АННОТАЦИЯ

Несмотря на заманчивую простоту и надёжность, несмотря на почти двухсотлетние усилия исследователей, термоэлектрические преобразователи так и не стали источниками электроэнергии в промышленных масштабах из-за низкого КПД и малых единичных мощностей. Их широко используют только в измерительной технике. Предлагаемый тонкоплёночный термоэлектрический преобразователь новой архитектуры по оценкам позволит получить большие единичные мощности при относительно высоком КПД. Ещё одной особенностью предлагаемого термоэлектрического преобразователя является возможность его эффективной работы на естественных перепадах температур возобновляемых источников энергии.

Термопара является устройством, позволяющим непосредственно преобразовывать тепловую энергию в электрическую, хаотическую энергию в кооперативную, способную совершать полезную макроскопическую работу. В термопаре тепловой поток, возникающий за счет разности температур спаев, распространяется от горячего спая к холодному. При этом фононы теплового потока в каждой ветви термопары увлекают за собой электроны проводимости, передавая последним направленную энергию теплового потока. Эффект увлечения электронов фононами впервые высказан Гуревичем. [2]. Эта переданная электронам направленная энергия теплового потока и есть ЭДС для каждой ветви термопары. Величина передаваемой энергии от потока фононов к электронам проводимости для каждой ветви термопары, по причине их различной кристаллической природы, различна. Опытным путем установлен термоэлектрический ряд проводников и полупроводников по отношению к стандартному проводнику – платине или серебру. Если термопара замкнута на контур, то в контуре создается ЭДС как разность ЭДС ветвей:

 (1)

Рассмотрим термоэлектрические явления в термопарах, изображенных на рисунках 1 и 2. На Рис.1 изображено последовательное соединение термопар в натуральную величину. На Рис.2 изображена та же цепочка термопар, но длина ветвей термопар уменьшена до длины порядка  микрона. В результате получим термопарную поверхность. На Рис.3 изображен в аксонометрии один элемент (одна термопара) термопарной поверхности, с указанной длиной ветвей.
Особенностью существующих термопар, в том числе и пленочных термопар, используемых в измерительной технике, является большое внутреннее сопротивление термопары как источника электродвижущей силы (ЭДС), вызванные большой длиной

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

и малым поперечным сечением ветвей термопары: , (2) где:  и ;  и ;  и  - удельное сопротивление, длина и поперечное сечение ветвей термопары.
Это же является причиной большого термического сопротивления для теплового потока через ветви термопары, часть кооперативной энергии которого и преобразуется термопарой в электрическую энергию. Такая особенность приводит к тому, что КПД современных термопар, по превращению тепловой энергии в электрическую, не превышает 1% для металлических и 5-7% для полупроводниковых термопар и не позволяет получить большие мощности термоэлектрических преобразователей. Исследования в области неравновесной термодинамики позволяют по иному взглянуть на процессы преобразования тепловой (хаотической) энергии в работу (электрическую энергию) в термопаре. 
Рассмотрим термопару, изображенную на рисунке 2. На рисунке: - тепловой поток, вызываемый разностью температур  и  между горячим и холодным источниками тепла. Длина ветвей термопары уменьшена до длины порядка  микрона. Соединим термопары на Рис. 3 в последовательные электрические цепочки как на Рис. 2. В результате получим тонкоплёночную термопарную поверхность (ТПТП), у которой ветви термопар превращаются в тонкие пленки, формируемые на основе пленочных технологий микроэлектроники(напыление, электролиз и т.д.). Пленки формируются на подложке, образующей спай. Мы в качестве примера рассматриваем термопару железо-никель на медной подложке спае. Внутреннее сопротивление такой термопарной поверхности как источника ЭДС будет на много порядков меньше чем существующих термопар. (См. (2)). А через большие, ни чем не ограниченные поверхности таких термопар можно, даже при малых перепадах температур, пропускать большие тепловые потоки.
Выясним характер изменения КПД термопары при уменьшении длины ветвей и переходе к пленочным термопарам, когда длина ветвей (толщина пленок) термопары уменьшится до порядка микрона или в пределе до 100-500А (ангстрем). Предел определяется длиной свободного пробега электрона в кристалле, на которой происходит ускорение электрона фононами, т.е. передача ему части кооперативной энергии теплового потока фононов.
Вначале определим поток тепла через электрически разомкнутую тонкопленочную термопару, за счет которого вырабатывается электрическая мощность. Будем рассматривать один квадратный метр () термопарной пленочной поверхности:

  (3)

где: k – коэффициент теплопередачи через термопарную поверхность;  - перепад температур между горячей и холодной средой, омывающих спаи термопары;  - коэффициент теплоотдачи от горячей среды к спаю;  - коэффициент теплоотдачи от холодной среды к спаю; - коэффициент теплопроводности слоев термопарной поверхности;  - толщина слоев термопарной поверхности.
Определим КПД термопары как отношение вырабатываемой термопарой электрической мощности к тепловому потоку, протекающему через разомкнутую термопару:
 ;  (4)
где:  - К П Д термопары;  - электрическая мощность, вырабатываемая термопарой;  - ЭДС, вырабатываемая термопарой;  - электрический ток в цепи термопары;  - внешнее сопротивление цепи;  - внутреннее сопротивление источника ЭДС (термопарной цепочки).
В общем случае ЭДС термопары зависит от трёх величин: пары проводников, температурной зоны, в которой происходит взаимодействие фононов с электронами, и перепадом температур между спаями, определяющим тепловой поток фононов через термопару.

; , (5)

где:  - удельная термо ЭДС, вызванная для данной пары потоком тепла при .  - определяет поток тепла  равный потоку тепла определенному по формуле (3).

; 

Для стандартной термопары, с помощью которой находят зависимость , перепад температур  определяет поток тепла через термопару. Примем поток тепла через эту стандартную термопару при , за единицу потока тепла для данной термопары. Тогда  получена при . И с учетом этого (5) запишется в виде:

, (6)

где:  - коэффициент, переводящий  с  в  для данной испытываемой термопары; - тепловой поток из (3).
Физически (6) понятно, так как именно кооперативный поток фононов увлекает за собой электроны проводимости, является той сторонней силой, которая создает ЭДС.
Теперь рассмотрим, как ведет себя с уменьшением длины ветвей термопары вырабатываемая ею электрическая мощность при прочих неизменных условиях. Учитывая (4) и (6) имеем:

  , (7) 

где:  и  - удельное электрическое сопротивление материала ветвей термопары;  - площадь одной ветви (пленки) термопарной поверхности;  - длина ветви термопары (толщина пленки);  и величины, постоянные для данной конкретной термопары.
Внешнее сопротивление цепи можно выполнить сколь угодно малым, увеличивая толщину внешних проводников. С учетом сказанного, принимаем внешнее сопротивление цепи равным внутреннему сопротивлению термопары.

 

Перепишем (7) в виде: 
Отсюда КПД тонкопленочной термопары будет (с учетом (3) и (4)):

