Автор: В. В. КУШИН

Статьи данной рубрики отражают мнения авторов (прим. ред.)

стр. 40

Доктор технических наук [В. В. КУШИН], заведующий лабораторией Государственного научного центра "Институт теоретической и экспериментальной физики" (Москва)

Запасы теплоты, таящиеся в океанах, морях, реках и т.д., неисчерпаемы, поскольку непрерывно пополняются за счет солнечного излучения. Добраться до них возможно, на наш взгляд, сделав ставку на использование законов гравитации.

Рассмотрим простой пример - формирование грозовых облаков. Благодаря энергии светила на поверхности Земли образуется пар, который устремляется ввысь, унося воздушные массы. Затем он охлаждается и замерзает, поскольку по мере удаления от нашей планеты температура атмосферы падает. Происходит фазовый переход пар - вода-лед, вследствие которого выделяется теплота, нагревающая восходящий поток относительно окружающей среды, что и позволяет ему двигаться вверх. С высоты 10 - 12 км, где всегда царит мороз -40 - 50°С, образовавшиеся ледяная пыль и град выпадают вниз в силу земного тяготения, увлекая за собой массы воздуха. Опускаясь, они постепенно тают, и происходит обратный фазовый переход - лед-вода-пар, отбирающий теплоту у нисходящего потока, т.е. охлаждающий его. Оба указанных противотечения равны по объему и действуют одновременно. Облако, где они "бушуют", неустойчиво, и чем больше там влаги, тем сильнее возникающие в нем ветры, мощность которых может превышать 1 млн. кВт, а скорость - 100 м/с. Источники этой могучей энергии, как видим, - Солнце, вода Мирового океана и гравитация*.

Еще ярче свидетельствуют об их потенциальных возможностях тропические ураганы (в Азии их называют тайфунами, в Америке - харрикейнами) - воздушные вертикальные вихри, пропитанные парами, собираемыми с поверхности Тихого и Атлантического океанов**. Обычно они зарождаются вблизи экватора, где круглый год температура воды 26 - 28°С. Диаметр теплой зоны составляет тут тысячи километров. Когда в ее центре в силу метеоусловий образуется участок с пониженным давлением, туда устремляется воздух. Из-за вращения Земли на этот поток действует сила, заставляющая его закручиваться со скоростью до 400 км/ч по спирали вокруг вертикальной оси, проходящей через центр области пониженного давления. В результате образуется знаменитый "глаз" тайфуна - гигантская водовоздушная труба (диаметр 4 - 40 км, высота - до 15, толщина стенки 12 км и более), внутри которой атмосферное давление на 10 - 15% ниже, чем вокруг нее.

Как правило, подобный монстр живет 7 - 14 суток, двигаясь со скоростью до 100 км/ч сначала на запад, затем на северо-восток в Северном полушарии и на юго-запад - в Южном. По разным оценкам, он обрушивает на Землю ежесуточно 10 - 50 млрд. т осадков, а энергия его не меньше, чем от взрыва тысячи водородных бомб (или 1 млн. ядерных бомб, некогда сброшенных на Хиросиму). Такого ее количества вполне хватило бы на удовлетворение мирных потребностей всего человечества в течение года.

Надо сказать, что за тот же срок на нашей планете рождается в среднем по 80 подобных чудовищ. Все топливные проблемы удалось бы решить, если с пользой употребить хотя бы малую часть их силы. Но пока невозможно даже представить, как это сделать. Между тем действие тайфунов обусловлено законами гравитации, которые люди для своих нужд начали применять довольно давно. Так, "водопровод, сработанный еще рабами Рима", действовал по принципу самотека, т.е. под влиянием поля тяготения. Затем пришло время водяных мельниц, паровых приводов станков на заводах и фабриках и, наконец, крупных гидроэлектростанций, где также использовали силу льющейся вниз воды. Мощность последних определяют ее напор (высота падения) и расход. Например, на Красноярской ГЭС, где указанные величины составляют 101 м и 6000 м³ /с соответственно, данная величина равна 6 ГВт.

Откуда же берется такая энергия? Вспомним пример с грозовыми облаками: вся атмосферная влага (в том числе и питающиеся за счет нее реки, на которых, как правило, строят гидроэлектростанции), оказавшись на поверхности земли, испаряется благодаря посылаемой солнцем теплоте, конденсируется в верхних слоях тропосферы и вновь опускается в виде осадков. Возникает своеобразный гравитационно-тепловой круговорот: вода Мирового океана-пар-вода-энергоустановка-Мировой океан.

Оценим, насколько эффективен подобный цикл. Чтобы на гидроэлектростанции появился 1 кг рабочего вещества - воды, наше светило должно испарить такое же ее количество, для чего затратит 2500 кДж (удельная теплота парообразования для воды - известная величина 2500 кДж/кг). Работа же, получае-

* См.: Р. З. Алимов. "Циклонические" электростанции: реально ли? - Наука в России, 2002, N 5 (прим. ред.).

** См.: В. Л. Сывороткин. Откуда ты, "неукротимый младенец"? - Наука в России, 2001, N 3 (прим. ред.).

стр. 41

Образование облака с восходящими и нисходящими воздушными потоками.

