Перейти к содержимому


Бестопливные источники энергии(ТЕС1,2,3)

Already Yet Энергетика Технологии

Сообщений в теме: 4

#1 Abalkin

    Активный участник

  • Пользователи
  • PipPipPipPipPip
  • 5 445 сообщений

Отправлено 27 Июнь 2012 - 12:06

Безумной химии пст (ТЕС1)

Старая копипаста, но не потеряла смысла и теперь. На затравку к новой теме - к бестопливным источникам энергии. Тепловые машины старика Карно в чистом виде. Заодно - и иллюстрация того, что капитал, наука и общество не всегда имеют общие интересы, а совпадение их интересов - скорее исключение, нежели правило.
Давно хотел написать о химиках. Вообще-то химия, по сравнению с физикой - это что-то навроде шумного цыганского табора по сравнению с общевойсковой казармой.

Если у физиков всё подчиняется чётким, прописанным формулами законам, и планета Нептун находится математически "на кончике пера", то у химиков синтез новых химических веществ до сих пор носит легкий налёт средневековой алхимии, когда свойства полученного "гуано" определяются уже по факту, в пробирке.

Не обошла стороной алхимия и столь привычный нам сейчас класс веществ, как фреоны.
Сейчас фреоны (правильное, химическое название этой группы веществ - хлорфторуглероды - CFC, хлорфторуглеводороды - HCFC и фторуглеводороды - HFC) занимают практически 100% рынка бытового холодильного оборудования.

Но до 30-х годов ХХ века вместо фреонов, которые ещё предстояло открыть, в холодильной технике использовались столь малоприятные и неудобные вещества, как углекислый газ, оксид серы, аммиак, метилхлорид и изобутан. Эти хладагенты или были огнеопасны, или токсичны, или - и то, и другое вместе.
Понятным образом, такая ситуация весьма задерживала развитие различной абсолютно привычной нам сейчас "бытовухи" - холодильников, кондиционеров, тепловых насосов - поскольку ставить себе в дом "аммиачную бомбу" не хотелось никому. В 1928 году американский ученый Мидгли (Midgley),

Изображение
http://en.wikipedia....mas_Midgley,_Jr .

которому, кроме фреонов мы должны быть благодарны и за запрещённый сейчас тетраэтилсвинец, получил запрос от компании General Motors на создание нетоксичного, неогнеопасного хладагента для бытовой техники - General Motors в 1920-е годы занималось всем, включая и бытовые холодильники. К тому времени было понятно, исходя из предыдущего опыта алхимических изысканий всяких полезных химических штук, что хладагенты для будущих бытовых систем надо будет искать в верхнем правом углу таблицы Менделеева - в треугольнике неметаллических веществ:
Изображение
Именно неметаллы - а они расположены в этом треугольнике, легче всего создают между собой всякие интересные соединения, которые при нормальных земных условиях не прочь побыть и жидкостью, и газом, что было очень необходимо для холодильных систем.

В целом посыл был правильным, но самым смешным в начале исследования Мидгли было то, что до него никто особо искусственными соединениями неметаллов между собой не интересовался. Поэтому информации о химических и физических свойствах таких соединений было буквально "кот наплакал", и Мидгли пришлось просто по крупицам искать сведения о них перед началом своего поиска.

Одним из таких фактов было исследование, в котором утверждалось, что тетрафторид углерода (СF4) имеет низкую точку кипения, что было критически важно для кондиционеров и холодильников.

Тетрафторид углерода
Однако, как выяснилось впоследствии, температура кипения тетрафторида в начальном исследовании была определена неправильно!

Фактическое её значение (-127 С°), точно измеренное Мидгли через два месяца после подписания соглашения с General Motors, конечно, в самом деле было "низким", но при этом закрывало любые варианты его практического использования в холодильных установках - получался не бытовой холодильник, а скорее камера глубокого анабиоза для будущих астронавтов.

Но, к моменту обнаружения этого важного и полезного для науки факта о тетрафториде, оказалось, что полученные на исследование от General Motors деньги уже были полностью проёбаны, с толком для общественного блага, потрачены, а поэтому во весь рост встал вопрос, чем заменить казавшийся столь перспективным поначалу CF4.

Срочным образом начались алхимические поиски "вокруг" начальной идеи тетрафторида. Ассистенты Мидгли - Хенн и МакНери предложили Мидгли попробовать заменить фтор очень похожим на него хлором. В течении трёх дней (!) после начала экспериментов были получены будущие хладагенты R-11 (CCl3F) и R-12 (CCl2F2).