 
 (8) где 

Из (8) видно, как того и следовало ожидать, что с уменьшением длины и увеличением поперечного сечения ветвей термопары, т.е. с уменьшением внутреннего сопротивления термопары как источника ЭДС, КПД термопары растёт. Уменьшая линейные размеры термопары (длину ветвей) до длин сопоставимых с длинами свободного пробега электрона, т.е. порядка 100 ангстрем, достигнутые значения КПД для термопар (1% для металлических и 5-7% для полупроводниковых) можно сохранить при малых перепадах температур. Отметим, что использованные при выводе (8) законы теплопередачи, Ома и Зеебека являются экспериментальными законами, проверенными в самом широком диапазоне. Их совокупное применение к тонкопленочной термопаре, предложенной конструкции и позволило получить (8). В связи с этим хотелось бы отметить такой момент, часто встречающийся в литературе при выводе формул КПД для термопары. Ссылаясь на фундаментальный характер законов по преобразованию тепла в работу, умножают КПД термопары полученный из формулы (4) на множитель  равный КПД Карно. Это представляется не правомерным. Коль скоро множитель является фундаментальным законом, то он должен реализовываться в экспериментальных законах, которые мы использовали. Если применять множитель, то закон Карно учитывается дважды. 
Вывод (8) вступает в противоречие с выводами традиционной термодинамики. Рассмотрим возникшее противоречие в свете динамики эволюции. Наиболее полно представления о динамике эволюции изложены в [9].
Передача тепла, тепловой поток в твердом теле осуществляется фононами, т.е. за счет согласованных колебаний кристаллической решетки твердого тела. Принято считать, что термо ЭДС термопары обусловлена тремя причинами: 1) зависимостью уровня Ферми (контактной разности потенциалов) от температуры, 2) диффузией электронов (или дырок) и 3) увлечением электронов фононами. Однако первые две причины не объясняют инверсию термо ЭДС, наблюдаемую у некоторых термопар. Инверсия термо ЭДС проявляется в том, что величина термо ЭДС зависит не только от разности температур, но и от абсолютного значения температур. При достаточно больших температурах величина термо ЭДС начинает падать и может даже переменить знак. К таким парам относятся пары Fe-Mo, Fe-Ag, Fe-Cu, для последней температура инверсии равна 300 градусов по Цельсию.
Третья причина, т.е. увлечение электронов проводимости направленным (кооперативным) потоком фононов кристаллической решетки, позволяет объяснить инверсию термо ЭДС. Дадим качественное объяснение этому явлению. Кристалл можно разбить на две более или менее автономные подсистемы. Первая подсистема – это кристаллическая решетка ионных остовов, причем ионные остовы совершают малые колебания около узлов решетки. Вторая подсистема – коллективизированные электроны, характер коллективизации которых может быть совершенно различным – от образования квазимолекулярных орбит до “газа” или “жидкости” электронов проводимости в металлах, омывающих решетку ионных остовов. Обе подсистемы кристалла являются колебательными системами. Эти колебательные подсистемы будучи системами с множеством степеней свободы (практически бесконечным) имеют спектр (практически бесконечный) мод колебаний подсистем, возбуждающихся при определенных условиях. Причем в случае эффекта Зеебека колебательная подсистема ионных остовов кристалла играет роль вынуждающей колебательной силы для подсистемы электронов проводимости. Частота вынуждающих колебаний ионных остовов (частота фононов) зависит от температуры. И когда частота вынуждающих колебаний фононов кристаллической решетки близка или совпадает с частотой собственных колебаний электронной подсистемы и происходит максимальная передача направленной кооперативной энергии фононов электронам проводимости в данном спектре частот (). Достигается максимальный КПД эффекта Гурвича. Из-за того, что для различных кристаллов (материала различных ветвей термопары) ионные остовы по разному откликаются на температуру (имеют разные частоты), а электронные подсистемы различных кристаллов имеют различные собственные частоты то, и передаваемая направленная энергия от фононов к электронам проводимости в разных ветвях термопары различна в данной температурной зоне. Разность между этими энергиями и дает термо ЭДС термопары. С изменением температуры у различных ветвей термопары могут поменяться местами (по величине передаваемой энергии) и периоды резонансов, а, следовательно, и передаваемая в каждой ветви направленная кооперативная энергия от фононов к электронам проводимости и здесь будет наблюдаться инверсия термо ЭДС.
Таким образом, ЭДС термопары обязана своим происхождением эффекту увлечения электронов фононами, а другие рассматриваемые причины могут лишь уменьшать или увеличивать внутреннее сопротивление источника ЭДС. Этот вывод подтверждает правомерность (6).
В термопаре, согласно динамике эволюции ([9]), происходит качественное преобразование тепловой энергии и она из хаотической формы у горячего спая, имея , переходит, благодаря температурной неравновесности между спаями и самоорганизации, в форму теплового потока фононов с результирующим импульсом отличным от нуля.

Рис . 4

Для обоснования сказанного рассмотрим процесс самоорганизации при наличии разности температур, выражающийся в появлении теплового (фононного) потока.
Пусть дана система (Рис. 4), состоящая из двух газов, находящихся в равновесии каждый по себе и разделенных теплопроводной (металлической) перегородкой. Пусть . В результате взаимодействия газов, в рассматриваемой неравновесной системе, возникает направленный тепловой поток, переносящий энергию от газа N1 к газу N2. Обмен импульсами и энергией между молекулами газов осуществляется через посредство потока фононов разделительной стенки, переносящих энергию и импульсы от горячего газа к холодному. Фононная волна передает энергию от частицы к частице в кристалле, и поэтому направленная энергия передается на конечную массу и квазиимпульс, согласно динамике эволюции, не вырождается. Конечно при движении одиночного фонона (одиночной волны) в направленный процесс вовлекаются соседние с направлением перемещения узлы решётки, и квазиимпульс рассеивается и затухает согласно второго закона термодинамики. Однако при достаточно плотном фононном потоке рассеяние снижается, а при когерентных волнах практически прекращается. При когерентности квазиимпульс не только передается на конечную массу от частицы к частице, но и соударение приближается к центральному, при котором вообще не происходит рассеяния импульса. В этих условиях как показано в [9], эффект вырождения импульса резко замедляется, замедляется диссипация кооперативной энергии и рост энтропии. Когда мы говорим о плотном фононном потоке, то имеем в виду не энергетическую плотность, а плотность потока квазичастиц фононов, обладающих квазиимпульсом, несущим на себе кинетическую энергию. Энергетическая плотность потоков Умова-Пойнтинга в кристалле зависит от плотности фононного потока квазичастиц, а также частоты и амплитуды фононов. Плотность потока фононов зависит от плотности газов, омывающих поверхность, а частота и амплитуда фононов зависит от перепада температур между сторонами поверхности. При толщине кристаллической теплопроводной стенки порядка десятков постоянных кристаллической решетки, т.е. порядка 50 – 200 ангстрем и относительно большой площади (макро размеров в теплопередаюшей плоскости в сравнении с микро размерами площади боковых ребер) потоки тепла через боковые ребра (вдоль стенки) пренебрежимо малы в сравнении с потоком тепла перпендикулярно стенке. К тому же узкие боковые ребра можно и теплоизолировать. Потоки тепла (потоки энергии Умова-Пойнтинга) в диссипативной структуре такой пленки не рассеиваются, за исключением узкой зоны возле боковых ребер через которые уносятся микро потоки тепла. Такое возможно только при условии, что переносящие тепло фононные потоки являются продольными когерентными волнами. Колебания узлов кристаллической решетки рассматриваемой пленки имеют три степени свободы, две в плоскости пленки и одну перпендикулярную плоскости. Как уже указывалось выше, колебания узлов в плоскости пленки не переносят энергии, за исключением узкой зоны возле боковых граней, через которые теряются микро потоки тепла. В плоскости пленки фононы представляют собой равновесные тепловые колебания, соответствующие температуре стенки. Всё количество тепла переносится перпендикулярной составляющей фононных колебаний. Причем независимо от углов, под которыми молекулы горячего газа бомбардируют пленку, энергия принимается и переносится только перпендикулярной составляющей фононов и таковой передается холодному газу. Так как в пленке практически нет рассеяния энергии, то здесь пренебрежимо мала мощность процесса релаксации, а это значит, что в такой пленке очень мала величина главного порогового соотношения. Здесь кооперативные потоки энергии возникают при очень малой неравновесности, при самых низких перепадах температур. Резкое снижение мощности процесса релаксации в предложенной пленке достигается тем, что кооперативный результирующий импульс передается последовательно от узла к узлу, т.е. на малые постоянные массы, причем в тонкой пленке этих соударений мало. Но самое важное, что импульс и переносимая им кинетическая энергия передаются, при плотном потоке фононов, продольными когерентными фононными волнами, при которых происходит практически центральное соударение, а значит, не происходит вырождение импульса и диссипации переносимой им энергии. Здесь очень мало производство Джоулева тепла. Предложенная стенка перестает быть диссипативной рассеивающей средой и работает как фильтр по отбору импульсов выделенного направления, перпендикулярного стенке. Из сказанного следует, что потоки энергии Умова-Пойнтинга, т.е. диссипативные структуры в кристаллической решетке стенки с хорошей теплопроводностью, формируются, при достаточной плотности квазичастиц, при низких значениях главного порогового соотношения, уже при очень малых перепадах температур. В отличие от теплопроводного кристалла вещество в аморфном состоянии имеет высокое значение главного порогового соотношения, так как из-за хаотического расположения ионов здесь исключается передача импульса на малую конечную массу по цепочке узлов и невозможно образование когерентных фононных волн, способствующих централизации взаимодействия, а стало быть, снижению вырождения импульса и диссипации энергии.
Направленный процесс передачи тепла (самоорганизация) наблюдается и при передаче тепла металлическим стержнем (традиционная термопара), если он имеет разную температуру концов, однако здесь диссипативный порог значительно выше, а соответственно велико Джоулево тепло и потери. В теплопроводной кристаллической стенке часть направленной кооперативной энергии теплового потока в результате взаимодействия фононов с электронами, передается электронам проводимости. Эта часть направленной энергии, определяемая из (8) в форме направленной электрической энергии освобождена от интенсивного воздействия причин релаксации. Во-первых, направленная энергия распространяется на малую, конечную массу свободных электронов проводимости, а значит. Во-вторых, благодаря уменьшению длины ветвей термопары до порядка длин свободного пробега электрона удается практически освободится от причины рассеяния направленной энергии электронов на ионных остовах решетки, т.е. резко снизить Джоулево тепло, являющееся следствием дисспации направленной электрической энергии. Вот эта не подверженная рассеянию направленная энергия и есть электрическая мощность термопары.
Источником ЭДС и электрической энергии в термопаре служит не разность температур как таковая. Температурная неравновесность является источником кооперативной энергии теплового потока.
Как уже отмечалось нами выше и из рассмотрения (8), достигнутые в настоящее время значения КПД термопар можно сохранить при перепаде температур в десятые и сотые доли градуса и превысить КПД Карно. Для придания термопарной поверхности необходимых прочностных свойств ее можно изготавливать многослойной как изображено на Рис.5. Получается она методом последовательного напыления. Многослойная термопара позволит дополнительно увеличить КПД. Методами нано технологий на толщине термопарной поверхности в 1 мм. можно нанести более 10-тысяч слоёв отдельных термопар.

