«Насос для энтропии». Электрокинетический термосепаратор.
Электрокинетический термосепаратор.
Давно известны и широко применяются различные способы получения пониженных температур, основанные на физических процессах, сопровождающихся поглощением теплоты. К ним относятся:
- Вихревой (Ранка)
- Термоэлектрический (Пельтье)
- Фазовые переходы вещества (плавление, кипение, сублимация)
- Адиабатическое дросселирование газа (эффект Джоуля-Томсона)
- Адиабатическое расширение газа с отдачей внешней работы
Использование перечисленных выше эффектов (их совместного или каскадного применения) позволяет получать любую теоретически возможную низкую температуру, необходимую для практических целей.
Для работы доминирующего большинства бытовых и промышленных холодильных устройств применяются процессы, использующие фазовые переходя вещества. Cовокупность технических устройств, необходимых для осуществления холодильного цикла, представляет собой холодильную машину, предназначенную для понижения температуры охлаждаемого объекта.
Холодильные (обратные) термодинамические циклы представляют собой совокупность различных замкнутых процессов, в результате которых рабочее тело возвращается в исходное состояние, а теплота передается этим телом с низкого температурного уровня на более высокий.
Холодильная машина, построенная на указанном принципе, имеет ряд существенных ограничений и недостатков, связанных как с её относительной сложностью, так и негативным влиянием на окружающую среду.
Принцип действия предлагаемого устройства (электрокинетического термосепаратора)
По словам Вальтера-Фридриха-Германа
Для иллюстрации возможности применения данного, самого общего, принципа получения низких температур, рассмотрим работу нано/микро капиллярной матрицы (см. далее по тексту) как «насоса для энтропии».
В основе работы предлагаемого устройства лежит «Туннельный Кинетический Эффект» (ТКЭ). Туннельный кинетический эффект – это эффект преобразования векторов внутренней кинетической (тепловой) энергии газообразных и жидких веществ находящихся в специальных туннелях, образованных силами неоднородного электрического поля (общее краткое описание данного явления можно посмотреть в предыдущей статье). Данный эффект, при соответствующих технических решениях, позволяет осуществлять сепарацию молекул жидких и газообразных веществ по их энергиям.
Предлагаемое устройство представляет собой диэлектрическую пластину, имеющую сквозные нано/микро капиллярные каналы, требуемой конфигурации (матрицу) и содержащие необходимое количество рабочего тела. В качестве рабочего тела могут использоваться различные газы, их смеси (в том числе и атмосферный воздух при нормальном давлении), или специальные жидкости, имеющие требуемые физические характеристики. Объем и характеристики рабочего тела выбираются в зависимости от прикладного применения проектируемого устройства.
Совокупность матрицы с каналами требуемой размерности, рабочего тела, содержащегося в данных каналах, и обкладок, позволяющих подводить электрический сигнал к телу матрицы, образует рабочий элемент.
При подаче на обкладки рабочего элемента соответствующего электрического сигнала, в теле рабочего элемента начинают возникать кинетические туннели, коэффициент преобразования кинетической энергии газа (жидкости) в которых, является функцией от амплитуды подаваемого сигнала. В результате образования данных туннелей происходит преобразование векторов направления теплового движения молекул в плоскости, перпендикулярной поверхности рабочего элемента.
Поскольку энергия рабочего тела не исчезает, она трансформируется в повышение скорости движения молекул вдоль оси кинетического туннеля. Молекулы, имеющие повышенные скорости, первыми покидают зону рабочего элемента (см. Рис.3). В результате этого процесса в теле рабочего элемента остаются молекулы, имеющие наименьшие скорости и соответственно наименьшую температуру.
Тепловая энергия, образованная в результате подобной сепарации, требует утилизации, а пониженная температура рабочего элемента – сохранения, что и будет рассмотрено ниже, при описании конструкции устройства.
Для более наглядного представления процессов, сопровождающих образование «кинетических туннелей», обратимся к иллюстрациям.
На рис. 1А условно показано расположение некоторой совокупности молекул газа, расположенных в определенном замкнутом объеме.
