ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ОКЕАНА ИДЕЯ Д'АРСОНВАЛЯ И РАБОТЫ КЛОДА В 20-е годы нашего века многие журналы мира обошел странный рисунок 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
энерге-тической 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
энергети-ческую 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 практи-чески не
позволяла реализовать прекрасную идею. Длину трубы можно было бы значительно
сократить, если смонти-ровать 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 за-ливе Мантанзас на Кубе, на побережье Абиджана и в при-брежных
водах Бразилии. Но ни разу им не удалось получить из океана больше энергии, чем
установка потреб-ляла на собственные нужды, и поэтому для своей работы она
требовала дополнительной энергии от вспомогатель-ного источника. Эта печальная
особенность отчасти была связана с малой мощностью установки, из-за чего
различ-ные потери составляли слишком высокий процент в общем балансе. Потерь оказалось
больше, чем первоначально предполагалось. Первым обратил внимание на громадные запасы тепло-вой 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 рабо-чего 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 Пер-сидском 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 доста-точно 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
молекуляр-ный вес, достаточно боль-шой удельный объем и хо-рошие характеристики
теп-лопередачи. Они обеспечи-вают турбине вращение с большой скоростью, что
очень важно. Благодаря этим качествам аммиак широко2применяется в наши дни в
энергетических установках, использующих тепло океан-ских вод. При этом схема
тепловой энергетической^уста-новки должна быть замкнутой, т. е.^после
холодильника жидкий аммиак снова закачивается в нагреватель. Цикл непрерывно
повторяется, пока работает установка. Коли-чество 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 уста-новках
OTEG. Но Клод не захотел воспользоваться аммиаком. Он ре-шил в качестве рабочей
жидкости использовать морскую воду. Чтобы добиться ее кипения при температуре
поверх-ностных 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 элек-трогенератор. А потом пар поступит в
холодильник, где с помощью холодной глубинной воды превратится в прес-ную воду.
Клод спускал ее в море: тогда она была никому не нужна. Такой цикл называется
открытым, или не-замкнутым. 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 не-высокой
температуре в условиях частичного вакуума, мало. Чтобы снять сколько-нибудь
заметную мощность, турбина должна иметь большие размеры. С этим затрудне-нием
Клоду и Бушеро удалось справиться вполне удовле-творительно. Однако при первых
же испытаниях обнаружив лась неожиданность. При нагреве из морской воды в
боль-шом 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 требо-валась дополнительная
мощность. В результате умень-шался и без того небольшой КПД установки. С этой
проблемой изобретателям не удалось справиться. Были и другие проблемы. Поэтому
в последующие годы основ-ное внимание ученых и инженеров обращалось на
разра-ботку тепловых преобразователей с замкнутым циклом. Итог их усилий --
действующие ныне системы OTEG. Рис. 2.2. Схема теплоэнергетп* ческой океанской установки от-крытого
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,
касаю-щиеся обращения с аммиаком, фреоном и т. н. Пресная вода вырабатывается в
качестве побочной продукции», -- считают американские специалисты. В США разрабаты-вается
океанская энергетическая установка, которая одно-временно 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 созда-ние больших низконапорных
турбин и удаление из системы преобразователя выделяющегося из морской воды
воз-духа. 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 откры-тым 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 нагрева-теля и
холодильника (как и для любой другой). Но не-давно было показано 2,
что из-за специфических особен-ностей преобразования энергии тепла в океане
теоретиче-ский 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 фор-муле Карно, т. е. n0=1/2nk Поправка весьма существенная. Фактически КПД пре-образователя в любом случае
будет еще меньше из-за неизбежных потерь в теплообменниках, насосах,
трубо-проводах и др. Величина потерь будет зависеть от степени совершенства
конструкции тепловой машины. Для пре-образователей 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. Интересно отметить переоценку значения малых цифр КПД, происшедшую за
последние полвека. Пятьдесят лет назад теоретическое значение КПД около7%
считалось ничтожным и едва ли заслуживающим внимания. В наше же время строятся мощные
океанские энергоцентрали с КПД примерно в половину этой величины.
Существен-ного улучшения КПД можно ожидать только при исполь-зовании в
океанских тепловых энергоцентралях большего перепада температуры между
нагревателем и холодильни-ком. Принципиально такая возможность имеется. В
раз-ных районах на дне океана обнаружены места, где раз-ность температуры воды
значительно превышает принятые .для расчета 20 °С. Например, в термальных
впадинах на дне Красного моря температура воды достигает 60 СС, к
тому же она ежегодно несколько повышается. А на дне Тихого океана бьют
гидротермальные источники с тем-пературой более 350 °С, как в котле вполне
современной ТЭЦ высокого давления. Вблизи от этих горячих источ-ников имеется
вода с низкой температурой, пригодная для холодильника. При использовании такой
воды воз-можно получение КПД океанской установки, как у луч-ших наземных ТЭЦ
высокого давления. Однако примене-ние горячих гидротермальных вод для выработки
электри-ческой энергии потребует особой технологии.
следующая