Рис. 5

В окружающей нас природе постоянно существуют различные перепады температур. Например, перепады температур между различными по высоте слоями воды в морях и океанах, между массами воды и воздуха, перепады температур через стены зданий. Покажем возможность работы ТПТП на естественных перепадах температур, на возобновляемых источниках энергии.
Постановка задачи: Оценить габаритные размеры и иные характеристики термоэлектрического преобразователя с архитектурой термопарной поверхности в климатических условиях Арктики.
Исходные данные:
1) Мощность установок – 1 Мвт.
2) Перепад температур между тёплым и холодным слоем воды по глубине – 10°С.
3) Коэффициент теплоотдачи от поверхности металла к кипящей воде составляет величину порядка 2200 – 11000 . Для конденсирующегося водяного пара порядка 4500 – 22000 . Коэффициент теплоотдачи от воды при естественной конвекции составляет величину порядка 110-1100. (См. например, Лариков Н.Н. Теплотехника. – М.: Стройиздат, 1985, с.228). 
Принимаем в численных оценках величину коэффициента теплоотдачи при кипении, конденсации – 5000. Это много скромнее верхних границ. Коэффициент теплопередачи в условиях кипения – конденсации будет того же уровня.

Рис. 6

Принципиальная схема термопарной установки с тепловыми контурами изображена на Рис. 6. Холодный слой воды начинается от нижней кромки льда, где его температура равна 0°С и до температуры 4-5°С. В эту область передаётся тепло от холодных спаев термопарной поверхности. Тёплый слой воды в глубине определяем в диапазоне температур 10-15°С. 
Термопарная установка располагается по уровню между холодным и тёплым слоями. Холодные спаи с помощью теплового контура соединяются с холодным слоем воды. Горячие спаи своим тепловым контуром соединяются с тёплым слоем. Для тепловых контуров подбираем в качестве теплоносителей вещества имеющие температуру кипения-конденсации в пределах температур слоя.
Для холодного, отводящего тепло контура, выбираем бутилен цис-2-Б. Его температура кипения-конденсации при атмосферном давлении составляет 3,7°С. Для тёплого, подводящего тепло контура, выбираем хлорид бора. Его температура кипения-конденсации при атмосферном давлении составляет 12,5°С. Вещества подобраны из [12]. Таким образом теплоперепад между спаями термопарной поверхности будет 12,5 – 3,7 = 8,8°С.
Посчитаем тепловой поток через один квадратный метр термопарной поверхности при выше перечисленных условиях.
5000x1x8,8°С = 44 Квт.
Тепловые контура с, таким образом, подобранными теплоносителями, будут работать в режиме тепловой трубы, что обеспечит передачу больших тепловых мощностей при малых перепадах температуры.
Примем КПД термопарной поверхности равным 10%. Хотя из теоретических воззрений, я не вижу причин, по которым нельзя получить в многослойной термопарной поверхности КПД в 50 и даже 90%. 
При КПД равном 10%, один квадратный метр термопарной поверхности будет генерировать порядка 4–х киловатт электрической мощности. Возьмём пластины по 10 квадратных метров. Мощность такой пластины размером 2м. на 5м. будет 40 киловатт. Пакет из 25-ти таких пластин даст мощность 1 Мвт. Учитывая нанотехнологии толщина пластины будет не более одного миллиметра. Толщина пакета из 25–ти пластин не превысит и метра. Плюс ко всему этому нужно добавить ещё примитивные по конструкции тепловые контура.

Плёночные нано технологии на сегодня хорошо освоены и широко используются. Особых успехов эти технологии достигли в области микропроцессорной техники. Хотя существуют трудности с получением сплошности особо тонких плёнок (порядка 0,01-0,1 микрона) и их защита от окисных плёнок, резко увеличивающих электрическое и термическое сопротивление. Успешное решение технологических задач по производству ТПТП не только снизит остроту энергетических и экологических проблем, но и позволит хотя бы частично сохранить бесценное сырьё для будущего химической промышленности.

1. Блатт Ф.Д. и др. Термоэлектродвижущая сила металлов. /Ф.Д. Блатт, П.А. Шредер, К.Л. Фойлз, Д. Грейг. / Перевод с английского И.А. Магидсона. – М.: “Металлургия”, 1980г., 248с. 
2. Вонсовский С.В., Кацнельсон М.И. Квантовая физика твёрдого тела. – М.: “Наука”, 1983г., 336с.
3. Зильберман Г.Е. Электричество и магнетизм. – М.: “Наука”, 1970г., 384с.

4. Епифанов Г.И. Физика твёрдого тела. – М.: “Высшая школа”, 1977г., 288с.

5. Иоффе А.Ф. Полупроводниковые термоэлементы. Изд-во АН СССР, 1960г. 
6. Исакович Р.Я. Теплотехнические измерения и приборы. – М.: “Недра”, 1970г., 488с.
7. Косарев А.В. Патент RU на изобретение №2131156 Термоэлектрический преобразователь. Бюл.№15 от 27.05. 1999г.

8. Косарев А.В. Тонкоплёночная термопарная поверхность – термоэлектрический преобразователь нового поколения. www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/4372.html
Дата публикации: 14.01.2003г.
9. Косарев А.В. Монография “Динамика эволюции неравновесных диссипативных сред”. Издание второе, переработанное и дополненное. – Из-во: LAMBERT Academic Publishing, г. Саарбрюккен, Германия, 2013г., 354с.
10. Малышева И.А. Технология производства интегральных микросхем. – Изд-во “Радио и связь”, 1991г., 344с.

11. Мурин Г.А. Теплотехнические измерения. – М.: “Энергия”, 1968г., 584с.
12. Рабинович В.А., Хавин В.Я. Краткий химический справочник. – Ленинград, “Химия”, 1978г., 392с. 
13. Савельев И.В. Курс физики. Том 3. – М.: “Наука”, 1989г., 304с.
14. Строшио М., Дута М. Фононы в наноструктурах. / Пер. с англ. Под ред. Г.Н. Жижина. – М.: “Физматлит”, 2006г., 320с.