Эти вещества имели гораздо более "приятные" точки кипения при нормальном давлении (например, для R-12 она составляла -29,8 С°) и могли легко быть приспособлены для использования в бытовой технике.
Это была победа. Можно было пить шампанское и не ожидать коллекторов с паяльником разборок с заказчиками. Производство первых хладагентов началось уже в 1931 году, а в период до Второй мировой войны была разработана вся "хлорная" линейка фреонов (хлорфторуглероды и хлорфторуглеводороды), которая покрыла своими физическими свойствами все необходимые для эффективной работы холодильного оборудования диапазоны. Их точки кипения выстроились от -88,7 С° (R-503) до 47,6 С° (R-113)
Они были нетоксичны, неогнеопасны и верно служили человечеству, пока не грянул 1974 год. После этого года отношение к Мидгли внезапно поменялось на противоположное и он очень надолго заслужил звание "существа, который оказал на атмосферу Земли больше влияния, чем любой другой организм", а хлорсодержащие фреоны и тетраэтилсвинец в итоге были запрещены.

Почему это произошло? Химики, получив тонны денег от больших корпораций на фреоны, в 1930е-1940-е годы насинтезировали десятки веществ фреонового ряда, и запатентовали их от имени корпораций. По ходу дела, они быстро разобрались с их физическими и химическими свойствами, придумав задним числом для фреонов "треугольник свойств", связанный с их способностью что-то отравить или внезапно загореться:
Изображение
"Треугольник фреонов" показывает, какое количество атомов водорода (hydrogen), хлора (chlorine) или фтора (fluorine) ассоциировано с углеродом - "скелетом" любого фреона, на который со всех сторон цепляются оконечные атомы фтора, хлора и водорода.

Например, синтезированный Мидгли R-11 (CCl3F) - разместится на нижней грани треугольника - на расстоянии 1/4 от угла хлора и 3/4 от угла фтора (обратно пропорционально числу атомов этих веществ), и при этом будет негорючим, нетоксичным, но будет плохо разлагаться в атмосфере.

Обычные углеводороды (продукты перегонки нефти и угля) тоже попадают в "треугольник" фреонов (в вершину водорода), и по определению - нетоксичны, но очень горючи, при этом легко разлагаются в атмосфере - тот же метан живёт в ней всего несколько лет.

До 1970-х годов высокая степень атмосферной устойчивости фреонов особо никого не волновала и, казалось, ничто не угрожало спокойной жизни R-11, R-12 и прочих хлор-фторсодержащих хладагентов. Они были дешевы в синтезе, удобны в использовании и принципиально выходили из-под "патентного зонтика" в начале 1970-х. Но - настал 1974 год - и никому особо не известные учёные Мулина и Роуленд (Molina and Rowland) опубликовали исследования по деградации озонового слоя над Антарктикой.

Напрямую ассоциировать уменьшение количества озона с фреонами было достаточно сложно - человечество выбрасывает в атмосферу мегатонны всякой дряни, но - "козла отпущения" найти было надо - и этим "козлами" внезапно оказались именно фреоны.

Тут для них и начался "адъ и Израиль" полный "П", называемый "глобальное потепление и озоновая дыра". Сотни активистов, учёных и просто журнализдов по всему миру начали писать о безумном вреде, оказываемом традиционными фреонами на атмосферу Земли. Многое из тайной кухни этого движения всплыло на свет божий только впоследствии - большая часть этой активности и исследований было проплачено компанией DuPont, которая впоследствии раньше всех вышла на рынок с новым поколением хладагентов. Проблема "озоновой дыры" оказалась, по факту, проблемой истечения срока патентов на старые фреоны. Старые патенты, полученные на первые синтетические вещества фреонового типа, к 1974 уже полностью утратили свою силу и, в реальности, эти вещества мог тогда начать выпускать любой нищеброд, разбирающийся в органической химии. Данная ситуация совершенно не устраивала монстров химической индустрии, а Du Pont просто оказался наглее многих, первой из корпораций напрямую "купившей" результаты научных исследований - точнее, изменив их в угоду своим частным интересам.

В результате, начальный список веществ, рассматриваемый Мидгли, сжался всего до нескольких клеток таблицы Менделеева:
Изображение
Сера (S) и Азот (N) - ухудшают стабильность молекулы, повышают токсичность вещества;
Хлор (Cl) и Бром (Br) - разрушают озоновый слой (ужас! ужас без конца!), хлор, кроме того повышает токсичность вещества;

Фтор (F) - если не ассоциирован с водородом, то вызывает глобальное потепление (ужас! ужас!);
Водород (H) - повышает огнеопасность вещества.

