Чем запоминается нам антураж черноморского побережья Кавказа? Многим: море, тепло, влажно, много экзотической растительности. Горы. И даже не малые: в пределах прямой видимости, хоть и в голубоватой дымке снеговые вершины – экзотика для большинства российского населения. Да, экзотика. Но теперь мы видим не только экзотику. Мы видим воздушный (в данном случае, не только воздушный) температурный градиент. И уже не можем пройти мимо. Правда, на возможность использования такого температурного градиента давно обратили внимание за океаном. Патент США N 3953971, МКИ: F03G7/04 от 4 мая 1976 года. Установка, описанная в патенте, использует перепад температур между уровнями поверхности Земли (подножием горы и ее вершиной) для выработки электроэнергии и для получения пресной воды. Теплоту необходимую для парообразования предполагается извлекать из среды у подошвы горы с помощью теплообменника. (На этот патент ссылается текст Суханова В.Н. «Гравитационно-тепловая энергетическая установка» http://samlib.ru/s/suhanow_w_n/gru.shtml). Теплообменнику придётся находиться у подошвы, а значит, наиболее вероятно — в лощине между гор. Прямая инсоляция здесь по времени суток короче чем на равнине (по понятной причине), и хорошее проветривание – не факт. А воздух от теплообменника холоден и вверх подниматься не будет. Температура среды вокруг теплообменника падает, эффективность, и без того низкая, снижается. При полном безветрии и длительной работе — до нуля. Для обеспечения сколь-нибудь значительной мощности придётся сооружать колоссальный теплообменник… Не блеск, ох, не блеск это американское изобретение.

Наше с Вами лучше. У подошвы горы мы ставим ВРУ. Её низкопотенциальная теплота используется для испарения рабочего тела в контуре. Рабочее тело конденсируется в конденсаторах, расположенных на вечных снегах горы. Конденсат, как и в американском изобретении, поступает на гидротурбину. Энергия используется турбокомпрессором ВРУ.

Надо бы прикинуть, какую часть необходимой для ВРУ энергии получим от работы этого разновысотного парожидкостного контура. Исходим из того, что разновысотный парожидкостный контур есть просто высокоэффективная замена обычной теплоэнергетической установке с обычной зависимостью кпд от температур теплоотдатчика и теплоприёмника. К сожалению, проектная документация на ВРУ недоступна. Из сети можно почерпнуть, что температура воздуха после концевого холодильника компрессора +40°C. «С потолка» принимаю, что на входе в концевой холодильник — +60°C (может быть больше, а если больше — контур эффективнее). Это и будет температурой рабочего тела внизу паро-жидкостного разновысотного контура. Температуру конденсатора принимаем +3°C (вполне реально). КПД контура 19%. С учётом КПД преобразования 17%. Тепловая мощность ВРУ = электрическая мощность + холодопроизводительность. По сведениям о ВРУ КжАжАрж-6 холодопроизводительность составляет чуть больше 12%. Тогда наш контур даёт 19% от электрической мощности ВРУ. Неплохо. Но это не всё. Несомненна обратная связь: контур положительно влияет на энергетику ВРУ. Потому энергетическая выгода составит 20-25%.

— А может быть, даст наш контур энергии больше, чем формула Карно позволяет? Может быть, возможен ВД-2 (вечный двигатель второго рода)?

— Могет быть, могет быть… Давайте сначала хоть один контур построим, а уж потом разберёмся… Эдуард Николаевич Гладких — большой апологет ВД-2. http://x-faq.ru/index.php?topic=371.0 В предыдущей ссылке если не о ВД-2, то о к.п.д. выше чем из формулы Карно проистекает.

Мысли Суханова В.Н. и Гладких Э.Н. не кажутся мне беспочвенными. Думаю, если подобрать параметры рабочего тела такими, чтобы конденсация происходила не только в расположенном на самом верху контура охлаждаемом конденсаторе, но и, по закону Джоуля-Томсона, на расположенных ниже (на разной высоте) тарелках, то к.п.д., похоже, Карно превысит. Здесь возможны, следующие направление размышлений.