15. Телеснин Р.В., Яковлев В.Ф. Курс физики. Электричество. – М.: “Просвещение”, 1970г., 488с.

В статье получили своё дальнейшее развитие теоретические представления, внесены новые конструктивные решения сильфонно-поршневого двигателя, работающего на принципиально новом термодинамическом принципе преобразования тепла в работу. В отличие от традиционных тепловых машин, использующих для преобразования тепла в работу процесс расширения рабочего тела, в сильфонно-поршневом двигателе используется принцип изменения формы рабочего органа при постоянном объёме рабочего тела. Этот принцип выходит за рамки теории Карно и исключает потери, связанные с термическим КПД. 

Ранее в ряде работ [4,5,7,8] автором представлена теория и конструктивные варианты сильфонно-поршневого двигателя, работающего на принципиально новом термодинамическом принципе преобразования тепла в работу. В отличие от традиционных тепловых машин, использующих для преобразования тепла в работу процесс расширения рабочего тела, в сильфонно-поршневом двигателе используется принцип изменения формы рабочего органа при постоянном объёме рабочего тела. Этот принцип выходит за рамки теории Карно и исключает потери, связанные с термическим КПД. Предлагаемый к рассмотрению тепловой двигатель реализует отмеченный выше принципиально иной способ преобразования тепла в работу. Данная установка, исключая передачу большей части подведенного тепла окружающей среде, исключает компенсацию за преобразование тепла в работу, связанную с расширением атмосферы. 

Главным конструктивным элементом сильфонно – поршневого двигателя является сильфонная гармошка (сократительная цепочка), преобразующая потенциальную энергию объёмного сжатия в механическую работу.
Для уяснения принципа работы сильфонно – поршневого двигателя рассмотрим работу сократительного элемента, изображённого на Рис.1. Сократительный элемент состоит из собственно сократительного элемента – 1, помещённого в сосуд 2. Сократительный элемент – 1 представляет собой призму с ромбическим основанием A-D-E-F и четырёх боковых граней (две из них на рисунке заштрихованы). Боковые грани изготовлены из жёстких пластин, способных воспринимать давление. Четыре боковые грани соединены между собой посредством осей (A-B, D-C и т.д.) и могут свободно вращаться по осям друг относительно друга. Два ромбических основания сократительной призмы напротив выполнены из гибкого материала (как, например полиэтилен), не препятствующего вращению боковых граней по осям, но способного выдерживать требуемое давление. Вся конструкция сократительной призмы выполнена герметичной. Внутренняя же полость сократительной призмы соединена с помощью гибкой трубки – 3 с атмосферой. Сократительная призма помещена в герметический сосуд, имеющий отверстие – 4. Сократительный элемент работает следующим образом. Рассмотрим Рис.1 слева. Здесь сократительная призма изображена во взведённом состоянии. Давление в полости сократительной призмы – 1 и в полости сосуда – 2 равно атмосферному - . Подаём в сосуд – 2 через отверстие – 4 газ или жидкость под давлением . Под воздействием объёмного сжатия сократительная призма начинает схлопываться и примет положение, изображённое на Рис.1 справа. Вот этот элементарный акт сокращения и лежит в основе работы сильфонно – поршневого двигателя. При сокращении элемента совершается работа:  (1) где:  - разность между давлением, подаваемым в сосуд и атмосферным давлением; - суммарная площадь четырёх боковых граней сократительного элемента; - расстояние между точками F и D на которое схлопывается сократительный элемент; -острый угол ромбического основания сократительного элемента. По причинам, которые выяснятся ниже, принимаем этот угол по возможности минимальным. В (1) учтено, что при схлопывании сократительного элемента противоположные боковые грани движутся в направлении друг друга и проходят расстояние , сила направленная по движению равна . Уже из процесса схлопывания сократительного элемента виден принципиально иной способ производства работы из энергии объёмного сжатия, который не сопровождается процессом расширения рабочего тела. Здесь и давление  внутри сосуда содержащего сократительную призму и давление внутри сократительной призмы остаются постоянными при совершении работы. Изменяется только форма сократительной призмы.

Рис.1

Чтобы более наглядно представить процесс преобразования потенциальной энергии объёмного сжатия в механическую работу рассмотрим сократительную цепочку, изображённую на Рис.2. Сократительная цепочка (поршень) представляет собой много последовательно соединённых сократительных элементов, помещённых в общий сосуд (цилиндр). Один конец цепочки (на Рис.2 левый) свободен, другой (правый) прикреплён к стенке сосуда с помощью крепежа -2. Если подать в сосуд (цилиндр) через отверстие газ или жидкость под давлением , то каждый из сократительных элементов поршня начнёт схлопываться. По причине того, что цепочка правым концом жёстко закреплена к стенке сосуда, левый конец цепочки при её сокращении начнёт двигаться в правую сторону. При этом в процессе сокращения цепочки (поршня) будет совершаться работа, будет идти процесс преобразования потенциальной энергии давления в механическую энергию. Работа сократительной цепочки равна сумме работ всех последовательно соединённых сократительных элементов.  (2) где: - количество последовательно соединённых сократительных элементов сократительной цепочки; - из (1), работа одного сократительного элемента. Так как при постоянных размерах сосуда (цилиндра), вмещающего сократительную цепочку, мы будем стремиться к максимальному увеличению количества сократительных элементов цепочки, то угол  будет стремиться к нулю и для простоты косинус в формуле (1) заменим на единицу. С учётом этого имеем:

; (3)  - объём сосуда, освободившийся при сокращении сократительной цепочки. Таким образом, при воздействии на сократительную цепочку внешнего давления производится работа (3). Чтобы на основе сократительной цепочки получить длительно работающий двигатель необходимо добиться цикличности действия сократительного эффекта цепочки. 

Для обеспечения цикличности работы двигателя согласуем работу двух сократительных цепочек таким образом, чтобы сокращение одной цепочки сопровождалось бы растяжением другой. Принципиальная конструктивная схема двигателя изображена на Рис.3. Рисунок имеет следующие цифровые позиции: 1 и 2 – рабочие цилиндры (сосуды). Поперечное сечение рабочих цилиндров может иметь любую удобную форму (круг, прямоугольник). Левый и правый цилиндры, расположенные на одной оси, разделены перегородкой – 10, к которой с помощью крепежей – 2 (Рис.2) присоединяются поршни (сократительные цепочки) – 3 и 4. Для согласованной работы сократительных цепочек разных цилиндров они соединены с помощью штоков – 5. Длины штоков таковы, что когда одна сократительная цепочка (поршень), скажем левая, максимально растянута, то другая полностью сжата. Как на Рис. 3. Штоки проходят через разделительную перегородку – 10 цилиндров через сальниковые уплотнения – 9. На подвижных концах рабочих поршней – 3 и 4 расположены компрессионные поршни – 6, с расчётными отверстиями – 12. Компрессионные поршни обеспечивают компрессию цилиндров в области сократительной цепочки. Об особенностях компрессии сильфонно-поршневого двигателя остановимся ниже. Левая сократительная цепочка с помощью ползуна – 13, соединена с кривошипно-шатунным механизмом – 8. Ползун проходит через стенку левого цилиндра в сальниковом уплотнении – 7. Внутри элементов сократительных цепочек находится воздух. Пространство сократительных элементов соединено с атмосферой как на Рис.1. Пространство внутри цилиндров – 1 и 2 за пределами сократительных цепочек заполнено какой-либо жидкостью, например водой. Пространства внутри цилиндров, заполненные жидкостью, объединены с помощью коллектора – 11 воедино. На коллекторе -11 имеются два охлаждающих устройства – 14. Коллектор -11 с помощью запорных устройств – 15 и 16 соединён с цилиндрами таким образом, что рабочее тело (жидкость) поступает в область сильфонной гармошки со стороны её неподвижного конца. Цилиндры – 1 и 2 на большей своей части постоянно тепло изолированы. Для этого они защищены теплоизоляционными покрытиями – 18. Меньшая часть цилиндров, примыкающая к неподвижной стороне сократительных цепочек, имеет съёмные теплоизоляционные пластины – 17. Область цилиндра, покрываемая съёмными теплоизоляционными пластинами не должны превышать область, занимаемую сократительной цепочкой в состоянии полного сжатия (как на Рис.3, справа, позиция – 4). В процессе работы двигателя теплоизоляционные пластины имеют возможность отодвигаться от стенок цилиндра и обеспечивать поток тепла  (Рис.3) к рабочему телу цилиндра (жидкости) в зоне сократительной цепочки, у её неподвижного конца.
На рис.4 изображён один из вариантов сильфонно-поршневого двигателя ранее уже описанного в литературе. [4,5,7,8]. Здесь в качестве поршня используется не сократительная цепочка, а сильфонная гармошка – 3, 4 (Рис.4). Принцип работы в этом варианте тот же, но имеются конструктивные преимущества. Внутреннее пространство сильфонных гармошек общее, что облегчает его соединение с атмосферой. Для штока – 5 не требуется сальника. В данной статье мною принята конструкция с сократительной цепочкой для более наглядного представления принципа работы. У некоторых авторов возникает сомнение в возможности сокращения сильфонной гармошки под воздействием внешнего давления. Ещё одной отличительной особенностью нового варианта является конструкция тепловой изоляции цилиндров. Ранее изоляция цилиндра вся была съёмной и состояла из набора скорлуп. Скорлупы прижимались к цилиндру по мере сокращения сильфонной гармошки. Скорлупы предполагается прижимать даже с некоторым опережением сжатия сильфонной гармошки. Причина такого действия будет описана ниже. И в конструкции сократительной цепочки, и в конструкции сильфонной гармошки 