Поэтому класс "фреонов", после исключения хлора и частично - водорода из возможных формул - сжался до рекомендованных сейчас в западном мире "фторуглеводородов", в которых длинный (2-3 атомный) остов углерода особым, весьма сложным образом наполнен атомами водорода и фтора. Понятное дело, данный образ запатентован. И является частной собственностью. Пока является. Но вы уже предупреждены - если вдруг над Арктикой обнаружат какую-нибудь страшную "азотную дыру" или внезапно окажется, что какой-нибудь модный сейчас R-134а начнёт неожиданно влиять на мужскую потенцию... короче, вы в курсе.

С практической точки зрения сейчас эти "модные" штучки, в силу большой сложности своих молекул, и как следствие - высокой стоимости получения - стоят гораздо дороже старых фреонов (типа R-11 и R-12). Но и в России, и на Украине, слава богу, до сих пор действуют переходные правила использования старых фреонов, а химики Китайской Народной Республики вообще чихали на то, что они выпускают полезный продукт, который на что-то там может оказать недоказанное влияние.

Поэтому, в реальности, старые фреоны весьма широко и успешно используются и до сих пор. Они по прежнему негорючи, нетоксичны, дёшевы в получении и обладают замечательными термодинамическими свойствами, которые мы и рассмотрим в следующей части рассказа.

Источник
Делай что должен - и будь что будет!
ФРС должна быть разрушена!

#2 Abalkin

    Активный участник

  • Пользователи
  • PipPipPipPipPip
  • 5 445 сообщений

Отправлено 27 Июнь 2012 - 12:11

Наш новый фреоновый паровоз (TEC2)

Иногда просто удивительно, насколько люди готовы основывать универсальность своих знаний об окружающем их мире на примерах из повседневной жизни.

Например, у каждого перед глазами при словах "Наш паровоз вперёд летит", скорее всего, встанет перед глазами вот такая картинка:

Изображение
А теперь - гипотетически представьте себе, что вместо обычной для паровоза воды мы зальём в локомотив фреон и заставим его кипеть в котле и давить на поршни паровоза. Что поменяется на верхней картинке?
Spoiler


Фреон, в отличии от воды, при расширении в турбине или паровой машине, не конденсируется до состояния жидкости. Это его базовое термодинамическое отличие от воды, которое, как мы поймём ниже, позволяет проделывать с фреонами некоторые инженерные фокусы, которые невозможно проделать с водой.

Конденсация воды в поршневой паровой машине в конце цикла расширения пара, в принципе, безвредна. В конечном счёте, Steampunk даже как-то немыслим без весёлого паровозика, мчащегося куда-то в красивых клубах водяного пара (точнее - водяного конденсата, но это уже, я надеюсь, понятно всем читающим). Правда, КПД паровозика, как мы помним, всё-таки оказывается ниже всяких разумных пределов, потребных для нового общества, которое уже будет лишено на переходном этапе "от нефти к термояду", дешёвой и доступной первичной энергии.

Внутри же вращающейся с высокой скоростью паровой турбины, которая как раз даёт нам пристойный КПД получения электроэнергии, конденсация водяного пара на последних ступенях не приводит ни к чему хорошему. Именно поэтому тепловые электростанции крайне неохотно любят опускать ниже 30% от их номинала - на таких режимах работы конденсация водяного пара на последних ступенях паровых турбин приводит вот к таким печальным последствиям:

Изображение

Как видите, даже высококачественная сталь буквально "разъедается" водяным конденсатом - в реалиях работы современных паровых турбин мельчайшие капельки иногда врезаются в их лопасти на скоростях, близких к скорости звука.

С чем же связано такое уникальное качество фреона?
Тут нам надо будет немного погрузиться в термодинамику - я лишь постараюсь изложить все детали процессов максимально доступно для неподготовленного читателя. Если у кого-то в процессе изложения термодинамических приколов и закосоввдруг повиснут интеллектуальные паруса - можно сразу идти к выводам. Они - в конце статьи, жирненьким. ;)

Любая тепловая машина работает в рамках какого-нибудь термодинамического цикла. Если мы говорим о "холостом ходе дизеля - 400 оборотов в минуту", то это означает, что наш дизельный мотор успевает за 1 минуту совершить 400 термодинамических циклов имени товарища Дизеля. Эти циклы Дизеля в нашем двигателе последовательно включают в себя фазу всасывания воздуха, фазу его сжатия, впрыск дизельного топлива, фазу рабочего хода и фазу удаления продуктов сгорания из цилиндров двигателя. При этом полезную работу двигатель Дизеля совершает только на фазе рабочего хода, а все остальные фазы необходимы только для обеспечения работы самого устройства.

