Бестопливная энергетика

Виноградов Ю.Е.

http://www.energospace.ru/2007/06/18/bestoplivnaja_jenergetika_predislovie.html

Мечта о неиссякаемом источнике энергии сопровождает человека на всём пути развития науки.

Парус, ветряные и водяные мельницы реализованы древними жителями Земли. Современники дополнили перечень неиссякаемых источников энергии приливными преобразователями, геотермальными, солнечными. Список исчерпан? Что общего у этих преобразователей?

Во-первых, механическая работа получается без дополнительного нагрева окружающей среды (атмосферы Земли) сгорающим топливом.
Во-вторых, механическая работа получается за счёт преобразования теплоты окружающей среды в механическую работу, которая превращается, опять, в теплоту, не нарушая баланс теплоты планеты.

Почему в направлении перераспределения и преобразования теплоты окружающей среды в механическую работу не направлен вектор поиска источника энергии? Радостно ли нам от обещаний, что к 2040 году учёные освоят управляемый термоядерный синтез, получат много энергии и всемирный потоп (за счет перегрева Земли), в придачу?
Можно попытаться себе представить, насколько изменилась бы наука, если бы период обращения Луны вокруг своей оси не совпадал с периодом обращения вокруг Земли. Древние заметили бы факт вращения Луны. Очевидно, идея хрустального купола быстрее потерпела бы крушение, а может быть, не возникла бы вовсе.
Так, лежащие на поверхности, способы получения даровой энергии из окружающей среды – парус, мельница - увели нас от действительно бестопливной энергетики – приучили нас к мысли, что должен быть «хрустальный свод», а на нем: нагреватель и природный холодильник (чтобы дул ветер от холодного к горячему, чтобы вода из океанов поднималась в горы). Приученная к этому канону наука, до сих пор не ищет путей непосредственного преобразования теплоты окружающей среды в механическую работу.

Заманчиво предположить, что Природа предвидела возникновение временной дистанции от первых попыток использовать перераспределение энергии (а не выделение при горении или распаде-синтезе), до промышленного повсеместного использования преобразователей теплоты.

Чтобы у людей был запас времени на то, чтобы отвергнуть тепловыделяющую энергетику, на Земле, Природой (или его величеством Случаем), размещены некоторые запасы холода, в виде полярных шапок, ледников в горах и вечной мерзлоты. Похоже, что запас холода истощается быстрее, чем нужно (вернее подходит к концу допустимая временная задержка с конструированием тепловых преобразователей). Ледники сходят в долины, участники полярной экспедиции вынуждены многократно менять место своего лагеря, поскольку Северные полярные льдины трескаются там, где не трескались 20 лет назад. Отступают границы вечной мерзлоты, уменьшается количество снега зимой, появились половодья там, где их не было, и тем более среди зимы, заканчивается, не начавшись, навигация на Сибирских реках, которые некоторые ещё мечтают повернуть на юг, чтобы продать воду, которой скоро не будет.

Спасёт ли человечество от потопа тот факт, что запасы тепловыделяющих материалов (и процессов) на Земле ограничены, при том, что вектор поиска источников энергии направлен, в основном, на организацию тепловыделяющих преобразователей теплоты в механическую работу?

За всю историю человечества только пастор Стирлинг пытался, и частично, двигался вдоль вектора, уводящего нас от энергетики основанной на сгорании топлива, вдоль вектора, уводящего нас от энергетики, нагревающей отработавшим рабочим телом тепловой машины окружающую среду.

Почему изобретателем передового направления стал пастор? Можно только догадываться, а суть в том, что в технических вузах нет предмета, который бы увязывал историю, философию и техническое творчество. Подразумевается, что изобретатель должен быть сугубо опущенным до житейских проблем существом. Считается, что чем более, приближен автор к сиюминутным проблемам, тем актуальнее его изобретения.
Теологи, как бы то ни было, имеют, как минимум, начальное философское образование. Отталкиваясь от него проще освоить другие отрасли знаний, в том числе и техническое творчество, проще увидеть перспективное направление движения. Техник-философ - это из области анекдота или фантастики. Известен техник-политик это Сахаров.

