Физика и магия вакуума. Древнее знание прошлых цивилизаций

Прохоров Игорь

Для ГРАЭС ситуация сильно меняется. Многие параметры станции влияют одновременно на мощность гидротурбины и на электрическую мощность. Поэтому отношение мощностей (или коэффциент полезного действия) может меняться самым неожиданным образом. Рис. 3.1.3 это как раз и показывает. Уменьшение температурного напора ведет к повышению кпд, и для ;Т = 0 эффективность стремится к 100%. Но при этом полезная мощность станции стремится к нулю. Ясно, что такая станция никакого смысла не имеет. Поэтому если концентрироваться только на кпд и не обращать внимания на другие величины, можно сделать неправильные выводы. Поэтому для характеристики степени совершенства преобразования энергии в ГРАЭС следует использовать иные параметры, а не кпд.

Настоящие результаты обусловлены различной зависимостью выработки энергии гидротурбиной и энергопотреблением компрессора от расхода рабочего тела. Мощность гидротурбины пропорциональна

расходу примерно в первой степени, в то время как энергозатраты компрессора — в степени 2.5;3. Поэтому если мы увеличиваем расход рабочего тела по контуру, энергетические затраты компрессора ;N растут быстрее гидротурбинной мощности и кпд постоянно снижается. До тех пор, пока энергопотребление компрессора остается значительно меньше гидротурбинной мощности, электрическая мощность станции продолжает расти. Но когда энергетические нужды компрессора сравнимы с выработкой энергии на гидротурбине, дальнейшее увеличение расхода рабочего тела будет вести к снижению электрической мощности станции.

Сложной проблемой для будущих ГРАЭС может оказаться осаждение твердых нелетучих соединений в порах внешнего капиллярного покрытия. Любая жидкость (и рабочее тело ГРАЭС также) всегда имеет некоторые примеси независимо от степени очистки: абсолютно чистых жидкостей не бывает. Когда эти примеси попадают с потоком жидкости в наружный капиллярный слой, здесь они не испаряются, а накапливаются. Постепенно их концентрация растет и они начинают кристаллизоваться на стенках пор, уменьшая проходное сечение и увеличивая гидросопротивление. Рано или поздно поры полностью перекрываются и станция останавливается. Поэтому необходимо оценить хотя бы грубо интенсивность осаждения примесей, чтобы выяснить, насколько велика данная проблема.

Исследования тех ученых, которые изучают тепловые трубы с щелочными металлами натрием и калием в качестве рабочего тела, показывают, что весовая концентрация кислорода в металле после его очистки титановыми и циркониевыми гетерными ловушками составляет менее одной миллионной доли процента. Примем для расчета величину 0.3;10(-6)%. Скорость движения рабочего тела в наружном капиллярном слое, как было найдено, составляет обычно (0.05;0.09) мм/сек. При столь малых скоростях обратный поток нелетучих примесей от места испарения жидкости, где примеси накапливаются в максимальных количествах, должен быть достаточно велик. Поэтому следует ожидать, что примеси будут равномерно распределяться по толщине наружного капиллярного слоя. В этом случае они будут полностью забивать капилляры, то есть снижать пористость с 0.6 до нуля, за время 17 лет. Это примерно вдвое меньше нормативного срока работы АЭС, составляющего 30 лет. Однако, если увеличить толщину наружного капиллярного слоя с 0.1 до 0.2 мм, тогда время бесперебойной работы станции возрастает также примерно вдвое и становится равным 32 годам. К сожалению, такой способ увеличения длительности работы станции сопровождается некоторым увеличением капитальных затрат и снижением мощности из-за возросшего гидросопротивления, поэтому стоимость установленного киловатта становится на (5;15)% выше.

Электрическая мощность станции может быть резко увеличена за счет выравнивания эпюры скоростей в сопле. Если распределение скоростей в сопле подчиняется обычному параболическому закону, тогда коэффициент трения ; = 1.5. Но если скорость движения в сопле постоянна по его сечению, тогда коэффициент трения падает с 1.5. до 1.0. Снижение потерь гидравлического напора на преодоление трения позволяет уменьшить диаметр сопла с соответствующим увеличением скорости истечения и выработки энергии гидротурбиной. Это хорошо видно из рис. 3.1.4, который показывает зависимость электрической мощности WE и стоимости установленного киловатта от коэффициента трения сопла: снижение коэффициента трения с 1.5 до 1.0 сопровождается ростом электрической мощности примерно вдвое и соответствующим падением стоимости киловатта. При этом кпд станции также растет и достигает 72%. Конечно, случай ; = 1.0 в идеале недостижим. Максимум, на который можно рассчитывать, это ; = 1.3. Но даже в этом случае электрическая мощность растет с 634 до 780 МВт, а стоимость установленного киловатта падает с 1.6 до 1.3 евро/ватт. Такой способ увеличения производительности станции привлекателен тем, что он практически не сказывается на капитальных затратах.

Рис. 3.1.4.Влияние трения сопла на параметры ГРАЭС: черная кривая — электрическая

мощность (МВт), зеленая кривая — стоимость установленного киловатта (евро/ватт).