Рис.4 Рисунок имеет следующие цифровые позиции: 1 и 2 – рабочие цилиндры. Поперечное сечение рабочих цилиндров может иметь любую удобную форму (круг, прямоугольник); 3 и 4 – сильфонные поршни; 11 – коллектор, соединяющий воедино внутренние полости рабочих цилиндров; 10 – запорная арматура на трубопроводе, соединяющем внутренние полости рабочих цилиндров; 6 – сальниковые уплотнения в месте прохода через стенку цилиндра ползуна – 9, передающего тяговое усилие от сильфонного поршня на шатун кривошипно – шатунного механизма; 7 – сочленение между ползуном и шатуном; 8 – кривошипно шатунный механизм; 12 – съёмные теплоизоляционные кожуха рабочих цилиндров; 5 – шток, обеспечивающий взаимодействие сильфонных поршней 3 и 4. 

необходимо предусмотреть механическое устройство, не позволяющее отдельным сократительным элементам растягиваться на величину большую допустимой (допустимо установленной конструктором). Если общее растяжение лимитируется штоком -5, то предельный угол  должен лимитироваться упомянутым механическим устройством.
Теперь опишем принцип работы двигателя на основе сократительной цепочки. Работа двигателя на основе сильфонной гармошки описана в [4,5,7,8] и мало чем отличается от того, что будет описано здесь. 