мая даже самой высотной грузинской Ингурской ГЭС (напор 410 м), равна всего 4 кДж. Следовательно, коэффициент преобразования теплоты в работу тут составляет 4/2500 кДж = 0,16%. В рассмотренных же нами грозовых облаках и тайфунах данный параметр существенно выше. Вот почему в последние годы ученые многих стран особое внимание уделяют исследованию процессов получения энергии с помощью происходящих в атмосфере при участии сил гравитации вышеупомянутых фазовых переходов. Главная привлекательность этой идеи в том, что испарение и конденсация влаги не требуют затрат питания. Данные процессы происходят лишь за счет теплоты и холода окружающей среды на разных высотах. Современная же стационарная теплоэнергетика базируется в основном на паросиловых установках, содержащих котел с топкой. Там вода превращается в пар; он расширяется в турбине, совершая работу, затем поступает в конденсатор, где вновь переходит в жидкое состояние. Естественно, этот процесс невозможен без

стр. 42

расхода топлива. Уменьшить его попытались вводом в строй опытных электростанций, применяющих вместо воды фреон, аммиак и др., для испарения которых достаточно довольно низких температур. Однако у данных энергосистем невысокий коэффициент преобразования теплоты в работу, поскольку в них приходится использовать паровую турбину.

Ученые нашего института предложили иной вариант. Предполагаем в водоеме установить вертикальную трубу, внутри нее вблизи поверхности разместить гидротурбину с генератором тока, под ней - форсунку для распыления рабочей жидкости (диметилового эфира, закипающего при -23°С). В нижней части трубы необходим шлюз для поступления воды, в верхней - для ее возврата в емкость, а также приспособление для сбора выхлопных газов, сообщающееся с холодильным агрегатом. К последнему, соединенному через трубопровод с форсункой, требуется пристыковать стартовое устройство с электроаккумулятором и резервным баком для рабочей жидкости.

Действовать такая электростанция будет следующим образом. Из холодильного агрегата эфир устремится в форсунку, смешиваясь там с поступающей снизу водой. Образовавшийся поток поднимется выше, к ротору гидротурбины, приводя его в движение, а затем поступит в верхний шлюз, где разделится на два. Первый (водяной) станет сливаться обратно, второй (газовый) возвратится в холодильный агрегат. Так в системе установится состояние непрерывного отбора теплоты от водоема (на испарение рабочей жидкости) и преобразования ее в работу гидротурбины. Как видим, описанный цикл основан на том же принципе, что и образование облаков или тайфунов.

Рассмотрим технические характеристики этого гидротехнического сооружения. Для безостановочного функционирования такой электростанции необходимо подавать в форсунку рабочую жидкость из расчета 0,1 кг/с. Теплота парообразования диметилового эфира составит 500 кДж/кг, следовательно, для его конденсации требуется затратить

стр. 43

Схема гравитационной паросиловой гидроэлектростанции: 1 - водоем; 2 - вертикальная труба; 3 - шлюз подачи воды; 4 - форсунка; 5 - гидротурбина; 6 - электрогенератор; 7 - шлюз возврата воды; 8 - сепаратор; 9 - трубопровод; 10 - нагнетательный насос; 11 - холодильный агрегат; 12 - пусковое устройство (резервный бак для рабочей жидкости).

500 * 0,1 = 50 кДж/с, для чего нужна электроэнергия в количестве, определяемом температурой окружающего воздуха и водоема. Если последняя составит, например, -23°С, подключение питания не потребуется. Иное дело при 10°С: холодильный агрегат каждую секунду будет расходовать 5,5 кВт из 11 производимых генератором на перевод эфира в жидкое состояние.

Еще один немаловажный момент: выбор рабочей жидкости. Скажем, аммиак закипает при -33°С, диметиловый эфир при -23°С. Стало быть, в первом случае затраты энергии на конденсацию будут больше, чем во втором.

Проблемы, связанные с излишне теплой средой функционирования предложенного генератора, пожалуй, наиболее серьезны. Дело в том, что его общая мощность (как и обычных гидроэлектростанций) прямо пропорциональна произведению расхода и напора пароводяной смеси. А последний параметр сильно зависит от температуры воды и воздуха, которая может колебаться даже в течение суток. При ее изменении, например, на +/-20°С получаемая мощность варьируется в пределах +/-7%. Кроме того, столь необходимые потребителю киловатты отнимает и расход питания на охлаждение рабочей жидкости, тоже определяемый, как мы показали, степенью прогрева водоема. В результате на выходе - лишь разность между всей вырабатываемой мощностью установки и потерями в цепи конденсации.

Конечно, возникает вопрос: нельзя ли вообще избежать подобных затрат, понизив температуру в системе? Действительно, если трубу снабдить теплоизоляцией, а в поступающую в нее воду добавить антифриз, то, по-видимому, удастся обеспечить морозостойкость всего потока до -25°С. Безусловно, еще не все препятствия преодолены на пути исследования предлагаемого способа выработки электроэнергии. Тем не менее очевидны его явные экономические преимущества перед традиционными: источник теплоты - естественный водоем, а отработанные газы конденсируются за счет собственной электроэнергии. Мы надеемся, что, воспользовавшись такими "козырями", которые дает сама природа, человечество сможет овладеть неисчерпаемыми запасами теплоты Мирового океана.

Permanent link to this publication: