставит тепло
СГДО отбирает теплоту у сколь угодно холодного ветра (рабочего тела). Предварительно рабочее тело сжимается механической энергией ветра (так затрачивается обязательная для «обратных» циклов работа). Инструмент отбора теплоты термотрансформатор – безотказный, лишенный подвижных частей аппарат, в работе которого задействованы прямой и обратный термодинамические циклы.
Известно несколько типов термотрансформаторов (есть даже термохимические). В СГДО предусмотрено совместное применение вихревого термотрансформатора (ВТ) и так называемой «резонансной трубы» (РТ). При совместном использовании ВТ и РТ взаимно усиливают друг друга, повышая отопительный коэффициент СГДО.
Вихревой термотрансформатор изобрел француз Ж. Ранк в 1931 г. В его простом, как все гениальное, изобретении протекают сложные процессы, основанные на структурировании рабочего тела. Некоторые аспекты вихревых структур раскрыты в авторской статье «Маршал Вихрь» («Инженер», 1993. № 45). Много интересного можно почерпнуть в других источниках. Вихри недаром стали любимым объектом изучения науки синергетики. Тенденция вихрей к самоорганизации порой проявляется весьма нетривиально. Так, на больших океанских глубинах обнаружены сотни быстро вращающихся дискообразных объектов линз диаметром до восьмидесяти километров. Линзы образуются при втекании морской воды в океан, они живут до десяти лет, сохраняя при этом первоначальные гидрологические свойства! Такие структуры типичный пример так называемых антиэнтропийных процессов (процессов возникновения сложного из более простого).
Вернемся к вихревому термотрансформатору Ранка. Путем тангенциального ввода сжатого газа в камеру энергоразделения формируется сложное вихревое течение, которому присущ огромный радиальный градиент температур. Единый первоначально поток разделяется на выводимую через диафрагму холодную часть и на горячий поток, выводящийся через дроссель. У Ранка камера энергоразделения имела вид трубы. За семьдесят лет формы совершенствовались (внутренняя цилиндроконическая полость, резонатор для шумоподавления, внешнее оребрение). Как происходит термотрансформация, доподлинно неизвестно, хотя теорий, претендующих на объяснение процесса, много. Невозможно, например, опереться в объяснении термотрансформации на молекулярно-кинетическую теорию (с введением в модель центробежных сил и сил давления), так как молекулы на пути свободного пробега движутся, как известно, равномерно и прямолинейно. Попытки оперировать усредненными параметрами среды в камере вихревого термотрансформатора заведут в тупик. Описывать кинематику турбулентного движения на основе статистических (вероятностных) характеристик предложил Осборн Рейнольдс в 1895 г. Но и сейчас учебники навязывают такой спорный подход.
Если перевести на обычный язык «вероятностный характер», то турбулентность – это то, что возникает спорадически, т.е. весьма расплывчатая, неустойчивая субстанция. Получается, что эфемерная «неустойчивость» легко способна, к примеру, срубить хвостовое оперение аэробуса А300 (как это было над пригородом Нью-Йорка 12 ноября 2001 г. А «неустойчивостью» был вихревой след японского авиалайнера, взлетевшего за пару минут до инцидента). Впрочем, время жизни воздушной структуры (вихревого следа) в несколько раз меньше, чем у ранее упомянутых вихревых линз.
Нет пророка в своем отечестве
Теперь понятно, что описать процесс энергоразделения весьма непросто, но крайне важно. Надо учесть, что вихревое устройство Ранка – первый рукотворный образец антиэнтропийной системы. При расширении исходного газа в камере энтропия (мера беспорядка) убывает! Нобелевским лауреатом Ильей Пригожиным была создана термодинамика необратимых процессов. Но и она полностью не может объяснить расхождения реальных процессов ВТ с теоретическими следствиями второго закона термодинамики. Остается порадоваться тому, что у ортодоксов теперь поубавилось возможностей тормозить то, что не вписывается в их априорные схемы. Приведу исторический факт, имеющий прямое отношение к теме статьи.
