Аннотация: Нами запатентован новый альтернативный способ получения дешевой электроэнергии, использующий воду и естественный холод.
Холод как источник энергии.
В природе движения воздуха и воды (морские и океанские течения) происходят вследствие различной плотности нагретых и холодных масс этих тел. В физике такие движения называются конвекционными и широко используются в технике, например, в системах водяного отопления с естественной циркуляцией теплоносителя (см. рис. 1).
Циркуляция воды в этом случае осуществляется под давлением ??=(?1-?2), измеряемым в сотых долях атмосферы, т.к. она происходит в условиях поля земного тяготения и при малой разности плотностей (?1-?2) холодной и нагретой воды. Естественно, использовать незначительную кинетическую энергию потока воды в системе отопления, кроме как для работы самой системы, нет смысла.
А мы предлагаем осуществлять теплообмен между рабочими телами в условиях центробежного поля вращающегося теплообменника с угловой скоростью ? (см. рис. 2). При ускорении центробежного поля, во много раз превышающем ускорение земного поля, циркуляция рабочих тел будет проходить под давлением в десятки, даже в сотни атмосфер, что позволяет кинетическую энергию струи рабочего тела эффективно превращать в механическую, а затем - в электрическую.
Потоки жидкостей в теплообменнике организованы симметрично относительно оси вращения, а вход этих потоков в теплообменник и их выход из него осуществляются через соосные с теплообменником каналы. Сколько жидкости уходит от центра вращения, столько же и приходит. Все это исключает работу теплообменника в режиме центробежного насоса, а также уравновешивает центробежные силы F1 и F2на радиальных участках каналов, кроме этого уравновешиваются моменты от сил Кориолиса. С точки зрения механики теплообменник в данном случае является маховиком, вращающимся с постоянной угловой скоростью (?), а значит, энергия привода, вращающего маховик, расходуется на преодоление трения только в подшипниках.
С помощью вращающего теплообменника можно превращать в электрическую энергию теплоту низкотемпературных источников тепла, в том числе и бросового, например, тепла отработанного ядерного топлива на АЭС, которое еще в течение нескольких лет остается "горячим".
Можно также превращать в электрическую энергию теплоту конденсации отработанного пара на тепловых электростанциях, повышая их К.П.Д. на 5-6%.
Теплообменник может работать и в качестве насоса.
Так как тепло во вращающемся теплообменнике напрямую превращается в кинетическую энергию струи нагреваемой жидкости, как это имеет место в реактивных двигателях, в которых тепло напрямую превращается в кинетическую энергию газа, в нашем случае это будет реактивный двигатель для жидкой среды. Применение такого двигателя, работающего на тех же отработанных урановых стержнях, на подлодке позволит отказаться от сложной технологической цепочки: атомный реактор - турбогенератор - электродвигатель - ходовой винт.
Но главным достоинством вращающегося теплообменника является то, что он открывает путь к новому альтернативному способу получения дешевой энергии.
Теплообменник, как двигатель, работает только в том случае, если получается разность плотностей рабочей жидкости в его каналах в процессе теплообмена.
Для изменения плотности рабочих тел в теплообменнике предлагается использовать ... холод, вернее, условия, которые создаются в природе при минусовых температурах. В качестве теплоносителя можно использовать подледную воду, а в качестве теплоприемника - охлажденную на воздухе жидкость, не замерзающую в естественных условиях (патент Украины 41697А, "Способ преобразования теплоты жидкого теплоносителя в механическую работу").
Из второго закона термодинамики следует, что для превращения теплоты в механическую работу необходимо иметь температурный перепад. В зимнее время при минусовых температурах таким источником тепла может служить вода замерзшей речки или водоема. Подо льдом температура воды +4®С, а надо льдом - меньше 0®С. Разница температур налицо, причем эта разница держится с завидным постоянством (по 4-6 месяцев в году и даже больше) на огромных пространствах Сибири, Финляндии, Норвегии, Швеции, Канады, Аляски.
Плотность воды при температуре +4®С наибольшая и составляет 1000 кг/м3.