~ Когда конденсация происходит на конденсаторе, её теплота конденсатору и достается. Если конденсация, в силу эффекта Джоуля-Томсона, происходит на не охлаждаемой тарелке, теплота конденсации достаётся ещё не перешедшему в жидкую (твёрдую) фазу рабочему телу. И его внутренняя энергия оказывается достаточной для продолжения движения наверх.

~ Представим две большие, рядом расположенные, вертикальные, теплоизолированные полости (ёмкости, трубы большого диаметра — назовите, как угодно). Полости имеют сообщение большого диаметра в самом верху и малого диаметра в самом низу. В полостях рабочее тело. Частью в жидкой фазе — небольшой объём внизу каждой полости, частью в газообразной — весь объём кроме занятого жидкостью. Пусть жидкость на дне одной полости имеет температуру +60°C, на дне другой — меньшую. Давайте предположим, каков будет тепломассопернос между горячим и холодным объёмами жидкости. Можно затеять долгие выкладки, но и без Клапейрона и Клаузиуса очевидно: пойдёт испарение с поверхности горячей жидкости и конденсация на поверхности холодной (стены полостей вне игры: они теплоизолированные).

~ Однако процесс ведёт к выравниванию температур объёмов жидкости. Добавкой теплоты в объём горячей жидкости продолжить процесс можно, но ненадолго.

~ Если полости очень высоки, то в процессе подъёма рабочего тела в полости над горячей жидкостью ожидаем значительного снижения температуры на большой высоте. Получим (см. первый маркированный абзац), как холодное газообразное рабочее тело, так и холодный конденсат.

~ Как верно пишет Гладких Э.Н., если позволить холодному конденсату упасть, или просто стечь по трубе или желобу, он нагреется на величину потенциальной энергии mgh. А если не дать? Если, допустим, предоставить конденсату становиться конденсатом в ведёрке, а потом аккуратно и медленно опустить и вылить на поверхность прохладного объёма жидкости? Конденсат, сохранив свою прохладу, присоединится к прохладному объёму жидкости, что послужит основанием для продолжения процесса. Но тогда на mgh (почти на mgh) нагреется устройство, которое обеспечит медленность спуска ведёрка.

~ Значит, для продолжения процесса нужно, отводить если уж не теплоту, то механическую или электрическую энергию. Но если отводить механическую или электрическую энергию, процесс прекратится в отсутствие подвода к объёму горячей жидкости теплоты извне: энергия не может появляться из ничего и из ниоткуда. Хотя можно не теплоту подводить к полости с горячей жидкостью, а вдувать в неё газообразное рабочее тело извне системы, если оно там в достатке, а из холодной полости отводить жидкое. При специфике наших интересов это для нас привлекательнее.

~ А будет ли рабочее тело возвращаться полностью в жидкое состояние на уровне поверхности объёма холодной жидкости? Можно устроить долгие разборки с ростом температуры фазового перехода при росте давления, ростом температуры при адиабатическом сжатии и барометрической формулой. А можно просто заметить, что если некая масса рабочего тела некоторое время назад, находясь в составе горячей жидкости, «не напряжно» испарилась, а потом вновь оказалась при том же давлении (частью в жидкой, частью в газообразной фазах), но потеряв часть внутренней энергии за счёт отбора энергии во вне системы, то эта масса должна перейти в жидкое состояние.

Что перед нами? Это трудно назвать даже вечным двигателем второго рода. Это не пресловутый демон Максвелла, которому плевать на температуру и давление до его дверцы, а равно и после неё. Нам достичь нужных параметров рабочего тела не так-то просто. Эффект Джоуля-Томсона не на всём поле температур и давлений положительный. И попадалась работа одного к.т.н. на эту тему. Там в одних координатах диаграмма состояний с тройной точкой и адиабаты пара в районе насыщения. Нужное, технически приемлемое пересечение адиабаты с линией, разделяющей газообразную и жидкую фазы — не факт. В чём здесь «фишка»? Она в следующем. Адиабатический процесс, суть — снижение (в нашем случае) давления без теплообмена с окружающей средой. При снижении давления снижается температура пара, каковым охлаждением, казалось бы, гарантировано создаются условия для конденсации. Казалось бы, но при снижении давления снижается и температура фазового перехода. Тут уж кто кого. А от того, что возобладает, и нужной нам конденсации либо быть, либо не быть. Нам ведь переход из газообразной фазы в твёрдую практически бесполезен… К таким процессам с теми мерками, с какими к идеальным газам, не подойдёшь. Здесь работают свойства реальных газов, теоретически почти непредсказуемые, глубоко спрятанные в их реальности… Не хочу углубляться. Тема неблагодарная. Но притягательная: совсем выбросить из головы не могу. Даже в рамках этого текста 🙂