Вспомните анекдот, когда на вопрос о целесообразности женитьбы был получен ответ: - « Женись! Если с женой повезёт – будешь счастливым, если не повезёт, то станешь философом». Очевидно выпускники технических институтов, в подавляющем большинстве – счастливые люди!

Автор не относит себя к несчастным, может даже, ему жена позволяет больше думать об общем, чем о частном!

Счастливые и не женатые, давайте пофилософствуем: - оставила ли нам Природа лазейки в заборе, который отгораживает дорогу к потопу от дороги к бестопливной энергетике? И кто построил этот забор вдоль дороги к потопу? Может мы сами? К сожалению, от постановки подобных философских вопросов нас защищает Советская школа и, как ни странно, товарищ Дарвин. К сожалению, в Советской школе, по сей день, преобладает теория Дарвина, несмотря на то, что существуют доказательства невозможности эволюции, даже если учитывать наличие мутаций, поскольку доказано даже практически (даже на людях, ядерной бомбардировкой Японии), что биологическое сообщество - популяция, «вымывает» мутации.

Сторонники Дарвинизма признают, что сначала была неживая природа, а потом началась биологическая жизнь. Для них совершенно очевидно, что если у Жизни было начало, то должен быть и конец.

Стоит ли удивляться, что инженеры, обученные Дарвинизму в средней школе, не будут искать (исходя из устойчивых философских побуждений атеиста) путей, отличающихся по направлению от путей, которые приводят к «концу света». Конец света у Дарвинистов допустим. Если он далеко, то спим спокойно. Но, только сомневаясь во всеобщности ограничений, принятых при выводе канонизированных теорий, можно нащупать тропинки, уводящие к бестопливной энергетике. И сомневаться никогда не поздно, поскольку сомнения – плод накопленных знаний.

Можно себе представить, как трудно было отстаивать сомнения в существовании хрустальной сферы с прибитыми к ней Луной и звёздами и доказывать, что земля и луна вертятся! Да ещё Луна всегда повёрнута одной и той же стороной к Земле! Но знания победили.

Совершенно по-другому может рассуждать «двоечник» по науке Дарвинизм. Для него жизнь, как и материя, существует вечно. Но чтобы жизнь длилась вечно, не должно быть потопов, парниковых эффектов и других, в том числе локальных, «концов света». Во всяком случае, для него, «двоечника», очевидно, что должны быть способы решения этих проблем. Двоечник по Дарвинизму быстрее, чем отличник признает, что лазейки Природа оставила, иначе предшественники нашей цивилизации очень плохо бы кончили. Некому было бы заселять готовые к заселению планеты, некому было бы заселить Жизнью и нашу Землю.

Итак, чем же отличаются «двоечники», по науке Дарвина об эволюции, от «отличников»? Оказывается, «отличники» более верующие, чем «двоечники» (по Дарвинизму). Отличники склонны канонизировать ещё и другие теории, не только Дарвинизм. Они могут даже превратиться в верующих Они склонны запоминать чьи-то выводы из тех работ, которые они сами не читали и не пытались проследить за рассуждениями первопроходца. Редкие из них берут на себя труд «протопать» по тропе выводов некоторой теории. Ибо те, кто «протопал» по этой тропе, должны заметить, что существуют ограничения, вдоль сей тропы, понимают, что если ограничения снять (перелезть через забор ограничений и допущений), то с тропы можно свернуть и попасть совсем не на ту дорогу, которая приводит к канонизированным выводам.
Конкретно, речь идёт о законах Сади Карно. Пусть бросит в меня камень тот, кто найдёт в трудах С. Карно ограничение о том, что холодильник в тепловой машине должен быть обязательно естественным и докажет, что это так. Почему же последователи не заметили отсутствие этого ограничения на тропе выводов? На тропе выводов закона некому, кроме тебя самого, устанавливать камни с надписью: - «Прямо пойдёшь – к потопу Землю приведёшь, направо пойдёшь к бестопливной энергетике приблизишься!». А если налево? Стирлинг увидел этот камень и позволил себе уклониться от протоптанной тропы к потопу.

Заслуга Стирлинга в том, что он начал работы по замене, естественного холодильника тепловой машины, рукотворным холодильником.