Изображение
Диаграмма T-s идеального цикла Дизеля. Полезная работа совершается на участке CD. Объяснение смысла диаграммы T-s - ниже по тексту.

При увеличении числа оборотов растёт число циклов Дизеля за единицу времени - мы можем снимать с двигателя большую мощность, даже если в каждом из циклов мощность будет неизменной.

Идеальным циклом тепловой машины является так называемый цикл Карно. Это - идеальный случай тепловой машины, "альфа и омега" прикладной термодинамики, её священный Грааль и сферический конь - одновременно. В реальности он нигде не реализован, но абстракция этого цикла очень важна для оценки всех прикладных идей, как, например, важна абстракция математической точки для доказательства всех теорем геометрии.
Цикл Карно

Предложил этот цикл для оценки тепловых машин в середине XIX века французский учёный Сади Карно. Цикл подразумевает, что расширение, сжатие, передача энергии рабочему телу и забор избыточной энергии от него идут максимально (в идеале - бесконечно) долго и без каких-либо дополнительных потерь на трение, уход энергии через стенки рабочего объёма и пр. Понятное дело, реализовать такой цикл в рамках реальной тепловой машины невозможно - и, в результате, по факту человечество использует quick and dirty ways в виде реальных термодинамических циклов, в той или иной степени являющихся суррогатами идеального цикла Карно.

Для удобства расчётов все термодинамические циклы рисуют в специальных координатах "температура-энтропия" (T-s), в которых их удобно анализировать и сравнивать между собой. Наш эталон, Carnot-old-vintage-style-cycle, красив и лаконичен:

Изображение
Цикл Карно. АБ-передача энергии рабочему телу, БВ-расширение рабочего тела, ВГ-забор энергии от рабочего тела, АГ-сжатие рабочего тела.

Цикл Карно позволяет получить максимальный КПД тепловой машины при заданных температурах нагревателя и холодильника. Если кто-то хочет понять - почему, может самостоятельно изучить все изобретённые человечеством термодинамические циклы и сравнить их с задумкой Сади Карно. Для нашего, сугубо прикладного понимания, достаточно знать, что данный максимальный КПД определяется отношением площадей прямоугольников АБВГ (это и есть полезная работа цикла) и АБS2S1 (это - общая энергия, затраченная на цикл). Из этого следует, что чем ближе реальный цикл к "прямоугольнику Карно", тем больший КПД мы можем ожидать от такого цикла. Полезная работа в цикле Карно, как и в цикле Дизеля осуществляется только на одном участке - на прямой БВ. Кстати, задним числом, посмотрев на диаграмму цикла Дизеля в координатах T-s можно понять, почему мы так любим старика - его диаграмма пусть и не прямоугольник Карно, но очень старается им быть.

Поэтому, если мы хотим поднимать КПД тепловых машин (а мы помним, что КПД первичной энергии всё равно будет неизбежно падать и поэтому нам надо будет в будущем бороться за каждый процент КПД в последующем преобразовании первичной энергии), то из термодинамической математики у нас для этого есть всего три пути:

1. Повышать температуру нагревателя (увеличивать прямоугольник АБВГ).
2. Понижать температуру охладителя (уменьшать прямоугольник ВГS1S2 ).
3. Использовать более "прямоугольные" термодинамические циклы.

Классическое рабочее тело - вода, широко используемое сейчас в тепловых турбинах, имеет очень неприятную кривую в координатах T-s (температура-энтропия). Ниже, на рисунках всё видно наглядно, но я объясню всё "на пальцах".

Процесс расширения пара любого вещества - будь то воды или любого органического рабочего тела - пытаются сделать максимально изэнтропическим, то есть провести практически без механических или тепловых потерь. На диаграмме T-s этот процесс соответствует вертикальной прямой, а значит, наш цикл в этой части будет хорошо повторять "идеальный прямоугольник Карно". Изэнтропическому процессу соответствует идеальная адиабата - то есть процесс свободного расширения газа или пара. Вот пример реального цикла Ренкина, который используют сейчас в паровых турбинах. В отличии от цикла Дизеля, который привязан к каждому обороту двигателя внутреннего сгорания, циклы турбин непериодичны, то есть они показывают лишь усреднённое движение всего рабочего тела в цикле. Но для термодинамики это никакой роли не играет:

Изображение
Цикл Ренкина паровой турбины на воде - расположен внутри красной кривой 1-2-3-4. Расширение пара - участок 3-4.