Рис.5

Обратимся к рисунку -3. Описание рабочего цикла теплового двигателя начнём с положения изображённого на рисунке, когда сократительная цепочка левого цилиндра (на Рис.3 позиция 3) полностью растянута, а сократительная цепочка правого цилиндра (на Рис.3 позиция 4) полностью сжата. Съёмные теплоизоляционные пластины – 17 прижаты к поверхности цилиндров (как на правом цилиндре). Подвод тепла от внешнего источника к рабочему телу (жидкости) цилиндров в этом случае исключается. Отметим принципиально важный момент. Объём рабочего тела (жидкости) двигателя в обоих цилиндрах суммарно всегда постоянен. Он равен внутреннему объёму двух цилиндров за вычетов объёмов двух сократительных цепочек – левой, полностью растянутой, и правой, полностью сжатой (как на Рис.3). Запорные устройства – 15 и 16 закрыты. Давление и температура рабочего тела в цилиндрах равны параметрам внешней среды. Давление внутри полостей элементов сократительных цепочек всегда равно атмосферному, так как они соединены с атмосферой. Состояние рабочего тела в данный момент характеризуется на T-S диаграмме точкой – 1 (Рис.5). На Рис.5 изображён термодинамический цикл сильфонно-поршневого двигателя. В этот момент теплоизоляционные пластины – 17 на первом (левом) цилиндре открываются. Теплоизоляционные пластины отодвигаются от поверхности обечайки цилиндра -1. (см. Рис.3). В этом состоянии обеспечена теплопередача от внешнего источника тепла к рабочему телу первого цилиндра. Теплоизоляционные пластины на втором цилиндре, напротив плотно облегает поверхность обечайки цилиндра. Тем самым передача тепла от внешнего источника тепла к рабочему телу цилиндра – 2 не возможна. Подводимое тепло к первому цилиндру вызывает повышение давления его рабочего тела (жидкости), находящегося при постоянном объёме в области сократительной цепочки до точки 2 (Рис.5). Подвод тепла к постоянному объёму несжимаемой жидкости приводит к резкому увеличению давления. Так нагрев воды при постоянном объёме на 1˚С приводит к увеличению давления на 5-ть атмосфер. [3]. Этот эффект и используется для изменения формы (у нас сжатия) сократительной цепочки и совершения работы. При этом давление внутри сократительных элементов поршня – 3 первого цилиндра не изменяется, так как их внутренние полости соединены с атмосферой. В результате создаётся перепад давлений по сторонам сократительных элементов поршня первого цилиндра. Этот перепад давлений между точками 2 и 1 (Рис.5) определяется внешней нагрузкой на валу машины. Как только давление в точке 2 (Рис.5) достигнет величины достаточной для преодоления внешней нагрузки, то сократительная цепочка первого цилиндра начинает сжиматься, возникает тяговое усилие, которое через ползун – 13 передаётся на кривошипно – шатунный механизм. Происходит преобразование энергии теплового потока подводимого к рабочему телу первого цилиндра в механическую энергию на коленчатом валу. При сжатии сократительной цепочки (поршня) состояние рабочего тела в первом цилиндре не меняется и определяется точкой 2 на Рис.5. Сжатие сократительной цепочки – 3 приводит к тому, что через воздействие штоков – 5, растягивается правая сократительная цепочка – 4. При этом компресионный поршень – 6 правого цилиндра выталкивает рабочее тело из полости второго рабочего цилиндра через трубопровод – 11 в полость первого рабочего цилиндра, которая освобождается при сжатии сильфонного поршня – 3 и через открывшуюся арматуру – 16 в полость сократительной цепочки – 4 правого цилиндра. Таким образом, рабочее тело в цилиндрах, перетекая, постоянно находятся при постоянном объёме. В момент полного сжатия сократительной цепочки – 3 левого цилиндра – 3, закрывается (прижимается к цилиндру) теплоизоляционная пластина -17 цилиндра – 1, при полном растяжении на данный момент сократительной цепочки – 4 правого цилиндра – 2. Открывается теплоизоляционная пластина на цилиндре – 2. Начинается подвод тепла к рабочему телу цилиндра – 2, происходит сжатие сократительной цепочки – 4. Далее все процессы протекают в той же последовательности, что и описаны выше, но от цилиндра – 2 к цилиндру – 1. Цикл замкнулся.
Попеременное прижимание теплоизолирующих пластин -17 к поверхности рабочего цилиндра в процессе циклической работы двигателя можно обеспечить с помощью кинематической схемы, соединённой с коленчатым валом.
Теперь об особенностях компрессии в сильфонно-поршневом двигателе. С одной стороны задача компрессии сильфонно-поршневого двигателя та же, что и у двигателя внутреннего сгорания. Исключить утечку рабочего тела через зазоры и тем самым исключить не производительные потери потенциальной энергии давления. Причём для двигателей внутреннего сгорания, чем плотнее компрессия, тем лучше. У сильфонно-поршневого двигателя компрессия не может быть абсолютной. При сокращении сильфонной гармошки (сократительной цепочки) рабочее тело (жидкость) должно выдавливаться за компрессионный поршень. В противном случае жидкость не даст возможности сокращаться сильфонному поршню (сократительной цепочке). Выдавливание жидкости из рабочей зоны сократительной цепочки происходит через отверстия -12 в компрессионном поршне. Причём размер отверстий -12 подбирается таким образом, чтобы с одной стороны обеспечить в рабочей зоне рабочее давление (соответствующее точке 2 (Рис.5)), с другой обеспечить выход жидкости их зоны сокращения сократительной цепочки. Если размеры отверстий будут больше необходимого, то давление распространится на весь объём рабочего тела в обоих цилиндрах, и сократительные цепочки обоих цилиндров будут сокращаться одновременно, уравновешивая друг друга. Результирующего сокращения не будет. Если отверстия будут по размерам меньше допустимого, то потенциальная энергия давления рабочей зоны будет в значительной мере расходоваться на дросселирование рабочего тела при вытеснении его в не рабочую зону.
Мощность рассматриваемого двигателя определяется мощностью теплового потока , подводимого к рабочей зоне сократительной цепочки. Величина теплового потока  определяется в соответствии с основной формулой теплопередачи:  (4); где:  – тепло, переданное к первому цилиндру за период сжатия его сократительной цепочки; k – коэффициент теплопередачи; F – теплопередающая поверхность рабочего цилиндра, равная площади теплоизолирующих пластин – 17 рабочего цилиндра; - теплоперепад между внешним источником тепла и рабочим телом первого цилиндра, имеющим температуру  в точке 2 (Рис. 5). Для заданных термодинамических и конструктивных условий величина теплового потока постоянна. .
При работе сильфонно-поршневого двигателя проявляется существенно вредный момент. Происходит передача тепла из рабочей зоны цилиндра (область занятая сократительной цепочкой), где происходит преобразование тепла в механическую работу, в нерабочую зону при циклическом перемещении рабочего тела. Это не допустимо, так как подогрев рабочего тела вне рабочей зоны приводит к возникновению перепада давлений и на не работающий сильфон (элементы не работающей сократительной цепочки). Тем самым будет возникать вредная сила против производства полезной работы. С целью исключения данного вредного эффекта, рабочее тело, перед поступлением в рабочую зону цилиндра через запорные устройства – 15 или 16, охлаждается в охладителях -14 до температуры точки – 1 (Рис.5). Это снижает КПД двигателя. 
Покажем, что доля тепловой энергии отведенной в охладителях – 14 из цикла для поддержания постоянной температуры рабочего тела в точке 1 (Рис. 5), может быть очень малой в сравнении с тепловой энергией подведенной в цикл и превращённой в механическую энергию на коленчатом валу. Составим уравнение теплового баланса для теплового потока  подводимого к первому цилиндру за период сжатия его сильфонного поршня (сократительной цепочки). 
 (5); где: - работа, механическая энергия, полученная на коленчатом валу при сжатии сократительной цепочки (сильфонного поршня) – 3; - тепло, отведенное из цикла при охлаждении выдавливаемого из цилиндра рабочего тела в охладителе – 14, для поддержания постоянства температуры в точке цикла -1 (Рис. 5).
Отводимое в охладителе – 14 тепло, согласно (5) снижает полезную работу. Поэтому встаёт задача снижения . Для этого увеличиваем число сократительных элементов сократительной цепочки до возможно большего количества на единицу длины цилиндров. Это позволит добиться того, что рабочее тело, выдавливаемое из рабочей зоны цилиндра (зоны занимаемой сократительной цепочкой) через отверстия – 12, будет не сразу попадать в нерабочую зону цилиндров, а предварительно протекает через область сократительной цепочки ещё не попавшей в зону подвода тепла. Тепло этого выдавливаемого потока будет повышать давление в ещё не обогреваемых сократительных элементах, вызывая их частичное сокращение и, следовательно, часть тепла, вытесняемого рабочего тела будет превращаться в работу. Так как вытесняемое рабочее тело, как и всё рабочее тело двигателя, находится при постоянном объёме, то частичный отвод тепла приводит к снижению температуры вытесняемого рабочего тела до точки 3 (Рис.5). Охлаждаемое тепло, отводимое в охладителях, снижается до площадки a-1-3-b. (Рис.5). Если бы вся сократительная цепочка изначально подогревалась полностью, а не в окне съёмной изоляционной пластины, то  равнялось бы площадке a-1-2-c. В нашем же случае тепло b-3-2-c превратилось в полезную работу. Чем больше сократительных элементов сократительной цепочки будет находиться вне зоны подвода тепла от внешнего источника, тем сильнее будет охлаждаться рабочее тело, вытесняемое из области сократительной цепочки. Тока 3 будет стремиться к точке 1, а площадка a-1-3-b к нулю.
Запишем количество тепла, передаваемого из рабочей зоны цилиндра в нерабочую зону при сжатии сильфонного поршня и которое необходимо отводить из цикла для поддержания постоянства температуры в точке 1. ; (6). В (6) - масса рабочего тела, вытесненная из рабочей зоны в нерабочую при сжатии сильфонного поршня (сократительной цепочки). Эта величина для конкретной конструкции постоянна; - массовая теплоёмкость рабочего тела при постоянном объёме; - перепад температур между точками 2 и 1, между температурой рабочего тела в рабочей зоне сильфона и температурой рабочего тела вне рабочей зоны после охлаждения в трубопроводе – 11 (Рис. 3). Эта величина при увеличении числа гармошек сильфона, как показано выше, уменьшается и в пределе стремится к нулю. А это означает согласно (6), что при стремлении к нулю перепада температур в охладителе стремится к нулю и , тепло, отводимое из цикла. С учётом сказанного термический КПД сильфонно- поршневого двигателя в этих условиях возрастает, стремясь к 1 при стремлении  к нулю.  при ;
Потери от охлаждения рабочего тела в сильфонно-поршневом двигателе  (6) не носят столь принципиально неизбежного характера как потери тепла  в теории Карно для циклов с процессами расширения. Потери от охлаждения в сильфонно-поршневом двигателе как показано выше могут быть снижены до сколь угодно малой величины. Отметим, что в данной работе речь идёт о термическом КПД. Внутренний относительный КПД, связанный с трением и другими техническими потерями остаётся на уровне сегодняшних двигателей.
Становится понятной необходимость механического устройства, не допускающего растяжение сократительных элементов больше допустимого. Без такого устройства сократительная цепочка, находясь под внешней нагрузкой, в зоне разогрева рабочего тела будет сокращаться, а остальная часть цепочки будет растягиваться. Общего перемещения, воздействующего на ползун, не будет. Да и растянутые сократительные элементы, попавшие в зону подвода тепла, уже не смогут сокращаться. 
В схемах, предложенных ранее [4,5,7,8], для уменьшения  предусматривалась схема опережающего прижатия теплоизоляционных скорлуп – 12 (Рис.4), в процессе сокращения сильфонного поршня. Предложенная в данной статье схема (Рис.3) представляется более эффективной. 