Инженеры страшно обиделись (на Стирлинга или на себя, за то, что не увидели этого пути?) и, вместо того, чтобы разработать лёгкий и малогабаритный теплообменник для двигателя Стирлинга, увлеклись внедрением двигателей внутреннего сгорания, турбин, ядерных котлов. Наверно, там их прельщал простор для технического творчества. Ещё бы! Ни один двигатель Стирлинга не взорвался. Как можно улучшать идеальную машину? Зато сколько проблем было решено при конструировании двигателей внутреннего сгорания и ракетного реактивного двигателя!

Посмотрим на любой из распространённых двигателей. Ракетный двигатель обвешан автоматикой, так, что его не видно. Двигатель внутреннего сгорания обвешан «прибамбасами» и компьютером: - коробкой перемены передач и сцеплением, системами нагрева, охлаждения, старта, зажигания, опережения зажигания, контролем детонации, неполного сгорания топлива и даже системой остановки (если двигатель с турбонаддувом). Отчего множество неудобств двигателя внутреннего сгорания устранены дополнительными системами, а двигатель Стирлинга похоронили из-за одного недостатка – необходимости теплообменника?

Хотелось бы услышать убедительные ответы заслуженных изобретателей на этот вопрос.

В математике признано, что теорема не верна, если есть хоть один пример, утверждающий обратное. Что будет с канонизированной теорией С. Карно, если удастся обнаружить хоть один случай, когда она не работает?

С одной стороны, Карно не виноват, что его теорию канонизировали. Виноват «жираф» (по Высоцкому) , которому виднее. Явится ли это сигналом к тому, что мнение Жирафа можно и нужно ревизовать? Приведём пример, показывающий, что известная формула, определяющая КПД тепловых преобразователей, работает не всегда. Причём ошибка не в меньшую сторону, что можно списать на технические погрешности исполнения, а в большую. Проведём мысленный эксперимент. Предположим, что мы создали тепловую машину с перепадом температур у нагревателя и холодильника 40 градусов. Чтобы не мудрить с нагревателем и холодильником, в качестве первого использовали проточную воду в реке (более 4 градусов Цельсия, т.е. 277^оК) а холодильником заставим служить окружающий воздух в Сибири зимой (ниже минус 36 градусов Цельсия, т.е. 237^оК).

Учитывая, что уже есть опыт построения тепловых машин и их реальные КПД почти не отличаются от теоретических, то КПД нашей гипотетической машины не будет сильно отличаться от значения, вычисленного по формуле Карно:

По закону Карно, КПД такой тепловой машины внешнего нагрева, будет (277 - 237) / 277 = 14.4 %.

Если полученную энергию преобразовать в электричество, а потом в тепло, практически вся электрическая энергия превратится в тепло, а коэффициент преобразования уже не зависит от разности температур того нагревателя, при помощи которого получена эта энергия и температуры, на которой это тепло выделяется.
Если мы этой электрической энергией питаем бытовой масляный радиатор, то это температура 60^оС, если лампу накаливания, то до 3 тысяч градусов, если дуговую лампу, то до 6 и более тысяч градусов.

Для переноса теплоты с 273^оС на температуру 6000^оС эффективность теплового насоса не должна быть выше 273 / (6000 – 273) = 4.7 % , а получается 14.4 %! Для переноса теплоты на температуру 3000^оС КПД теплового насоса, состоящего из тепловой машины, электрического генератора и лампы накаливания, должно быть 10.0%, но не 14.4!
Как же быть со святой верой в Карно, который сам себе противоречит? В каком месте закона Карно есть запрет на использование электрической энергии в термодинамических циклах? А может ещё есть пути, которые не могли быть описаны при Карно, но теперь стали известны.

Например эффект Пельтье? Элемент Пельтье – это тепловой насос, который не мог быть описан во времена Карно.

Признавая результаты приведенного выше эксперимента следует задуматься и продолжить то, чем занимался пастор Стирлинг.

По сути, предлагаемая работа поставлена в порядке развития работ пастора Стирлинга о последовательном улучшении работы регенератора теплоты в двигателе Стирлинга (и не только), с целью полного отказа от необходимости иметь естественный холодильник, т.е. среду с температурой ниже температуры нагревателя теплового двигателя внешнего нагрева.