Цикл Ренкина

В реальной жизни и поршневые машины, и турбины изэнтропически газ и пар не расширяют, поэтому процесс получения полезной энергии из цикла происходит с потерями, и вертикальная прямая адиабатического расширения на графике немного отклоняется своим нижним концом в правую сторону. На первом графике фаза полезной работы в цикле поршневой машины или турбины - это кривая 3-4.

Поскольку процесс адиабатического расширения идёт у пара и у газа с одновременной потерей и давления, и температуры - так устроен мир - то рано или поздно пар рабочего тела оказывается охлаждённым до температуры конденсации (пар из трубы паровоза). При этом прохождение "точки росы" (точка 4 на первом графике) означает, что дальнейшая работа паром производится не может, поскольку любое дальнейшее расширение пара будет только вызывать только его конденсацию (что и показано прямой 4-1). Избежать точки росы при работе на воде не получается - внутри "горбатой горы", которая дополнительно нарисована на диаграмме T-s для воды, вода охотно пребывает и в состоянии пара, и в состоянии жидкости.
Поэтому, в момент прохождения "точки росы" пар из рабочего механизма (турбины или цилиндра) - желательно удалить и использовать его дальше или в теплообменнике, или в конденсаторе, замкнув термодинамический цикл.

У воды в этот момент времени температура уже ниже точки кипения и поэтому напрямую использовать оставшееся в рабочем теле тепло для целей, отличных от отопления или поставки горячей воды населению, - невозможно.

Для увеличения КПД классического цикла Ренкина на воде приходится придумывать различные "фокусы" в дополнение к обычному расширению насыщенного пара - дополнительно перегревать пар, ставить второй перегрев пара после первой ступени расширителя, срабатывать пар неполностью и использовать часть тепла пара на "догрев" поступающей в цикл воды.
Все эти возможности можно наглядно посмотреть здесь:

Изображение
Перегрев пара

Изображение
Двойной перегрев пара


Изображение
Двойной перегрев пара с регенерацией

Такими "фокусами" некрасивую диаграмму цикла Ренкина для воды пытаются хоть как-то "подтянуть" по площади к идеальному прямоугольнику цикла Карно. Но всё равно, на прямоугольник получается не очень похоже...

А вот органические теплоносители (фреоны и углеводороды) оказываются в этом отношении гораздо интереснее воды - их близкое к изэнтропическому расширение в поршневой машине или турбине ведёт не в область насыщенного пара ("горбатая гора" на водяном графике T-s), а в область пара перегретого. Гора оказывается не просто "горбатая", но ещё и "пьяная":
Изображение
Цикл Ренкина на пентане - кривая 1-2-3-4-5-6-7. 5-6 - расширение рабочего тела через турбину или поршень. 6-7 - рекуперация тепла через теплообменник. Как видите, цикл - почти прямоугольник!

Что такое перегретый пар? Это пар, который, даже при самом жгучем своём желании не может сконденсироваться в жидкость. Хотите пример? Сухой лёд. При атмосферном давлении двуокись углерода может быть или газом (перегретым паром) или твёрдым телом (сухим льдом). Все попытки перевести её в жидкое состояние будут безуспешны. Она этого не хочет. Поэтому, как оказывается углеводород - это ещё мало того, что топливо, так ещё и очень хорошее рабочее тело для тепловой машины!
То есть, если, использовать цикл Ренкина на фреонах (или углеводородах), то можно вообще не беспокоиться о конденсации рабочего тела в турбинах. Более того - для того, чтобы замкнуть этот цикл, даже приходится искусственно отбирать тепло у фреонов, строя теплообменник после расширяющего устройства - турбины или поршня.

В процессе рекуперации тепла и отборе его от перегретого пара пентана происходит "бесплатное" испарение следующей порции рабочего тела, необходимой для начала следующего рабочего цикла, то есть тратить на это дополнительную и немалую энергию, как это происходит в случае с водой, не приходится.
Поэтому - для органического цикла Ренкина лучше иметь хороший теплообменник-рекуператор, а расширитель (турбина, поршень) может быть и весьма среднего качества (а значит - может быть дешёвым и небольшим по размеру) - лишь бы такой расширитель не заставлял помпу качать уж слишком много рабочего тела.
При этом - поскольку теплообменник обычно не содержит движущихся или вращающихся частей - сделать его хорошо гораздо легче, чем поршневую машину или турбину.
Таким образом, в качестве выводов можно сказать следующее:

1. Фреоны, в силу низких температур кипения, могут принципиально работать с гораздо более низкими температурами нагревателей (это очень важно!) и охладителей(это супер важно для России!).
2. Фреоны не создают проблем с конденсацией рабочего тела внутри рабочих органов тепловых машин.
3. Фреоны позволяют сделать тепловые машины дешёвыми, простыми и легко масштабируемыми до небольших размеров.