На рис. 1В показана эта же совокупность молекул, но пространственное расположение которых и возможность произвольного перемещения в любом направлении ограничены некими абстрактными перегородками, не имеющими собственных физических характеристик.
Что произойдет с энтропией системы? Совершенно очевидно, что подобная структуризация должна привести к уменьшению энтропии системы и, как следствие, к понижению её температуры, что и требуется для решения поставленной задачи. Остается один вопрос – как сделать такие перегородки, поскольку законам термодинамики подчиняются все вещества независимо от их агрегатного состояния? Легко подсчитать что «сверление» каналов (туннелей) необходимой размерности, для структурирования требуемого рабочего вещества, не приведет к успеху, поскольку стенки такого канала будут иметь собственные тепловые колебания, и вся система будет находиться в равновесии.
Рассмотрим поведение диэлектрических материалов в электрических полях. При наложении электрического поля на диэлектрический материал (вещество) в нем возникают процессы, сопровождающиеся различными структурными и физическими изменениями этого материала, имеющими обобщающее название «поляризация» (как правило, при удалении такого воздействия, вещество возвращается в свое исходное состояние). Видов поляризации много, поэтому рассмотрим самые общие явления, сопровождающие подобное воздействие.
На рис. 2А условно показана структура диэлектрического материала (рассматривается диэлектрик в твердом состоянии) без воздействия электрического поля. Структура расположения молекул данного диэлектрика зависит от его состава, технологии производства и других факторов.
При наложении внешнего электрического поля Е (рис. 2В) в диэлектрике, под действием сил электрического поля наблюдаются процессы поляризации. В самом общем случае это заключается в определенном смещении элементарных зарядов, входящих в состав атомов диэлектрика и нарушении симметрии электронейтральных молекул, образующих данный диэлектрик. В результате такого воздействия на вещество в тепловых колебаниях элементарных частиц, образующих данное вещество, начинает наблюдаться анизотропия в распределении тепловой энергии молекул по различным степеням свободы.
В данном случае для совершения колебательного теплового движения в плоскости перпендикулярной силовым линиям электрического поля, молекула вынуждена преодолевать силы этого поля, воздействующие на её структуру, что и приводит к образованию кинетических туннелей. Стенки туннелей перестают полностью компенсировать тепловое движение молекул рабочего тела и те, в свою очередь, вынуждены подчиниться данному воздействию, — система каналов перестает быть равновесной.
Таким образом, электрическое поле, опосредованно, воздействует на распределение внутренней кинетической энергии электронейтральных веществ, располагаемых в данных туннелях.
Степень «фиксации» стенки туннеля и соответственно его коэффициент преобразования является функцией от напряженности электрического поля, что позволяет управлять указанным процессом.
Рис.3
Конструкция устройства
«Электрокинетический сепаратор» представляет собой конструктивный модуль, состоящий из ряда рабочих элементов, объединенных в общую охлаждающую (нагревательную) систему, для решения конкретных прикладных задач и объединенных между собой общей системой управления, для достижения эффективного, совместного функционирования.
Основные функциональные задачи, решаемые устройством:
- Охлаждение рабочего тела до требуемой, пониженной температуры;
- Отвод и утилизация тепла от рабочих элементов;
- Минимизация притока тепла к охлаждаемым частям рабочих элементов;
- Отсутствие вредных воздействий на окружающую среду;
- Эффективная и гибкая система управления;
- Эффективное использование потребляемой энергии.
На рис. 4 показана принципиальная блок-схема предлагаемого устройства.
Как видно из рисунка, система может применяться как для получения пониженных температур, так и для получения тепла.
Конструкция может содержать дополнительные функциональные элементы в зависимости от области применения и назначения устройства, иметь открытые, сообщающиеся с окружающей средой, и закрытые теплообменники.
Рис. 5. Функциональная блок-схема системы управления электрокинетического сепаратора.
г. Санкт-Петербург 2011г.
New Sound Technologies
Дмитриев С.П. – исследователь.