На примере математической модели двигателя Стирлинга показана возможность построения преобразователей теплоты окружающей среды в механическую работу.

А.Расчёт КПД двигателя Стирлинга, дополненного тепловым насосом.

1. Известно, что КПД тепловой машины внешнего нагрева зависит от температуры нагревателя Т_нагрев и температуры холодильника Т_холод . КПД = (Т_нагрев – Т_холод ) / Т_нагрев.

2. Известно, что отработанное рабочее тело покидает тепловую машину в условиях постоянного давления, а нагревается рабочее тело в условиях постоянного объёма. При попытке передать теплоту из отработанного рабочего тела нагреваемому рабочему телу часть теплоты остаётся в отработанном рабочем теле, тем большая, чем больше отношение С_p /C_v. Q_ост =Q_{нагрева}(1- КПД )*(1- C_v/ С_p ).

Допустим, что создаётся тепловая машина, нагревателем которой служит проточная вода в реке (температура не ниже 4^оС, 277 ^оК), а холодильником служит воздушный бассейн Сибири зимой, (температура не выше минус 44 ^оС, 233^оК). Рабочее тело СО₂(С_p/C_v/]. Потери в радиаторах 4 ^о.

Оценим возможное значение КПД машины:

КПД_машины = (273 – 233) / 273 = 14.6 %.

Оценим часть теплоты, в дополнение к регенератору, которое придётся сбросить в холодильник:

Q_ост=100*(1-0.146)* (1-1 / 1.3) = 19.7 %.

Итак, из 100 дж энергии, участвующей в термодинамическом цикле, получается 14.6 Дж полной механической работы. В холодильник сбрасывается 19.7 дж, а из нагревателя отбирается 14.6 + 19.7 = 34.3 дж.

Если вдруг кончилась зима, то чтобы двигатель продолжал функционировать, нужно тепловым насосом откачать остаточную теплоту из отработанного рабочего тела.

Эффективность теплового насоса определяется по формуле:

ЭФ_{тепл. насоса} = Т_холод./( Т_нагрев – Т_холод) = 229 / (281 – 229) = 4.7 раз.

Чтобы откачать 19.7 дж нужно затратить:

А_затрат=Q_ост/ ЭФ_{тепл. насоса} = 19.7 / 4.7 = 4.2 Дж.

Если механическую энергию, необходимую для работы теплового насоса, отвлечь от полной механической энергии, выработанной машиной, то полезной работы останется только:

А_полезн =КПД_машины - А_затрат= 14.6 – 4.2 = 10.4 %.

Выводы:

1. Поскольку тепловой насос возвращает теплоту из холодильника нагревателю, то симбиоз тепловой машины, теплообменника и теплового насоса приводит к тому, что от нагревателя потребляется ровно столько тепла, сколько преобразуется в полезную механическую работу.

2. По конечному эффекту, тепловая машина, в сочетании с регенератором теплоты и тепловым насосом, почти попадает под определение вечного двигателя второго рода.

3. Создание преобразователя теплоты окружающей среды в механическую работу – инженерная задача, заключающаяся в оптимизации узлов преобразователя и алгоритма их работы.

При разработке термодинамических схем работы преобразователя теплоты, в зависимости от отношения разработчика к проблеме, можно выбрать схему, которая докажет невозможность создания преобразователя, или наоборот. Есть схемы не реализуемые, а есть такие, в которых процент выхода полезной механической работы, от полной энергии, обращающейся в цикле, составляет до 80 процентов.

P.S. Выход полезной энергии тепловой электростанции, сжигающей топливо, составляет величину от 13 до 37 процентов от энергии в цикле.

Выход полезной энергии бестопливного преобразователя теплоты в механическую энергию составляет величину от 10 до 80 процентов от энергии в цикле.

Сравнивая эти величины можно оценить затраты и металлоёмкость бестопливной энергетики. В первом приближении, бестопливная энергетика не будет более металлоёмкой, а строительство бестопливных станций не будет дороже.

