Различные виды энергии океана американский специалист Д. Д. Айзеке предложил условно оценивать одной мерой — в метрах водяного столба 2. Эта величина называется им плотностью потока, она характеризует степень концентрации данного вида энергии. С помощью этого понятия удобно сравнивать между собой различные виды энергии в океане. Например, для теплового градиента (т. е. разности температур между теплым и холодным слоями) 20 °С плотность потока составляет 570 м водяного столба, ее напор — как в грандиозном водохранилище, подпертом плотиной высотой более полукилометра. А для градиента 12 °С плотность потока равна 210 м. Обе цифры (210 и 570 м) рассчитаны с учетом КПД тепловой машины, работающей по циклу Карно. Такую плотность потока в океане имеет еще только энергия градиента солености (осмоса) — 240 м. Другие виды энергии океана имеют значительно меньшие значения плотности потока. Так, для ветровых волн она составляет 1,5 м, а для океанских течений —лишь 0,05 м. Но, как сказал Д. Д. Айзеке, еще остаются неоткрытыми совершенно новые принципы, простые и сложные, обнаружив которые, можно использовать ресурсы океана, связанные с энергией, для блага человечества.
§2.2ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ОКЕАНА
ИДЕЯ Д'АРСОНВАЛЯ И РАБОТЫ КЛОДА
В 20-е годы нашего века многие журналы мира обошел странный рисунок (рис. 27): из-под киля судна в глубину уходила труба больше самого судна. Столь необычная труба понадобилась французскому ученому Жоржу Клоду . для подъема из глубин океана холодной воды. Клод в те годы начал экспериментальные работы по использованию тепла океана для получения электрической энергии. \ Но чтобы извлечь энергию из теплой воды, одновременно необходима и холодная. Теплой воды сколько угодно на поверхности океана в тропиках, а холодная вода (4—5 °С) есть только на больших глубинах океана — около 1 км. Для ее получения оттуда и понадобилась длинная труба, которая оказалась самой уязвимой частью энергетической установки и отломилась во время шторма, а судно потерпело аварию.
Это была уже не первая попытка Клода использовать тепло океана для выработки электрической энергии'. Перед опытом: с трубой на судне он испытывал энергетическую установку на берегу океана (Атлантического). Но чтобы с берега достать холодную воду, потребовалась труба длиной около 1,8 км (по другим данным, 2,5 км). Потери напора в длинной трубе были так велики, что на них шла значительная часть мощности, которую могла выработать установка. Слишком длинная труба практически не позволяла реализовать прекрасную идею. Длину трубы можно было бы значительно сократить, если смонтировать установку не на берегу, а на судне, трубу же опустить прямо с судна в глубину. Что и было сделано. Однако конструкция не выдержала первого шторма.
Но главное было сделано — две недели установка проработала и дала мощность 22 кВт за счет тепла океана. Правда, на собственные нужды она потребила значительно больше. Однако правильность принципа была доказана — и в этом заслуга Клода. Надо сказать, что соединить с судном трубу длиной более полукилометра — далеко не простое дело.
Удовлетворительно решить этот вопрос удалось только в конце 80-х годов нашего века, когда была создана установка мини-ОТЕС.
Клод вместе с французским ученым Бушеро сделали несколько попыток по созданию энергетических тепловых установок в разных частях Атлантического океана: в заливе Мантанзас на Кубе, на побережье Абиджана и в прибрежных водах Бразилии. Но ни разу им не удалось получить из океана больше энергии, чем установка потребляла на собственные нужды, и поэтому для своей работы она требовала дополнительной энергии от вспомогательного источника. Эта печальная особенность отчасти была связана с малой мощностью установки, из-за чего различные потери составляли слишком высокий процент в общем балансе. Потерь оказалось больше, чем первоначально предполагалось.
Первым обратил внимание на громадные запасы тепловой энергии в океане французский ученый Жак Д'Арсон-валь более 100 лет назад (1881 г.) и теоретически показал возможность ее использования. Жоржа Клода называют его учеником, но между ними были серьезные разногласия в вопросе о выборе наилучшей жидкости в качестве рабочего тела для океанической тепловой машины. Этот вопрос надо было решить прежде всего. Рабочая жидкость должна закипать при температуре нагревателя, а пары ее после совершения работы в турбине должны сконденсироваться при температуре холодильника.
Нагреватель — теплая вода из верхних слоев океана. Наиболее высокая температура воды наблюдается в Персидском заливе в августе — более 33 °С (а самая высокая температура воды зафиксирована в Красном море —плюс 36 °С). Но на максимальную температуру рассчитывать преобразователь нельзя: она встречается на ограниченных участках Мирового океана, а обширные районы имеют температуру поверхностного слоя около 25 °С. Это достаточно высокая температура, при которой кипят многие жидкости. Д'Арсонваль предложил применить в качестве рабочей жидкости аммиак — жидкость с температурой кипения минус 33,4 °С, которая будет хорошо кипеть при 25 °С. При нормальной температуре (20 °С) аммиак — бесцветный газ с едким запахом. При повышении давления газообразный аммиак снова превращается в жидкость. При 20 °С для этого давление надо повысить до 8,46 атм, но при 5 °С — значительно меньше.