Представим некоторые обоснования работоспособности предлагаемого двигателя. Так как двигатель использует совершенно новый термодинамический принцип преобразования тепла в работу и на данный момент нет действующих моделей, то это вызывает естественное сомнение в его работоспособности.
а). Совокупность сил и их результирующая.
На боковые поверхности каждого сократительного элемента сократительной цепочки действуют силы, приводящие к схлопыванию сократительного элемента и при этом производящие полезную работу. Силы направлены навстречу друг другу, но они в процессе схлопывания сократительного элемента не уравновешены. Равновесие наступает только в момент полного сокращения. Причём все эти силы с точки зрения производства работы направлены по направлению движения и поэтому складываются. И только сила давления, действующая на компрессионный поршень -6, направлена против перемещения и должна вычитаться из совокупности сил, действующих на сократительные элементы. Причём чем больше сократительных элементов в сократительной цепочке, тем незначительнее влияние силы противодействия на компрессионный поршень и тем значительнее результирующая сила, воздействующая через ползун -13 на коленчатый вал. Мы не учитывали силы трения всегда направленные против движения. Но они незначительны в сравнении с силами давления. Мы видим, что с точки зрения совокупности сил, возникающих при работе сильфонно-поршневого двигателя, двигатель работоспособен.
б). Баланс энергии.
Есть и энергетические соображения, которые могут вызывать сомнения в работоспособности предлагаемого двигателя. В (3) записана работа производимая сократительной цепочкой в процессе её сокращения. Но если мы запишем работу производимую силами действующими на компрессионный поршень -6 в процессе сокращения сократительной цепочки, то получим ту же величину:
; где: - площадь компрессионного поршня, на который действует перепад давлений . Эта площадь равна половине площади боковой поверхности сократительного элемента;  - расстояние, которое проходит компрессионный поршень при сокращении сократительной цепочки.
На первый взгляд получается, что вся полезная работа, полученная в процессе сокращения сократительной цепочки, полностью расходуется на работу перемещения компрессионного поршня против сил. А с учётом затрат работы против сил трения общий энергетический эффект выглядит даже отрицательным. Обратим внимание на такой момент. Работа, совершаемая компрессионным поршнем, производится против действующих на него сил. Из этого следует, что совершаемая компрессионным поршнем работа должна идти на повышение потенциальной энергии. Но в процессе сокращения сократительной цепочки параметры рабочего тела остаются неизменными, соответствующими точке -2 на T-S диаграмме (Рис.5). Следовательно, потенциальная энергия, получаемая в процессе перемещения компрессионного поршня, не накапливается в рабочем теле в области сократительной цепочки, а тут же преобразуется в сократительной цепочке в работу на коленчатом валу. А с учётом превосходящего значения сил сокращения цепочки в сравнении с силами противодействия на компрессионный поршень, происходит процесс преобразования энергии подводимого извне теплового потока в механическую энергию на коленчатом валу. Таким образом, анализ сил и энергетических потоков двигателя говорит в пользу его работоспособности.
в). Ещё одним убедительным доказательством работоспособности сильфонно-поршневого двигателя является жизнедеятельность клеточной органеллы митохондрии и сократительная активность саркомера мышечной клетки. [5,9]. Эти биологические структуры используют тот же термодинамический принцип преобразования тепла в работу, что и сильфонно-поршневой двигатель. 

Отличительной особенностью новой технологии является возможность работы на малых перепадах температур с высоким КПД. В традиционных циклах, использующих при преобразовании тепла в работу процессы расширения рабочего тела, КПД в преобладающей степени зависит от перепада температур. Но дальнейший рост перепада температур достиг своего потолка и ограничен прочностными свойствами сталей.
Для проверки работоспособности сильфонно-поршневого двигателя необходимо проведения комплекса опытно-конструкторских работ. При этом затраты на проведение этих работ незначительны сами по себе. Однако в случае успеха открываются возможности для общедоступного и неограниченного производства энергии от возобновляемых источников. [5, 8]. В случае успеха снимаются и многие экологические проблемы энергетики.

1. Антонов В.Ф. и др. Биофизика. – М.: “Владос”, 2003г., 288с.
2. Базаров И.П. Термодинамика. – М.: “Высшая школа”, 1991г., 376с.
3. Вукалович М.П. Теплофизические свойства воды и водяного пара. – М.: “Машиностроение”, 1967г., 160с.
4 Косарев А.В. Патент на полезную модель RU №68067 Тепловой двигатель (варианты). Бюл. №31 от 10.11.2007г.
5 Косарев А.В. Монография “Динамика эволюции неравновесных диссипативных сред”. Издание второе, переработанное и дополненное. – Из-во: LAMBERT Academic Publishing, г. Саарбрюккен, Германия, 2013г., 354с.
6. Косарев А.В. Условие применения цикла Карно в качестве мерила эффективности преобразования тепла в работу. http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/8074.html
7. Косарев А.В. Сильфонно поршневой двигатель – двигатель на новом термодинамическом принципе преобразования тепла в работу. Коллективная монография “Передовые решения в науке и практике: научные гипотезы, новизна и апробация результатов исследований”. / АНО содействия развитию современной отечественной науки Издательский дом “Научное обозрение”. – М.: Планета, 2013г.-168с.
8. Косарев А.В. Тепловой двигатель на новом термодинамическом принципе преобразования тепла в работу и его работа на естественных перепадах температур возобновляемых источников энергии. 
http://new-idea.kulichki.net/pubfiles/140121164236.doc
9. Косарев А.В. Митохондрия как биологический тепловой двигатель внутри клеточного конвейера. http://www.trinitas.ru/rus/doc/0016/001d/2327-ksr.pdf
10. Лариков Н.Н. Теплотехника. – М.: Стройиздат, 1985г., 432с.
11. Путилов К.А. Термодинамика. – М.: “Наука”, 1971г., 377с.
12. Рабинович В.А., Хавин В.Я. Краткий химический справочник. – Ленинград, “Химия”, 1978г., 392с. 

¹Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВО Донской ГАУ в г. Зернограде, доктор технических наук, профессор кафедры «Технологии и средства механизации агропромышленного комплекса»

²Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВО Донской ГАУ г. Зернограде, кандидат технических наук, доцент кафедры «Технологии и средства механизации агропромышленного комплекса»

Аннотация: В статье даны основные требования к качеству процесса автопоения КРС и влияние их соблюдения на продуктивность животных. Раскрыты принципиальные схемы систем и линий автопоения. На основании аналитических исследований рассмотрено влияние тепловых, гидравлических  показателей и конструктивных параметров  системы (линии) автопоения на создаваемое в них давление и обеспечение термосифонного процесса циркуляции воды.

CIRCULATING PRESSURE IN RESOURCE-SAVING SYSTEM AVTOPOENIYA ANIMALS

Potseluyev Alexander Aleksandrovich¹, Nazarov Igor Vasilevich², Tolstoukhova Tatyana Nikolaevna²

¹Azov-Black Sea Engineering Institute, FSBE HE Don State Agrarian University in Zernograd, Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department «Technology and means of mechanization of agro-industrial complex»

²Azov-Black Sea Engineering Institute, FSBE HE Don State Agrarian University in Zernograd, Ph.D., assistant professor of the Department «Technology and means of mechanization of agro-industrial complex»

Abstract: The article gives the basic requirements for the quality of the process avtopoeniya cattle and the effect of compliance on the productivity of animals. Disclosed concepts of systems and lines. On the basis of analyzes examined the effect of thermal and hydraulic performance and structural parameters of the system (line) avtopoeniya on creating in them the pressure and ensure thermosyphon process water circulation.

Keywords: system avtopoeniya, avtopoeniya line, natural circulation, pressure, hydraulic resistance heating unit, power, pressure, resistance, heat loss, rate of water movement.

В соответствии с технологическими и зоотехническими требованиями системы, линии и средства автопоения должны обеспечивать надежность процесса автопоения животных, свободный доступ животных к воде, требуемое качество воды и комфортность обслуживания животных /1/. Наряду с этим рекомендуемые к производству системы и средства автопоения по сравнению с используемыми на производстве должны быть менее металлоемкие, энергоемкие и трудозатратные при обслуживании. В настоящее время на животноводческих объектах для автопоения животных используются тупиковые и кольцевые прямоточные системы (линии) автопоения, системы с промежуточной накопительной емкостью, а также кольцевые системы автопоения с использованием узла нагрева воды и напорных устройств в виде циркуляционных насосов /2/.
Циркуляционные насосы в системах автопоения предназначены для периодической циркуляции воды в системе автопоения с целью поддержания температуры воды в зоне ее отбора (автопоилках) в заданных зоотехническими требованиями пределах. Однако использование насосного оборудования ведет к дополнительным затратам капитальных вложений. При этом конструктивные решения выпускаемых отечественной промышленностью насосов не исключает непроизводственный расход воды, что удорожает процесс автопоения. Поэтому одним из перспективных направлений является разработка систем автопоения с использованием принципа (эффекта) термосифонной циркуляции воды.
В этом случае линия автопоения с термосифонной циркуляций воды включают в себя основные элементы известных тупиковых систем автопоения (водонапорный бак, распределительный и рабочий участки трубопроводов с отводками, автопоилки) и дополняются водонагревательными устройствами и обратным трубопроводом. Характерной особенностью этих линий является наличие замкнутого контура. Конфигурация линий зависит от планировочного решения помещения, расположения технологических групп животных, выбранного принципа подачи воды к автопоилкам (напорный или безнапорный) и они могут быть одноконтурными (Рис.1) или многоконтурными (Рис.2).
Одноконтурная линия термосифонной циркуляции может быть привязана к различным планировочным решениям животноводческих помещений. Однако наиболее эффективно ее применение при однорядном размещении животных. Основным, ограничивающим фактором ее применения является протяженность транспортной магистрали /3/. 