В начале 1960‑х советская пресса привлекла внимание к феномену «Бабьегородского переулка». В подвале одного из домов этого московского переулка группа «чудаков»-физиков обнаружила, что их экспериментальная установка выделяет больше тепла, чем потребляет электроэнергии. После продолжавшихся около года дискуссий (где громче звучали ссылки на «материализм и эмпириокритицизм», нежели на законы физики) опыты получили официальный ярлык «лженауки». Интересен объект «остракизма»: энтузиасты смастерили… прототип теплового насоса, опередив на два десятилетия западных и японских производителей кондиционеров «зима-лето»! В те же бесшабашные годы, когда всеобщим увлечением было выращивание кукурузы за Полярным кругом, было успешно «зарублено» изобретение 23-летнего лейтенанта Владислава Иванова – компьютерный томограф. В 1983 г., спустя 23 года, Иванову выдали уже совершенно бесполезное а. с. № 1112266 на «способ определения внутреннего строения материальных тел». Общее же признание как авторы томографа получили в 1973 г. американцы П.Лаутербург и Р.Дамадиан.
Вихревым термотрансформаторам повезло, так как они пришли с Запада. Чиновники от науки отнеслись к заграничным новациям с традиционным почтением. Советские исследователи А.Меркулов, А.Азаров, А.Мартынов, Ш.Пиралишвили, В.Волов и др. значительно развили «точку роста», обозначенную Ж.Ранком и немецким исследователем Р.Хильшем. Отечественные «вихревые трубы» успешно работают во всех известных стихиях, но в весьма ограниченном диапазоне расходов рабочих тел (на порядок меньшим, чем требует СГДО). Пойдет на пользу возможность применения в ВТ холодных рабочих тел (адиабатный КПД повышается при охлаждении стенки камеры энергоразделения). Следовательно, в пакет термотрансформаторов смело можно «запускать» арктический ветер, предварительно «поймав» его воздухозаборником и совершив над ним работу сжатия. «Экспроприированное» тепло поступает на радиатор, обогревающий объект.
«Уживутся в одной упряжке»
Теперь о «партнере» ВТ – резонансной трубе. В ней течение газа носит упорядоченный характер (здесь мы имеем дело с периодической волновой структурой). Не знаю, случайно ли открыл Ранк свой эффект, но «эффект Шпренгера», лежащий в основе работы РТ, был выявлен случайно, при анализе аварий промышленных объектов (в частности, химических заводов). Оказалось, что торможение высокоскоростной струи газа в полуоткрытом пространстве («стакане») способно вызвать ударные волны, раскаляющие стакан до тысячи градусов! Для воспроизведения эффекта Шпренгер выявил взаимосвязи между геометрией проточной части (сопла и стакана), скоростью и давлением струи «инициирующего» газа. Это позволило эффекту найти инженерное применение. Простые и надежные газозапальные устройства – один из примеров использования эффекта. Процесс носит резонансный (узконастроенный) характер – отсюда пошло название «резонансная труба». В России РТ активно изучались и в качестве криогенераторов (отдав тепло «стакану», газ, согласно закону сохранения энергии, охлаждается).
Следовательно, резонансная труба – еще одна разновидность термотрансформатора, более простая, чем ВТ, в отношении расчета геометрии, но обладающая несколько меньшей эффективностью. На мой взгляд, оба эти аппарата прекрасно «уживутся в одной упряжке». Направлением охлажденного воздуха из патрубка вихревого термотрансформатора в сопло резонансной трубы достигается более полный отбор тепла, при этом «отработанный» в вихревом термотрансформаторе холодный поток не выбрасывается впустую, а превращается в рабочее тело, на котором работает резонансная труба. Автору статьи неизвестны попытки применения ВТ и РТ на столь больших расходах прокачиваемого рабочего тела, как это происходит в СГДО. Хотя элементы СГДО известны по отдельности, в таком сочетании они приобретают новые качества, позволяя термостатировать объекты, удаленные от источников энергоснабжения (в полевых условиях).
Сергей ГЕЛЛЕР Источник: http://www.eprussia.ru |