— Так всё-таки, какова должна быть высота полостей, каково давление в них? Может, за пределами достижимых диапазонов? Взять бы таблицы термодинамических свойств, да сориентироваться…

— Нельзя сказать, что техническая термодинамика нам чужда, но у нас с Вами «более другие» инструменты. Обладая некоторым пониманием, на вербальном уровне, физических зависимостей, мы, вместо работы с таблицами термодинамических состояний и уравнениями реальных газов, ищем описания и характеристики уже работающих машин, вспоминаем природные явления, описанные кем-то или виденные лично. Физика — наука наблюдательная. Может быть, понаблюдаем ещё и сориентируемся в достижимости диапазонов. А если у кого-то по расчетам и формулам иначе чем по наблюдениям, тем хуже для расчётов и формул. 🙂

— Порешили 🙂 Но как же ты намерен конденсаторы на вечных снегах монтировать?

— А что есть вершина горы? В общем случае, грубо, вершина горы есть пирамида или усечённая пирамида. Или лежащая треугольная призма.

Монтировать конденсаторы буду так, как монтируют медаль на шее спортсмена-олимпийца: берут медаль за ленточку в одном месте двумя пальцами одной руки, в другом месте – двумя пальцами другой руки, и через секунду медаль смонтирована. Вот так всю снеговую шапку конденсаторами и увешаю. В худшем случае придётся на верхушке горы кнехты устанавливать, не шибко мощные: конденсаторы по разные стороны от вершины будут и вес друг друга скомпенсируют. Сборка конденсаторов из заводских деталей на любой удобной площадке на расстоянии нескольких километров. Потом полчаса работы вертолётов и конденсатор висит. Ещё на сборочной площадке к каждому конденсатору присоединены гибкий гофрированный рукав для пара и гибкий шланг меньшего диаметра для конденсата. Чуть ниже уровня вечных снегов сооружаем по всему периметру горы коллектор, склонённый в одну сторону (к ВРУ). Задач у коллектора три:

1. Раздавать пар в конденсаторы через их присоединенные к нему гофрированные рукава.
2. Собирать конденсат от конденсаторов.
3. Собирать потоки талой воды, которая при работе системы может стекать по склонам от снеговой шапки, и направлять воду в трубу на конце которой, внизу, гидротурбина, энергия которой также используется ВРУ.

Всё, возобновляемое, экологически чистое энергетическое подспорье в наших криогенно-сочинско-автомобильных делах готово.

Приподнимемся над конкретными деталями. У нас были естественный вертикальный воздушный температурный градиент и гравитация. Использовать это «в лоб», по американскому патенту, можно, но столь неэффективно, что никогда не будет. И была нужда в работе ВРУ. Летом. Что, если «в лоб», во-первых, потребовало бы 100%-ного «стороннего» поступления энергии на ВРУ, во-вторых, перевело бы это поступление энергии большей частью из добра в …, т.е. в потери в виде низкопотенциальной, никому летом не нужной теплоты, отходящей от ВРУ. Альянс вертикального воздушного температурного градиента и ВРУ оказался плодотворным… Не в последний раз.

— Э-э-э, коллектор, говоришь, по всему периметру? А лавины?

— Помилуйте, какие лавины? Нам пределов для мощности ВРУ и для количества конденсаторов никто не ставил. Какие захотим, такие и заложим. И снеговая шапка горы у нас не забалует. Мы её под контроль возьмем, и снегу-льду накапливаться до опасности (а они обычно не один год накапливаются, а уж потом — лавина) не позволим.

