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利用水结冰过程的膨胀力产生输出大于1的装置可行吗?

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发表于 2016-2-6 00:17:41 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 voilin 于 2016-2-7 15:32 编辑

前段时间的大寒流,相信很多家的水管都冻裂了,我家的热水器也冻裂了,铜管撕开一个好大的口子。于是我想,如此大的膨胀力若提取出来发电岂不妙哉?
首先必须在环境温度0℃以下(东北的人民有福了~),其次必须要有循环:水对外放热结冰膨胀推动活塞-->活塞通过齿轮带动发电机-->发电机对电瓶充电-->电瓶给加热器供电使冰融化-->融化完毕断开加热,此为一个循环。基于这种思路做出装置其实不难,若考虑到效率,可采取一系列技术措施:水容器外绝热处理、水和环境之间布置热管以加快结冰速度、通过液压装置将冰膨胀功导出,等等。
但是这样可行吗?能有净输出吗?通过计算分析,这种循环不可行,如下:已知冰的融化潜热C1=335kJ/kg,水结冰后体积膨胀10%,水的密度rou=1000kg/立方米,平均膨胀压力从下图(III相)可知P1=100Mpa。


结冰做功模型示意图如下:

设水的质量m,水的体积V0,冰的体积V1,活塞面积A,膨胀后活塞移动距离d,对外做功W,冰融化潜热Q,如果实现循环,必须满足W>Q,下面计算:
W=F·d=P1·A·d=P1·(V1-V0)=0.1·P1·V0=0.1·P1·m/rou=m×10^4焦耳。
Q=m·C1=3.35·m×10^5焦耳=33.5·m×10^4焦耳。
可知Q=33.5W,不满足W>Q,这种循环无法进行下去。如果考虑利用做功W驱动一台理想热泵,其COP高达33.5,则刚好实现循环,但实际上基本做不到,极小温差传热工程上实现困难。这样算来,东北人的福利没了。


但从另一个角度考虑结冰与融化过程,首先0℃的水从初始状态被冷却,放出潜热Q1,变为0℃的冰,并膨胀做功W;然后对冰加热,冰吸收热量Q2完全融化变为初始状态0℃的水,因Q1=Q2都为融化潜热,过程完成后水的内能不变,那么W从何种能量转化而来?

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楼主热帖
发表于 2016-3-4 11:34:11 | 显示全部楼层
利用压缩空气的已经实用了,空气动力汽车。
发表于 2017-8-31 08:48:59 | 显示全部楼层
想法不错,问题在于冰是固体,无法进行循环。
 楼主| 发表于 2017-10-1 00:24:25 | 显示全部楼层
shenlong 发表于 2017-8-31 08:48
想法不错,问题在于冰是固体,无法进行循环。

循环不是指流动,指能量循环。做功--发电---加热---融化----冷却结冰----做功---发电。。。。这叫循环
发表于 2017-10-1 10:23:02 | 显示全部楼层
参考一下冰箱和空调的原理,它们都是利用电能“搬运”热量,效率要大得多。
 楼主| 发表于 2017-10-6 23:46:05 | 显示全部楼层
shenlong 发表于 2017-10-1 10:23
参考一下冰箱和空调的原理,它们都是利用电能“搬运”热量,效率要大得多。

空调和冰箱属于蒸气压缩制冷循环,输入功W,热量传递Q,制冷COP=Q/W,一般大于一,好空调能达到4,为热机的逆循环,符合热力学第二定律。我说讲的是类似热机的正循环,热量传递Q,输出功W,热机效率COP=W/Q,永远小于一,从热力学讲极限是卡诺效率,取决于高低温差。你所说的效率高得多 首先你搞清楚是制冷效率还是热机效率,ok? 但我说的循环包含了固体膨胀,结冰做功并不严格符合热力学定律。建议学习一下热力学并仔细思考后再来讨论。
发表于 2017-10-7 09:28:21 | 显示全部楼层
做功--发电---加热---融化----冷却结冰----做功---发电,这个循环中的“冷却结冰”难道不是制冷吗?“加热”的方式用什么?电炉吗?还是热空调效率高些?
 楼主| 发表于 2017-10-8 02:26:27 | 显示全部楼层
shenlong 发表于 2017-10-7 09:28
做功--发电---加热---融化----冷却结冰----做功---发电,这个循环中的“冷却结冰”难道不是制冷吗?“加热 ...

你完全没理解热机,不必再讨论。 cop=33.5的热泵,上面已提到,叫热泵,不叫热空调...
发表于 2017-10-8 08:29:32 | 显示全部楼层
完全是幻想,不讨论也罢。
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