Закончив с теорией, в следующем материале обратимся к практике. В котором мы узнаем о солнечном Израиле, туманной Аляске и 5 атомных энергоблоках компании "Газпром". ;)
Источник
Делай что должен - и будь что будет!
ФРС должна быть разрушена!

#3 Abalkin

    Активный участник

  • Пользователи
  • PipPipPipPipPip
  • 5 445 сообщений

Отправлено 27 Июнь 2012 - 12:13

Солнечный Израиль, туманная Аляска, холодная Россия (TEC3)

Несколько слов о пользе хорошего слуха.

Первый раз идея приделать фреоны к чему-нибудь, кроме холодильников и кондиционеров родилась в солнечном Израиле. Как и многие революционные идеи, она родилась совершенно неожиданно даже для своего создателя дорогой, я беременна и возможно папа - ты. Создателем идеи построить на фреонах генерацию электрической энергии был еврейский учёный Гарри Зви Табор (Harry Zvi Tabor):

Изображение
http://en.wikipedia....Harry_Zvi_Tabor

Табор был пионером использования солнечной энергии - в настоящее время 95% израильских домов оборудованы солнечными нагревателями воды его конструкции. Однажды, оставшись в опустевшем офисе свого Национального Физического Центра допоздна, Табор, собираясь уже всё-таки идти домой, и сложив все свои нехитрые научные причиндалы, пошёл выключить систему центрального кондиционирования здания центра.
Выключив рубильник и невольно прислушавшись к наступившей тишине, Табор вдруг, через несколько минут, услышал кипение фреона в конденсаторе мощного кондиционера здания и шум вновь заработавшего компрессора, который был раскручен испаряющимся фреоном. Нагревшиеся за день конструкции здания испарили жидкий фреон в конденсаторе и заставили компрессор закрутиться в обратную сторону.
Для того, чтобы понять, насколько этот факт воодушевил Табора, надо рассмотреть устройство обычного кондиционера:

Изображение
Кондиционер. Упрощённое устройство. Красное - жидкость, синее - газ.

Газообразный фреон поступает на вход компрессора (compressor). Компрессор сжимает фреон до высокого давления в конденсатор (condenser), в котором фреон переходит в жидкое состояние, конденсируясь при высоком давлении. Именно конденсатор вы обычно видите на задней стенке вашего холодильника или на наружной стене здания - из этой части кондиционера или холодильника собственно говоря и "выдавливается" лишнее тепло.

Далее фреон из конденсатора поступает в специальное устройство - расширяющий клапан (expansion valve), который резко понижает давление фреона. При понижении давления жидкий фреон, как и любая жидкость, начинает кипеть и удовольствием отнимает на своё кипение энергию из окружающей среды. Именно этот отъём энергии охлаждает внутренние стенки холодильника или внутренний блок сплит-системы кондиционера. Происходит это ещё в одном теплообменнике - испарителе (evaporator). Поэтому, для охлаждающих систем, навроде холодильников и кондиционеров важно, чтобы фреон при рабочем давлении в испарителе кипел при температурах ниже потребной температуры в помещении или в морозилке холодильника. Например, бытовой фреон R-134a кипит при температуре -26,5 C°, чего вполне хватает для охлаждения помещения до комфортных 18-20 С°.

Однако, поскольку здание Национального Центра в тот день нагрелось за дневное время до высоких температур - фреон начал закипать даже при достаточно высоком давлении в конденсаторе! Табора осенила простая, но очень важная идея - несмотря на выключенное электропитание кондиционера, сжатый фреон, нагреваясь от тепловой энергии конструкций здания, смог раскрутить компрессор, превратив его в источник механической энергии! Принцип был понятен, осталось лишь превратить случайную находку в действующий прототип силовой установки.

Такой прототип был изготовлен Табором совместно Люсьеном Бронски и был представлен им на Конференции ООН по вопросам новой энергетики, которая состоялась в Риме в 1961 году. Этот прототип ОРЦ-турбины (ORC-turbine, Organic Rankine Cycle turbine, турбина органического цикла Ренкина), мощностью всего в 3 кВт, был первой ласточкой новой технологии, которая вскорости начала прокладывать себе путь в будущее.