Выбор аммиака в качестве вторичного рабочего тела связан с отличными термодинамическими свойствами его паров. Пары аммиака имеют низкий молекулярный вес, достаточно большой удельный объем и хорошие характеристики теплопередачи. Они обеспечивают турбине вращение с большой скоростью, что очень важно. Благодаря этим качествам аммиак широко2применяется в наши дни в энергетических установках, использующих тепло океанских вод. При этом схема тепловой энергетической^установки должна быть замкнутой, т. е.^после холодильника жидкий аммиак снова закачивается в нагреватель. Цикл непрерывно повторяется, пока работает установка. Количество рабочей жидкости, залитой в систему теплового преобразователя, практически не изменяется в процессе работы. Замкнутый цикл имеет ряд преимуществ перед открытым циклом, предложенным Клодом, благодаря чему он получил широкое применение в наши дни в установках OTEG.
Но Клод не захотел воспользоваться аммиаком. Он решил в качестве рабочей жидкости использовать морскую воду. Чтобы добиться ее кипения при температуре поверхностных вод в тропиках, создал в установке пониженное давление. Если понизить атмосферное давление в 15 раз, т. е. примерно до 50 мм рт. ст., морская вода закипит при температуре не выше 27 °С. Образовавшийся пар пойдет в турбину, заставит ее вращаться и вращать электрогенератор. А потом пар поступит в холодильник, где с помощью холодной глубинной воды превратится в пресную воду. Клод спускал ее в море: тогда она была никому не нужна. Такой цикл называется открытым, или незамкнутым.
Схема энергетической установки, работающей по этому принципу, представлена на рис. 2.2. По этой схеме была построена первая экспериментальна!! установка Клода и Бушеро.
При практической реализации установки ее авторы столкнулись с рядом специфических трудностей. Одна из первых — это создание низконапорной турбины.
Дело в том, что давление водяного пара, получаемого при невысокой температуре в условиях частичного вакуума, мало. Чтобы снять сколько-нибудь заметную мощность, турбина должна иметь большие размеры. С этим затруднением Клоду и Бушеро удалось справиться вполне удовлетворительно. Однако при первых же испытаниях обнаружив лась неожиданность. При нагреве из морской воды в большом количестве выделялся растворенный в ней воздух, что повышало давление в системе и нарушало процесс кипения. Для поддержания достаточного разрежения систему приходилось непрерывно откачивать, на что требовалась дополнительная мощность. В результате уменьшался и без того небольшой КПД установки. С этой проблемой изобретателям не удалось справиться. Были и другие проблемы. Поэтому в последующие годы основное внимание ученых и инженеров обращалось на разработку тепловых преобразователей с замкнутым циклом. Итог их усилий — действующие ныне системы OTEG.
Рис. 2.2. Схема теплоэнергетп* ческой океанской установки открытого цикла
1 — испаритель, г — турбина, 3 — генератор, 4 — конденсатор, 5 — пресная вода, в — теплая вода и,ч верхних слоев, 7 — холодная вода с больших глубин
Но теперь, спустя более полувека, внимание снова привлечено к открытому циклу. «Открытый цикл вызывает огромный интерес. Он устраняет все проблемы, касающиеся обращения с аммиаком, фреоном и т. н. Пресная вода вырабатывается в качестве побочной продукции», — считают американские специалисты. В США разрабатывается океанская энергетическая установка, которая одновременно с производством электроэнергии будет давать пресную воду — один из самых ценных в наше время продуктов, особенно в жарких и индустриальных странах, где все острее ощущается ее недостаток.
Но остаются нерешенные проблемы, в частности создание больших низконапорных турбин и удаление из системы преобразователя выделяющегося из морской воды воздуха. Ближайшей задачей считается найти такой способ удаления воздуха, чтобы на него затрачивалось не более 10 % вырабатываемой энергии. Для ее решения в схему энергетической установки включается деаэратор — камера, в которой морская вода будет дегазироваться перед поступлением в нагреватель.
Теоретически оба вида преобразователей — с открытым и закрытым циклом — имеют близкие и одинаково малые коэффициенты полезного действия.
Примем температуру нагревателя T1=273+25=298 К, температуру холодильника T2=273+5=278 К. Согласно формуле Карно КПД будет равен
nk==(T1-T2)/T1=(298-278)/298=0,067, или 6,7 %,
Полученная цифра еще недавно считалась близкой к теоретическому пределу КПД для океанской тепловой машины при принятых значениях температуры нагревателя и холодильника (как и для любой другой). Но недавно было показано 2, что из-за специфических особенностей преобразования энергии тепла в океане теоретический КПД теплового цикла в этом случае следует оценивать по формуле n0=(T1-T2)/(T1+T2)
При малом значении разности температур ^T=T1— Т2 КПД океанской тепловой машины может быть вдвое меньше теоретического значения, вычисленного по формуле Карно, т. е.
n0=1/2nk
Поправка весьма существенная. Фактически КПД преобразователя в любом случае будет еще меньше из-за неизбежных потерь в теплообменниках, насосах, трубопроводах и др. Величина потерь будет зависеть от степени совершенства конструкции тепловой машины. Для преобразователей с замкнутым циклом реальным считается получение КПД в пределах до 2—3 %. Эти цифры близки к КПД отвергнутого паровоза. Но он сжигал драгоценное топливо, а здесь энергия вырабатывается за счет дарового тепла океана, топлива не требуется.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