Кроме того, подледная вода - емкий теплоноситель, т.к. при ее охлаждении с +4®С до 0®С выделяется 16.76 кДж теплоты из расчета на массу в 1 кг, а при замерзании - еще 334 кДж (скрытая теплота кристаллизации). В итоге получается 350.76 кДж теплоты. Для сравнения: в гидростанции с перепадом уровней воды в 100 м работа, совершаемая водой массой 1 кг при падении, эквивалентна примерно 1 кДж теплоты.
Энергии 350.76 кДж достаточно для нагревания 1 л воды от 0®С до 83.7®С, но так как замерзание воды происходит при 0®С, то очевидно, что теплом кристаллизации можно нагревать рабочие тела с температурой меньше 0®С (по второму закону термодинамики тепло самопроизвольно передается только от горячего тела к холодному). Такими телами могут быть жидкости, не замерзающие в естественных условиях и имеющие температуру кипения больше +4®С, например, этиловый спирт или соленая вода. Теплоты в 350.76 кДж достаточно для нагревания 14.4 кг этилового спирта от -10®С до 0®С.
Рис.1
Установка работает так. После замерзания водоема в теплообменник 1 подаются подледная вода температурой +4®С и этиловый спирт, охлажденный в батарее 2 до температуры меньше 0®С. Теплообменник постоянно вращается с помощью электропривода 3 в вакуумной камере 4. спирт нагревается до 0®С, а вода охлаждается до образования ледовой крошки через общую теплообменную стенку 5. Ледовую крошку можно получить, периодически удаляя ледовую корку, появляющуюся в процессе охлаждения воды спиртом, импульсами тока, который пропускают через пленочное сопротивление 6, нанесенное на теплообменную стенку 5 по слою электроизолятора 7. На элементарные потоки рабочих тел, движущихся от центра вращения теплообменника 1, подействуют центробежные силы, которые будут больше центробежных сил, действующих на потоки, направляющиеся к центру вращения Fw>Fi,F1>F2 что объясняется различной плотностью тел в потоках (до теплообмена плотности больше, а после - меньше). Вследствие этого появляются и разности давлений в каждом потоке рабочих тел. Кинетическая энергия потоков, выходящих из теплообменника под большим давлением, превращается турбогенераторами 8 и 9 в электрическую энергию. После турбогенератора этиловый спирт направляется в радиатор 2 для охлаждения, завершая тем самым свой термодинамический цикл. Ледовая крошка после турбогенератора 9 сбрасывается в накопитель льда 10, а потом в водоем в виде талой воды в теплое время года.
К.П.Д. теплообменника зависит в первую очередь от значений разности центробежных сил и разности плотностей рабочих тел. Расчеты показывают, что современные конструкционные материалы позволяют создавать вращающиеся теплообменники с центробежными силами, превращающими в механическую работу до 20% теплоты подледной воды. Можно использовать только теплоту, которая выделяется при охлаждении воды от +4®С до 0®С, избегая ее кристаллизации. В этом случае придется отказаться от системы образования ледовой крошки, увеличив лишь объем подачи воды в теплообменник. При этом К.П.Д. установки уменьшится всего на 5-7%.
Если теплообменник изготовить из углеродных нанотрубок Сумио Ишима, вес которых в 4-5 раз меньше, а прочность - в 100 раз больше углеродистых сталей (в настоящее время это - не фантастика, а реальность), то его К.П.Д. может достигать 50-60% и больше.
Что же касается мощности, то при площади теплообменной стенки 0.25 м2 и температуре воздуха -10®С она достигает 7 кВт при суточном расходе подледной воды 9 м3. Естественно, что у больших рек и водоемов можно строить установки мощностью в десятки и сотни тысяч киловатт.
Наш вращающийся теплообменник пригодится и для превращения в механическую энергию теплоты низкотемпературных источников тепла, в том числе теплоты отработанного ядерного топлива на АЭС, которое еще в течение нескольких лет остается "горячим". В этом случае конструкция теплообменника упрощается: один канал для теплоотводящей жидкости плюс полость для отработанного ядерного топлива (см. рис. 2).
Рис. 2
Можно также превращать теплоту конденсации отработанного пара на тепловых электростанциях в механическую работу, повышая их К.П.Д. на 5-6% (см. рис. 3).