Ну, вот. И ещё на одну мерзость Божьей природы (лавины) мы с Вами узду накинули. И не с убытками, а с прибылью (в этом проекте иначе и не будет, в отличие от проектов иных, широко известных)… Что, не нравится Вам? Плохо я выражаюсь, плохо придумал, и ну его? Что ж, можете оставаться при своём мнении. Только не советую я Вам, спустя много лет, на том свете, с Бодровым-младшим и его товарищами по несчастью встречаться.

http://lenta.ru/russia/2002/09/21/avalanche/

http://palm.newsru.com/russia/25Sep2002/spisok.html

Как в Сочи жидкий воздух доставлять будем? Здесь расстояния между местами производства жидкого воздуха и местами его потребления не тысячи километров и даже не сотни. Десятки. Такие расстояния можно криогенным трубопроводом покрыть. Рельеф местности плохой? Сносный рельеф. Нам ведь для трубопровода железнодорожный тоннель не нужен. Можно скважинами обойтись. Горизонтальными, вернее, сильно наклонными. Тяжеловато. Но со временем окупится мощной естественной термоизоляцией.

Возможно, обдумывая Сочинскую часть проекта, Вы подумали:

— А зачем поднимать пар рабочего тела к конденсаторам? Ведь делать это придётся по рукавам большого диаметра. Не лучше ли организовать циркуляцию жидкости по замкнутому контуру от подошвы горы до радиаторов на снеговой вершине и обратно по трубам существенно меньшего диаметра, а теплообменник этого контура у подошвы использовать в качестве конденсатора обычной теплоэнергетической установки, использующей низкопотенциальную теплоту ВРУ?

— Не-а. Не лучше. В том и изюминка.

Давайте вспомним, что на конденсационных ТЭС температуру конденсатора держат на уровне +7°С. Хотя Карно подсказывает, что +2° было бы для к.п.д. лучше. Почему же тогда не +2? Потому что если опустить температуру конденсатора до +2, на последних колёсах турбины адиабатически расширяющийся пар начинает конденсироваться. Скорость вращения вала турбины велика. Капли воды очень плохо действуют на лопатки турбины. А если котёл даёт пар с температурой 600 градусов (это доступно), потери к.п.д. на 5 градусах конденсатора незначительны.

Ортодоксальная теплоэнергетика не работает даже с сухим насыщенным паром. Только с перегретым. Предложение поработать с влажным паром классический теплоэнергетик воспримет как бред сумасшедшего. Классическая «горизонтальная» теплоэнергетика никогда не полезет в горы, чтобы «дожать» мятый пар и получить на этом маленькую добавку к.п.д. Сочинский вариант, поскольку паровая турбина исключена, дает возможность работать не только с сухим насыщенным паром, но и с влажным. И т.о. использовать низкопотенциальную теплоту ВРУ весьма полно. А поскольку отходящая теплота это, собственно и есть почти весь расход энергии на ВРУ, то жизненная важность подъёма на высоту пара рабочего тела очевидна. Положительной стороной Сочинского варианта является то, что втягиваемый в ВРУ воздух предварительно охлаждается холодным, поступившим сверху конденсатом рабочего тела. Поскольку наша ВРУ будет очень велика, можно применить решение, давно используемое в газовых турбинах: охлаждаемые лопатки турбокомпрессора.

Как уже говорили, Сочинский вариант может выявить очень интересные термодинамические возможности. Изобретём ли мы с Вами ВД2 – поглядим. Но вот ещё одно направление адаптации ВРУ к условиям сочинского варианта.

В порядке сбора вводных подумаем о следующем

1. При подъёме воздуха от земной поверхности в верхние слои атмосферы облака образуются не потому, что, поднимаясь, воздух попал туда, где холодно, а потому что он сам охладился в результате адиабатического, т.е. без теплообмена с окружающей средой, расширения. Это несколько упрощено, но в основном именно так.
2. Если понаблюдать в иллюминатор самолёта за «работой» мощного кучевого облака (вот такого)

можно заметить, что клубы не только образуются на вершине облака, но достаточно быстро, чтобы это заметить, опускаются по внешней поверхности облака. После чего теряют резкие очертания и исчезают. Воздух, составлявший клуб, похоже, вновь втягивается, по крайней мере, частично, по нижнему краю облака в центральный восходящий поток.

