Чтение онлайн

(3.1.1)

А количество тепла, переносимого за единицу времени поднимающимся снизу вверх паром, рассчитывается как произведение расхода жидкости на удельную теплоту испарения

(3.1.2)

Приравнивая эти выражения друг другу, можно узнать, при какой высоте h0 количество приобретенной от гравполя энергии равно количеству переносимого тепла

(3.1.3)

Очевидно, что чем меньше высота, тем легче построить установку. Поэтому в качестве рабочего тела следует выбирать жидкости с минимальной теплотой фазового перехода. Такими веществами на сегодняшний день являются фреоны. Для них теплота испарения лежит на уровне 200 000 дж/кг. И в этом случае высота h0 будет составлять порядка 20 км.

Построить шахту глубиной 20 км и вдобавок разместить на ее дне гидротурбиное оборудование практически невозможно. Если же мы ограничимся более реальной цифрой в 200 метров, то величина полученной от гравитационного поля энергии будет раз в 100 меньше переданного снизу геотермального тепла. Ясно, что в таком случае мы получим гораздо больше выгоды, преобразуя в электричество не гравитационную энергию, а это переносимое тепло. Иначе говоря, получаем обычную геотермальную электростанцию. Так экономика ставит крест на идее вечного двигателя.

Подобный недостаток характерен для большинства известных мне проектов ВД2 на энергии гравитационного поля. Этот недостаток обусловлен тем фактом, что все эти проекты являются в отношении тепловой энергии открытыми схемами, т. е. такими конструкциями, через которые тепло без задержек проходит в ту или иную сторону. До тех пор, пока тепло свободно проходит через установку, преобразование тепла в полезную работу будет всегда выгоднее использования гравитационной энергии. Кроме того, истощение тепла в породах, окружающих нижнюю часть шахты, приведет к снижению выработки электроэнергии. Устранить оба недостатка можно, если сделать конструкцию закрытой для тепла. То есть надо заставить тепло постоянно циркулировать по контуру, не выходя за пределы станции. В этом случае можно загнать в контур такое количество тепла, чтобы выработка электричества за счет преобразования гравитационной энергии стала бы экономически выгодной.

Разработанный автором проект подобного ВД2 закрытого типа с использованием гравитационной энергии — так называемая гравитационная электростанция или ГРАЭС — показан на рис. 3.1.2. Станция состоит из подъемного канала 1, верхнего отсека 2, в котором находятся капиллярная структура 3 и теплообменники 4 с нанесенным на их боковые стенки тонким слоем такой же капиллярной структуры а также компрессор 5, опускной канал 6 и нижний отсек 7 с расположенной в нем гидротурбиной 8. Подъем рабочей жидкости из

Рис.3.1.2. Принципиальная схема гравитационной электростанции с использованием эффекта капилляров: 1 — подъемный канал; 2 — верхний отсек; 3 — капиллярная прослойка; 4 — теплообменники; 5 — компрессор; 6 — опускной канал; 7 — нижний отсек; 8 — гидротурбина

нижнего отсека 7 в верхний отсек 2 происходит за счет сил капиллярного всасывания, создаваемых структурой 3 и слоями этой структуры на боковых стенках теплообменников 4. Однако, эти же силы будут препятствовать жидкости покидать капиллярную прослойку. Чтобы все же обеспечить выход рабочего тела наружу, нужно жидкость испарить. Процесс испарения происходит на боковых стенках теплообменников 4. Полученный пар сжимается компрессором 5 и поступает внутрь теплообменников. Вследствие того, что испаряющийся из капиллярной структуры пар находится в состоянии насыщения, при его сжатии температура пара повышается и становится выше температуры той жидкости, которая еще находится внутри капиллярной прослойки. Поэтому возникает температурный напор между паром внутри теплообменника и жидкостью на его внешней поверхности: пар внутри теплообменников конденсируется, и выделяющееся при конденсации тепло проходит через стенку и испаряет новые порции жидкости. Полученный конденсат падает по опускному каналу 6, поглощает при падении энергию гравитационного поля Земли и отдает ее потом гидротурбине 8, которая вращает электрогенератор. Часть вырабатываемой генератором энергии питает компрессор, другая часть поступает в электрическую сеть.

Известно, чсто теплота фазового перехода с увеличением давления снижается, поэтому может показаться, что при конденсации пара внутри теплообменников выделится меньше тепла, чем требуется на испарение такого же расхода жидкости из капиллярной структуры. Реальная ситуация будет прямо противоположной. Пар при его сжатии компрессором нагревается настолько, что его температура растет быстрее температуры насыщения, поэтому в теплообменники пар поступает уже перегретым. Суммарная теплота конденсации и перегрева будет больше теплоты испарения по той причине, что компрессор вносит в пар избыточную энергию и выполняет роль нагревателя, компенсирующего утечки тепла из верхнего отсека в окружающую среду. Поэтому возникнет проблема отвода избыточного тепла, для чего придется устанавливать в отсеке специальные теплоотводящие агрегаты.