Чена - история тепла и холода
В слове этом - суровая ласка.
Отзвуки тайны и сказки.
Незабудок синие глазки,
Моря, неба и гор неостывшие краски.
Люди, которым верь без опаски:
Моряки, альпинисты, идущие в связке.
Веер древних племен: инуит, атабаски:
Край, который не терпит ни фальши, ни маски.
Это имя звучит - Аляска!
Борис Юрцев, 1993
65 градусов северной широты. Горы, холод и лесные пожары вокруг. Не Россия.
Что делать - если вы живёте в медвежьем углу на краю Аляски? Если ваши счета за отопление и электричество отнимают больше 25% вашего дохода? Если срыв подвоза дизельного топлива в ваш город, в котором живёт всего около 2 000 человек, может оставить вас среди зимы без электричества, воды и тепла?
Сдаться и смириться? Нет!

Ведь под ногами у вас, на глубине всего 50 метров есть тёплая вода температурой в 75 градусов Цельсия, а вокруг Вас - море холода. Ведь вы - на Аляске!
Изображение
Как учит нас дедушка Карно, любой термодинамический цикл работает на самом деле не от температуры (T), а от разницы температур (ΔT).

Если у Вас есть бассейн тёплой воды в жаркий летний день - на самом деле с термодинамической точки зрения вы нищая обезьяна. Если же Бог дал вам два сосуда, в которых есть неограниченные количества холода и тепла - вы самый богатый человек в мире.

Поэтому, жители Чены, заплатив в 2005 году в очередной раз больше 600 000 $ США только за дизельное топливо для своего дизелька, от которого зависело всё и вся в их медвежьем углу, всерьёз задумались - а можно ли как-то использовать свой потенциал геотермальных вод?

Напрямую, в виде водяного пара, энергию геотермали использовать было невозможно - температура воды в Чене была много ниже точки её кипения при нормальном давлении. Поэтому для реализации геотермального проекта годилось бы только решение, в котором теплоноситель второго контура, получая тепло от геотермали, кипел бы при значительно более низких температурах, производя пар, необходимый для работы турбины.
Дополнительно задача усложнялась тем, что жители Чены не могли позволить себе большой инвестиции - максимально возможная стоимость киловатта установленной мощности не могла превосходить 1 300 долларов США. В противном случае банк отказал бы Чене в предоставлении кредита. Мир жесток, детка. А мир банкстеров жесток безумно.

Выход был найден после переговоров с компанией UTC (United Technologies Corporation), подразделением компании "Пратт и Уитни", которая занималась производством топливных элементов и экспериментировала с низкотемпературными ORC-установками.

К тому времени UTC уже на протяжении 2-х лет испытывало на хладогенте R-245fa свою 200-киловаттную систему PureCycle, которую принципиально можно было, путём замены теплоносителя на более низкотемпературный, заставить работать даже на перепаде 75 С° нагревателя и 7 С° холодильника. Дополнительным преимуществом покупки установки от UTC для Чены было то, что на свой бывший в употреблении тестовый образец UTC давало хорошую скидку. По сути дела, особо ничего UTC на этой сделке не теряло, поскольку установка представляла из себя списаный промышленный кондиционер Carrier, который небольшими переделками превратили в экспериментальную ORC-турбину
Изображение
Проблемой переделки системы под низкотемпературный цикл фреона R134a было то, что ΔT условий Чены составляло всего около 68 С°, что накладывало очень жёсткие условия на потребление энергии самой установкой. Так, например, подачу охлаждающей воды пришлось решать организацией "самотёка" из колодцев, вырытых выше по склону горы.

В процессе реализации проекта много раз пришлось пересматривать смету, учитывая требования 100% автономного энергоснабжения. Так, для обеспечения резервирования пиковой мощности потребления, пришлось установить банк аккумуляторных батарей ёмкостью в 30 000 А-ч.

Поэтому в лучших традициях постсоветского пространства все коммуникации за пределами машинного зала вынужденно были выполнены из бывших в употреблении труб. Но стоимость установки не перешагнула рубеж в 1 300 $ за киловатт. Проект, в который никто не верил, был реализован усилиями энтузиастов и верящих в своё будущее простых людей.

Уже через год, основываясь на опыте первой установки, UTC Power поставило в Чену второй аналогичный агрегат, доведя общую выработку электроэнергии до 420 кВт.
Результат усилий Чены и UTC (параметры одной установки):
Температура воды на входе: 75 С°
Давление теплоносителя R134a на входе: 16,8 атмосфер
Температура охлаждающей воды: 4-7 С°
Давление теплоносителя R134a на выходе: 5,2 атмосфер
Общая мощность турбины: 250 кВт
Собственные нужды: 40 кВт
Чистое производство электричества: 210 кВт
Чистый КПД установки: 8,2%
Топливо: Бесплатно
Опыт: Бесценен!
Изображение
Случайный пожар на установке, случившийся через год после пуска второго агрегата по неосторожности сварщика, и уничтоживший всю систему управления машинами, был досадным, но уже несмертельным ударом для жителей Чены.