1 – бак-накопитель; 2 – поплавковое устройство; 3 – клапанное устройство; 4 – вводной трубопровод; 5 – обратный водопровод подогретой воды; 6 – водонагревательный блок; 7 – обратный трубопровод охлажденной воды; 8 – средства автопоения; 9 – распредели-тельный трубопровод; 10 – магистральный трубопровод

Многоконтурная линия циркуляции воды может быть использована в животноводческих помещениях (коровниках) с многорядным расположением животных и наличии в центральной части помещения поперечного технологического прохода. При этом в зависимости от места ввода воды в помещение накопительные емкости могут располагаться как в зоне поперечного технологического прохода, так и в торцах помещения.

Термосифоный принцип циркуляции воды в рассмотренных линиях должен постоянно обеспечивать заданный температурный режим в средствах автопоения (автопоилках) за счет переноса тепла из зоны ее нагрева в зону ее отбора животными. Этот процесс непосредственно связан с разностью давлений, создаваемых в различных точках системы. Поэтому нами аналитически рассмотрен процесс циркуляции воды за счет силового фактора (действующего давления и сопутствующих факторов в линии автопоения). 
Одним из базовых элементов системы (линии автопоения) является нагревательный блок.
Температура воды в этом блоке оказывает влияние как на температуру воды, поступающей к животным, так и на циркуляционное давление в системе и, как следствие, – на циркуляционный расход воды в ней. Поскольку температурный диапазон воды для животных довольно широк (10–20^оС), то приоритетным будем считать влияние температуры воды в блоке на циркуляционное давление в линии и соответственно и количество тепла, которое должно воспроизводиться в нагревательном блоке.

а – первый циркуляционный контур; б – второй циркуляционный контур; в – третий циркуляционный контур; г – четвертый циркуляционный контур; 
1 – вводный трубопровод; 2 – клапанно-поплавковое устройство; 3 – распределительный трубопровод; 4 – автопоилки; 5 – обратный трубопровод охлажденной воды; 6 – регулировочные вентили; 7 – водонагреватель; 8 – обратный водопровод подогретой воды; 9 – накопительный бак

Количество тепла производимое в блоке может быть определено по формуле

(1)

где q_рас – циркуляционный расход воды в системе, м³/ч (q_рас=W);
W – производительность системы;
с – теплоемкость воды, Вт/кг·^оС;
t_бл – температура воды в блоке, ^оС;
t_охл – температура охлажденной воды, ^оС;
F_бл – поверхность корпуса блока, м²;
К_бл – коэффициент теплопередачи корпуса блока, Вт/м²·^оС;
t_в – температура воздуха в животноводческом помещении, ^оС.

Циркуляционное давление воды в линии может быть определено по формуле

(2)

где Р_ц – циркуляционное давление воды в системе, Н/см²;
h_ц – высота столба воды, способствующая циркуляции воды, м;
g – ускорение силы тяжести, м/с²;
ρ_ох – плотность охлажденной воды, ^оС;
ρ_п – плотность подогретой воды, ^оС;
Р_е – потери давления на преодоление сопротивлений движению воды по
длине линии, Н/см²;
Р_м – потери напора на преодоление местных сопротивлений в линии, Н/см².

Формула (2) по определению циркуляционного давления носит общий характер. Применительно к конкретной системе автопоения формула (2) должна быть раскрыта с учетом конструктивных особенностей системы (линии).
Рассмотрим расчетную схему напорной циркуляционной линии (рис. 3).
Анализ этой схемы показывает, что циркуляционное давление, создаваемое за счет столба жидкости и разности плотностей горячей и охлажденной воды, может быть представлено зависимостью

(3)

где Н₁ – высота столба охлажденной воды, м;
Н – высота столба подогретой воды, м;
 – средняя плотность охлажденной воды, кг/м³.
Потери давления на преодоление сопротивлений по длине циркуляционного контура неравномерно и его необходимо определять по двум базовым участкам: участку АБ и участку БВГДЕ рисунка 4.

1 – бак; 2 – поплавковое устройство; 3 – клапанное устройство; 4 – вводный трубопровод; 5 – обратный трубопровод подогретой воды; 6 – водонагревательный блок; 7 – обратный трубопровод охлажденной воды; 8 – средства автопоения; 9 – распределительный трубопровод; 10 – магистральный трубопровод

Участок АБ представляет собой перфорированный трубопровод. Перфорация трубопровода осуществляется в зоне присоединения индивидуальных поилок, а число узлов перфорации зависит от числа обслуживаемых животных или числа установленных автопоилок. С учетом этого и предполагая, что режим движения воды в трубопроводе подогретой воды ламинарный, общие потери давления в трубопроводе могут быть определены по формуле

 (4)

где λ – коэффициент гидравлического сопротивления;
l_тр – дина трубопровода подогретой воды, м;
d – диаметр трубопровода подогретой воды, м;
 – скорость движения воды в трубопроводе, м/с;
 – коэффициент сопротивления для зоны присоединения индивидуальных поилок;
n_п – число поилок, устанавливаемых на трубопроводе подогретой воды.
Коэффициент сопротивления в зоне присоединения индивидуальных поилок может быть определен по формуле

, (5)

где В – безразмерный коэффициент, зависящий от вида сопротивления;
R – число Рейнольдса для рассматриваемого движения воды;
n – показатель степени по Ф.П.Товстолесу.
Общие потери давления на участке АБВГДЕ могут быть определены по известной формуле :

(6)

Анализ формулы (24) показывает, что потери давления зависят от скорости движения воды в системе. Поэтому для их определения принимаем требуемую скорость воды в системе. Для этого может быть использована следующая формула

, (7)

где W – теоретическая производительность линии, м³/ч;
d – диаметр циркуляционного трубопровода, м.

Диаметр циркуляционного трубопровода определяется с учетом его пропускной способности при максимальном отборе воды животными

, (8)

где Q – расход воды в пиковые периоды отбора ее животными, м³/с;
 – допустимая скорость движения воды в трубопроводе (=1 м/с).
 – интенсивность отбора воды животными,м³/с.
По результатам аналитических и экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Системы автопоения с термосифонным принципом циркуляции воды применительно к животноводческим объектам небольшой мощности (КФХ) являются перспективными по ресурсосбережению (снижение стоимости линии на комплектацию насосом; снижение стоимости электроэнергии на привод насоса; снижение непроизводственного расхода воды за счет ее подтекания в уплотняющих устройствах насоса; снижение затрат труда на обслуживание насоса);
2. При обосновании параметров линии термосифонной циркуляции воды в качестве расчетных величин необходимо принимать: высота установки водонапорного бака – ≥ 2,7 м; скорость циркуляции воды – 0,004 м/с; местные сопротивления в зоне присоединения индивидуальных поилок – ξ = 80–140, в зоне присоединения проточных индивидуальных поилок – ξ = 0–9;
3. При обслуживании модульной группы животных (25 коров) допустимая длина термосифонной линии должна быть – 25–27 м., 

Библиографический список

1. Кашеков Л.Я. Механизация водоснабжения животноводческих ферм и комплексов /Л.Я. Кашеков. – М.: Колос, 1976. – 287с.
2. Бородачев П.Д. Водоснабжение животноводческих ферм и комплексов/          П.Д. Бородачев, В.М. Уссаковский. – М.: Россельхозиздат,1972. –238 с.
3. Назаров И.В. Режимы водопотребления на фермах КРС и совершенствование технологических линий автопоения: Дисс. … канд. техн. наук. – Зерноград, 1977.
4. Поцелуев А.А. Ресурсосберегающие системы водообеспечения технологических процессов по обслуживанию крупного рогатого скота: Дисс. …. докт. техн. наук. – Зерноград, 2011.
5. Славин Р.М. Автоматизация производственных процессов животноводческих ферм/ Р.М. Славин. – М.: Машиностроение, 1965.  – 394с.