Рис. 3.1.5. Влияние диаметра подъемного и опускного каналов на электрическую мощность ГРАЭС (МВт, черная кривая) и стоимость установленного киловатта (евро/ватт, зеленая кривая).

На первый взгляд может показаться непонятным, за счет каких механизмов изменение трение сопла сказывается на выработке энергии гидротурбиной, если расход рабочего тела и высота опускного канала — главные характеристики, определяющие производительность станции — не зависят от параметов сопла. Все дело в том, что в сопле может теряться значительная доля гидравлического напора опускного канала. Трение в сопле ведет к выделению тепла и испарению части жидкости. Тогда на турбину будет поступать меньше рабочей жидкости, чем проходит по опускному каналу. Вследствие этого выработка энергии гидротурбиной падает. Уменьшая трение в сопле, мы сокращаем непроизводительные расходы и повышаем общую выработку электроэнергии.

Дальнейшего уменьшения стоимости установленного киловатта можно добиться оптимизацией диаметров подъемного и опускного канала. На рис.3.1.5 показано, как меняются электрическая мощность станции и стоимость установленного киловатта с изменением диаметра каналов. Когда диаметр превышает 1.5 м, его гидросопротивление настолько мало по сравнению с гидросопротивлением капиллярных слоев, что размеры канала практически не сказываются на гидротурбинной и электрической мощности. Но заметно сказываются на общих капитальных затратах: чем больше диаметр, тем больше масса циркулирующего в контуре станции рабочего тела, тем больше денежные затраты на его приобретение и очистку в ходе эксплуатации. Поэтому уменьшение диаметра каналов от 3.0 до 1.5 метров способствует снижению как общих капитальных затрат, так и стоимости установленного киловатта.

С другой стороны, слишком узкий канал препятствует свободной циркуляции жидкости по контуру и мощность станции падает. А капитальные затраты в этом случае зависят от диаметра достаточно слабо. Поэтому уменьшение диаметра менее 1.0 метра сопровождается резким ростом стоимости киловатта. В итоге, оптимальные значения диаметра каналов попадают в интервал (1.1;1.3) м, когда стоимость киловатта составляет (0.6;0.7) евро/ватт.

Полученное значение стоимости установленного киловатта можно еще немного снизить путем уменьшения радиуса пор наружного слоя тонкопористого капиллярного покрытия. Оказалось, что электрическая мощность станции практически обратно пропорциональна квадрату радиуса, а стоимость киловатта прямо пропорциональна первой степени радиуса. Когда радиус пор наружного капиллярного слоя уменьшается с 0.04 до 0.03 микрон, электрическая мощность вырастает с 634 до 1150 МВт, а стоимость киловатта падает от 0.65 до 0.5 евро/ватт. Но ничего даром не дается и за все приходится платить. В данном случае платой является увеличение высоты подъемного и опускного каналов: они растут с 610 до 790 метров. Очевидно, что чем больше высота каналов, тем больше капитальные затраты. С другой стороны, осложняется проблема выбора подходящей площадки для станции.

Реальная осуществимость настоящего способа получения полезной работы из гравитационного поля может быть проверена на простой модели, описанной в статье А.Лихачева „Как построить вечный двигатель своими руками“, журнал «Юный техник», №11, 1997 год и в книге А.Вейника „Термодинамика реальных процессов“. Данная установка получила название „Кольцар Лазарева“ по фамилии изобретателя, построившего ее в 60х годах прошлого века. Первое описание кольцара появилось в статье Жвирблиса, опубликованной в журнале «Химия и жизнь» в 70х годах. Хотя потом на публикацию сведений о кольцаре был наложен строгий запрет, многие успели статью Жвирблиса прочитать. А кое-кто установку даже изготовил. На сегодня таких умельцев набралось уже несколько тысяч. И у всех кольцар работал. У кого хуже, у кого лучше, но работал.

Кольцар изготавливается из обычной пластиковой колбы для газированного напитка (рис.3.1.6). Разрезаем ее пополам и получаем две половины — верхнюю и нижнюю. В нижнюю половину устанавливаем деревянную перегородку (желательно из лиственных пород, а не хвойных, т. к. хвойные породы содержат смолу, которая может забивать поры и препятствовать прохождению через них рабочей жидкости). Древесные волокна перегородки должны быть ориентированы в вертикальном направлении, а не в горизонтальном, иначе жидкость не сможет просачиваться через дерево. В нижнюю часть перегородки вкручиваем металлические болты: чем больше болтов, тем лучше будет работать модель. Устанавливаем в перегородке также трубку, через которую жидкость будет переливаться из одного отсека в другой. После этого частично заливаем нижнюю половину колбы под перегородкой так, чтобы головки болтов находились уже в жидкости, но сама жидкость еще не достигала дерева. То есть надо сохранить под перегородкой воздушную прослойку. Затем наливаем на перегородку сверху немного этой же жидкости и надеваем верхнюю половину колбы на нижнюю. Модель готова к работе.