Установки не пострадали - R134a, как и большинство промышленных фреонов, негорюч. Через 2 месяца энергоснабжение Чены от геотермали было полностью восстановлено.
http://www.chenahots...othermal-power/

"Газпром" - мечты сбываются.

Теперь вернёмся в Россию.
Страна Россия - протяжённая, холодная, но за последнее время, стараниями народа, её населяющего - уже гораздо более обжитая и наполненная многими интересными инфраструктурными объектами:

Изображение
Система магистральных газопроводов.

http://www.energylan...litic-show-9715

В России действует самая протяженная газотранспортная сеть в мире, включающая 155 тыс. км. магистральных газопроводов. Более 4 000 газоперекачивающих агрегатов (ГПА) суммарной мощностью 44,2 ГВт ежегодно перекачивают около 700 млрд. куб. м. природного газа на расстояние в тысячи километров. Около 85% ГПА имеют привод от газотурбинных установок с к.п.д. всего лишь в 23-35%. Это значит, что 1,2-1,3 млн. ГДж тепла в год (температура выхлопных газов достигает 500 ºС) выбрасывается в атмосферу! Используя это тепло, можно было бы обеспечить около 5 ГВт столь необходимой в России электроэнергии.

5 ГВт электроэнергии - это строительство 5 энергоблоков типа ВВЭР-1100. В современных ценах это составляет около 10 млрд. долларов. В дальнейшем эти АЭС надо снабжать ядерным топливом и обеспечивать захоронение отходов их производства.

Поэтому, предлагается построить: и 5, а может быть и 10 энергоблоков ВВЭР - с одной стороны, и снабдить все системы промышленных тепловых выбросов системами ORC - c другой стороны. Я думаю, что если один только "Газпром" вполне может дать в общую электрическую сеть около 5 ГВт мощности, то вся оставшаяся экономика, включающая коксовые батареи, доменные печи, прокатные станы, фарфоровые заводы и пр. и пр. сможет наскрести бесхозных тепловых выбросов ещё на 5 ГВт.

Ну, и кроме этого, можно будет вовсю заняться утилизацией распределённых геотермальных ресурсов и ресурсами биомассы, которых в России просто никем не считано. ;)
Ведь, если посмотреть на вопрос термодинамически - Россия - это страна с самым высоким параметром ΔT в мире. Мы - отнюдь не нищие обезьяны возле бассейна с тёплой водой в жаркий день. Мы - люди, которые обладают территорией с самым высоким ΔT в мире. :)

Поэтому, не исключено, что скоро мы сможем увидеть воочию ещё одну фантазию моего земляка Исаака Озимова:

"- И днем и ночью внутренности планеты теплее, чем ее поверхность, следовательно, тепло самопроизвольно перетекает изнутри к поверхности. Полагаю, вы знаете и это тоже.
- И что из всего этого, Бэндер?
- Поток тепла от горячего к холодному, имеющий место согласно второму закону термодинамики, можно заставить делать работу.
- Теоретически да, но солнечный свет слишком рассеян, тепло поверхности планеты еще меньше, а темпы, с которыми тепло уходит изнутри к поверхности, вообще ничтожны. Количества тепловых потоков, которые можно использовать, вероятно не хватит даже для того, чтобы поднять гальку.
- Это зависит от устройства, применяемого для этой цели, - сказал Бэндер. - Наш инструмент развивался тысячи лет."

Айзек Азимов. "Основание и Земля"

Подробности, для самостоятельного изучения вопроса - по приведенным ссылкам.
Источник
Делай что должен - и будь что будет!
ФРС должна быть разрушена!

#4 Alfredius

    Активный участник

  • Пользователи
  • PipPipPipPipPip
  • 3 255 сообщений
  • LocationМосква-Владимир, далее везде, покуда старуха с косой не настигнет.

Отправлено 27 Июнь 2012 - 10:05

Ну, блин, спасибо! Приятное и полезное чтение. Нравоучительное, я бы так сказал.
Еще раз, спасибо!
Хочу жить в Бирюлево Западном

#5 keyser

    Активный участник

  • Пользователи
  • PipPipPipPipPip
  • 4 490 сообщений

Отправлено 28 Июнь 2012 - 08:53

Спасибо огромное за Ваши интеллектуальные находки, дорогой Abalkin! :)





Количество пользователей, читающих эту тему: 1

0 пользователей, 1 гостей, 0 анонимных