Для поиска правильного направления путей достижения бестопливной энергетики следует:

построить математические модели различных термодинамических циклов (Стирлинга, Черепанова, Ренкина, «укороченного» Ренкина, Черепанова и т.д.), на основании существующих знаний о теплофизических параметрах предполагаемых веществ для рабочих тел машины.

Определить объём недостающих сведений о параметрах рабочих тел.

При понижении температуры, поддерживаемой в искусственном холодильнике, повышается КПД тепловой машины. Меньше тепла остаётся в отработавшем рабочем теле, меньше тепла сбрасывается в искусственный холодильник, зато больше энергии отвлекается от полезной работы для приведения в действие теплового насоса, который удаляет из искусственного холодильника теплоту в окружающую среду.

Значения КПД тепловой машины без регенератора, эффективности теплового насоса, остатка теплоты отработавшего рабочего тела (после регенератора), затраты на тепловой насос и результирующий КПД приведен в таблице.

Рассматривая первую строку таблицы отметим, что при малой разности температур нагревателя и холодильника КПД тепловой машины мал (14.6%) и 85.4% теплоты остаётся в отработавшем рабочем теле.

После теплообмена отработавшего рабочего тела с нагреваемым, в отработавшем (при заданном значении С_p / С_v = 1.3 – углекислота) из отработавшего тела не будет удалено 19.6% теплоты. Для удаления оставшейся теплоты применен тепловой насос и на каждый процент механической работы, отвлечённой от полезной выходной работы, для приведение в действие теплового насоса, из отработавшего тела будет удаляться 4.7% теплоты, а для удаления всей теплоты, оставшейся в отработавшем теле после прохождения регенератора, будет отвлечено 4.17 % энергии цикла из полезной работы. Результирующий коэффициент преобразования энергии тепла в одном цикле в полезную работу это 10.4%.

Из таблицы следует, что КПД тепловой машины с регенератором может достигать 89 %, значит из количества энергии, претерпевающей преобразования в термодинамическом цикле, в полезную работу превращается 89%, а не 37%, как в современных тепловых машинах, работающих по циклу Ренкина. Такое соотношение позволяет надеяться, что металлоёмкость оборудования и стоимость строительства станций бестопливной энергетики не будет выше, чем у топливосжигающих станций, а рентабельность производства энергии на бестопливных станциях может быть много больше.

Б. Побочный эффект внедрения бестопливной энергетики.

Внедрение станций бестопливной энергетики может сопровождаться эффектом, влияние которого на природу следует учесть.

Станции бестопливной энергетики при своей работе, конденсируют влагу из воздуха (как бытовые кондиционеры). Двигатель мощностью в 2000 квт, обеспечивающий отопление 100 квартирного дома, за сутки может конденсировать от 30 до 41 кубометров дистиллированной воды (по 300 - 400 литров на квартиру – пей, не хочу!).

Бестопливная электростанция, мощностью 2000 МВт (Бурейская ГЭС Енисейского каскада), при относительной влажности воздуха 40 –60 % и температуре окружающей среды более 10 градусов Цельсия может конденсировать до 41 тыс. тонн воды в сутки (0.5 м. куб. в секунду). Воды должно хватить для города в пустыне с населением до 100 тысяч человек, и вырастить более 400 тысяч тонн зерновых на 50 тысячах гектаров в пустыне, орошённой этой водой.

Если выработанная энергия передаётся из региона далеко, то электростанция БТЭ охладит за сутки, на 5 градусов, объём воздуха 50х50 км и на 10 км вверх (площадь 250 тыс. га). С помощью сети территориально разнесённых станций построенных по предлагаемому решению, можно управлять погодой, нагружая их в большей, или меньшей степени в разных регионах Земли, отводить излишнюю энергию, получаемую от Солнца, изменять характер ветров и интенсивность осадков в нужных местах планеты.

А если управлять ливнями и ураганами будет только потенциальный противник?

Солнечная радиация несёт энергии на 500 МВт больше на ту же площадь в 2500 кв. км, которую охлаждает электростанция. Электростанции в пустыне не следует располагать ближе, чем через 50 – 100 км друг от друга.

Статьи других авторов

На главную