Работа ГРАЭС частично напоминает те процессы, которые наблюдаются в растениях. Вода под действием капиллярных сил поднимается по стволу дерева вверх к листьям, из которых она под влиянием внешнего тепла испаряется. Полученный пар поднимается еще выше в верхние слои атмосферы и там он конденсируется. Однако имеются и некоторые отличия настоящей схемы от природы и установок открытого цикла.

В природных условиях и открытых конструкциях процессы испарения и конденсации разнесены в пространстве и происходят в разных точках с разной температурой. Наличие природного температурного напора в открытых схемах и природе приводит к тому, что компрессор оказывается не нужным и тогда эффективность преобразования гравитационной энергии равна 100%: если при падении рабочей жидкости поглощается, допустим, 100 джоулей гравитационной энергии, эти же 100 джоулей будут воспроизводиться в виде электричества и все они будут отдаваться потребителю (конечно, при условии, что кпд самой гидротурбины также равна 100%).

В установках закрытой схемы процессы испарения и конденсации происходят практически в одной точке (по разные стороны теплообменной поверхности), поэтому природного температурного напора не существует и его нужно создавать искусственно, для чего служит компрессор. Энергию для работы компрессора дает гидротурбина с электро-генератором. Так как энергия гидротурбины и энергозатраты компрессора зависят от разных параметров, можно подобрать такие условия, чтобы первая величина была больше второй. Но как бы мы ни уменьшали энергозатраты компрессора на собственные нужды, они всегда имеются, поэтому кпд установки закрытого цикла в принципе не может составлять 100%: из каждых 100 джоулей поглощенной гравитационной энергии до потребителя дойдет только некоторая часть в форме электричества, а другая часть пойдет на собственные нужды станции и будет окончательно преобразована в тепло внутри контура. Несмотря на более низкий кпд, установки закрытого цикла оказываются намного выгоднее, потому что они не зависят от внешних условий. Поэтому можно создать самые оптимальные условия, которые в природе не встречаются, и тем самым поднять выработку полезной электроэнергии.

Расчеты показали, что самым лучшим рабочим телом для ГРАЭС являются жидкие металлы, а из них наилучшие характеристики показывают металлы щелочной группы и их эвтектики. Это обусловлено тем, что перепад температур между конденсируемым паром и испаряемой жидкостью обычно не велик (несколько десятых долей градуса), поэтому для создания больших тепловых потоков через стенку теплообменника и больших расходов рабочего тела нужно использовать вещества с высоким коэффициентом теплоотдачи при испарении и конденсации. Этому условию удовлетворяют только жидкие металлы. Например использование воды в качестве рабочего тела ГРАЭС ведет к уменьшению выработки электроэнергии а несколько тысяч раз по сравнению с жидкими металлами. Поэтому вода оказывается экономически неприемлемой, хотя технически возможной. Использование аммиака еще сильнее снижает выработку электроэнергии.

Ртуть в качестве рабочего тела ГРАЭС характеризуется несколькими недостатками. Во-первых, пары ртути чрезвычайно ядовиты и при случайной разгерметизации контура вытекшая ртуть может сильно загрязнить окружающую местность, сделав ее непригодной для проживания. Во-вторых, при температурах испарения коррозионная активность ртути настолько высока, что она растворяет в себе многие конструкционные металлы. С этой проблемой однажды столкнулись американцы, когда изготовили ядерный реактор с ртутным теплоносителем в проекте своих звездных войн: ртуть за две недели „съела“ всю внутреннюю начинку реактора. И в-третьих, использование ртути ведет к уменьшению выработки электроэнергии в несколько раз по сравнению с щелочными металлами.

Что касается фреона, то у этого соединения имеется очень большое достоинство для использования в ГРАЭС: малая теплота фазового перехода. Чем меньше теплота испарения и конденсации, тем больше расход рабочего тела для передачи того же самого тепла через стенку теплообменника. И тем больше выработка электроэнергии. Однако, фреон имеет два крупных недостатка, препятствуюшие его использованию в качестве рабочего тела ГРАЭС на современном этапе.

Во-первых, фреон имеет низкую теплопроводность жидкой фазы. Для стороны испарения это не очень существенно, т. к. испарение происходит из капиллярной структуры, и высокая теплопроводность материала структуры в заметной степени нивелирует низкую теплопроводность используемой жидкости. Но для стороны конденсации это играет очень важную роль: тепловое сопротивление пленки конденсата оказывается настолько высоким, что тепловой поток через стенку теплообменника и расход жидкости падают в сотни раз. Этот недостаток фреона можно обойти, если использовать капельную конденсацию вместо пленочной. Тогда жидкий фреон уже не может смачивать поверхность конденсации, а будет стягиваться на ней в отдельные крупные капли, оставляя поверхность свободной. В этом случае теплоотдача растет в миллионы раз. Но чтобы организовать капельную конденсацию, необходимо покрыть поверхность теплоотдачи специальной фреоноотталкивающей пленкой (подобно водоотталкивающей краске, которой покрывают металл для устранения водной коррозии). Однако, таких вещество сегодня нет, их еще предстоит создать.