Давление на вершине облака таково, что в расширяющемся до его уровня поднимающемся в центральном потоке воздухе с насыщенным паром соотношение температура-давление становится таким, что пар конденсируется и образуется взвесь мелких капель – туман. В силу конденсации и уменьшения парциального давления водяного пара, порция воздуха, составляющая клуб уменьшается в объёме, объёмный вес (плотность) возрастает, в силу чего клуб устремляется вниз. «Упав» примерно на километр порция воздуха со взвесью капель воды (клуб) попадает в слой того давления, адиабатическое сжатие до которого (с естественным нагревом от сжатия) создаёт условия для испарения капель воды. Парциальное давление водяного пара в порции воздуха возрастает, порция воздуха расширяется. Несколько большая, чем у окружающего воздуха температура делает удельный вес этой порции меньшим, чем у окружающего воздуха. Порция воздуха, некоторое время назад составлявшая падающий клуб, теперь вновь устремляется к вершине облака по центральному восходящему потоку

Адиабатическое расширение газа с целью снижения температуры – неотъемлемый процесс работы ВРУ. Сжижение воздуха началось в конце XIX века предложением Дьюара и Линде использовать для снижения температуры газов их адиабатическое расширение путём дросселирования – протекания газа через узкое отверстие или пористую пробку, без совершения внешней работы (эффект Джоуля-Томсона). Условно можно говорить о совершении работы проталкивания. В настоящее время в серийных ВРУ поток сжатого воздуха разделяется на две части. Одна часть подвергается расширению в турбодетандере с совершением внешней работы, другая – дросселированию, в результате которого и образуется сжиженный газ.

Работа ВРУ со сжижаемым газом наталкивает нас на применение к сжижаемому газу того же подхода, каков он у нас к насыщенному водяному пару по сочинскому варианту.

Действительно,

~ И воздух перед дросселированием, и насыщенный водяной пар, образуемый низкопотенциальной теплотой ВРУ, предназначены одной судьбе: превратиться в жидкость

~ И водяной пар, и воздух перед дросселированием обладают внутренней энергией, которой хочется воспользоваться в интересах энергетики. Но поскольку и то и другое по сути насыщенный быстро конденсирующийся пар, то для получения внешней работы от того небольшого запаса внутренней энергии, которым они располагают, невозможно использовать традиционные методы теплоэнергетики: расширение в турбине или поршневом детандере. Ибо последние несовместимы с конденсацией по техническим причинам.

Применительно к водяному пару выход мы нашли: дали ему возможность, используя свою внутреннюю энергию на работу против силы тяготения, подниматься к конденсатору на вершине горы. Энергетическую выгоду мы получаем «на обратном пути», используя потенциальную энергию уже жидкости, поднятой на большую высоту. И «выжимаем» т.о. всё что можно из насыщенного пара.

Чему учит нас мощное кучевое облако? Оно учит, что конденсации можно достигать без теплового обмена с окружающей средой, без дросселирования или чего похожего, но при совершении работы против силы тяготения.

Коль уж мы с нашей ВРУ в горах и уже используем гору как конструкцию для размещения на разных по высоте уровнях устройств нашей термодинамической системы, заманчиво заменить (или, для технического удобства, частично заменить) совершение работы проталкивания при дросселировании работой против силы тяготения, с приобретением т.о. потенциальной энергии жидким воздухом, конденсирующимся на большой высоте.

Да, в силу невозможности устроить на вершине горы, и где бы то ни было, конденсатор для воздуха сконденсируется не весь воздух, направленный на высоту. Так ведь в обычной ВРУ в результате дросселирования тоже не весь воздух сжижается.

Чтобы увидеть порядок цифр прикинем, что получается, если у подножья горы стоит ВРУ типа советской КжАжАрж-6, а высота, на которой происходит конденсация воздуха, допустим, 3500 м.

Электрическая мощность серийной ВРУ этого типа – 8378 кВт. Но нам не нужна ректификация воздуха. Вполне достаточно обогащённого жидкого воздуха. Поэтому электрическая мощность будет чуть меньше. Производительность жидкого продукта серийной ВРУ – 7960 кг/час. У нас будет несколько больше. Потенциальная мощность, которую можно получать от подъёма на высоту жидкого воздуха получается более 76 кВт. Т.о. мощность за счёт расположения дросселя на высоте будет несомненно более 1% потребляемой ВРУ, но вряд ли дотянет до 4%. Тем не менее, есть смысл это делать. Просто выгодно подавать жидкий воздух в Сочи самотёком.