Lib.ru : Ашкинази Леонид Александрович. Обратная задача энергетики

Dominic E. Harman

Обратная задача энергетики

На южном - так уж мы называем - полюсе у нас радиаторы, четыре сияющих цилиндра - сброс избытка энергии из энергоблоков (вернусь, расскажу на лекции, зачем это расточительство: затем, что сложно регулировать мощность энергоблоков, проще перераспределять).

Л.Хатуль

Вид с высоты

Обычные для энергетики задачи - обеспечить энергию, необходимую для перемещения чего-либо (транспорт), нагрева чего-либо или осуществления фазовых переходов (отопление, плавление, испарение) и проведения химических процессов. Устройство, которое поставляет нам энергию, принято называть источником энергии, хотя с точки зрения физики оно является преобразователем. Для разработки упомянутых источников, как и для разработки всего на свете - от фломастера до "стелса" - нужно их испытывать. При этом выдаваемую энергию кто-то должен потреблять, имитируя эксплуатацию в тех или иных условиях.

В самом общем виде возможны три пути решения проблемы. Первый - самый естественный: отдать энергию реальным потребителям. Но сделать это может быть непросто: потребитель, возможно, хочет потреблять вовсе не тогда и не там, когда и где я собираюсь испытывать свой источник энергии.

Второй вариант - сбросить энергию в какой-то накопитель, емкость, аккумулятор, дабы использовать ее потом, либо даже транспортировать, передать ее туда, где потребитель находится. Этот вариант хорош тем, что технологии накопления, аккумуляции энергии разработаны и изучены, хотя и с другой целью. Дело в том, что некоторые источники энергии работают не тогда, когда человек желает потреблять. Например, солнечные элементы вырабатывают энергию днем и причем в ясную погоду, а коммунальное хозяйство желает потреблять больше вечером и зимой, и причем каждый день, а не только в те вечера, когда днем светило солнышко.

Наконец, третий вариант - потратить энергию на что-то пусть и ненужное, но позволяющее от нее "избавиться". Разумеется, в силу законов сохранения уничтожить энергию нельзя, но можно рассеять ее в окружающей среде так, чтобы она нам не мешала, убрать с глаз долой. Путей для этого, как следует из учебника физики, несколько, причем некоторые из них - те же, по которым можно идти, аккумулируя энергию.

Первый - закачать энергию в потенциальную энергию в поле гравитации, то есть поднять вверх груз. В принципе этот способ годится и для аккумуляции (с последующим извлечением энергии), и для утилизации - например, можно выкапывать горные породы со дня моря и выкладывать в виде "искусственных островов". Энергия, запасаемая таким способом, при тех же объемах устройств мала по сравнению с другими способами, а сам способ весьма неудобен - установка получается очень уж большая. Заметим, что на планете с высокой напряженностью гравитационного поля ситуация могла бы быть и иной.

Второй путь - закачать энергию в кинетическую энергию. Для хранения энергии применяют вращающийся маховик, но оставить его навсегда вращающимся нельзя. То есть запасти энергию таким способом можно, это действительно обсуждается. Но "закопать" энергию в маховике навсегда невозможно. Если не выбрасывать вращающуюся массу в космос...

Третий путь - закачать энергию в электрическое или магнитное поле. Аккумулировать энергию этим способом можно, причем плотность энергии, запасаемой в магнитном поле сверхпроводящего соленоида оказывается достаточно велика, и этот способ также обсуждается. Но опять же, "закопать" энергию навсегда таким способом нельзя.

Четвертый способ - электромагнитное поле. Запасти в нем много энергии не удастся, но вот "закопать" можно. А именно - излучив ее в пустоту, в космос. Итак, вот один путь уничтожения энергии - мощная лампа: часть энергии поглотится окружающей средой и нагреет ее, часть уйдет в никуда.

Пятый способ - нагрев и фазовые переходы, плавление и испарение. Сегодня это основной способ сброса энергии и один из распространенных способов аккумуляции.

Шестой способ - химический: проведение эндотермических реакций.

Четвертый, пятый и шестой способы мы рассмотрим ниже.

И наконец, седьмой, самый хороший, но пока нереальный способ - превращение энергии в массу. То есть процессы, обратные тем, что идут в реакторах деления или синтеза и соответствующих бомбах, а также синтез антивещества. Эти процессы в принципе осуществимы, но их КПД ничтожно мал - вся затрачиваемая энергия идет на нагрев среды аппаратурой, лишь малая ее часть превращается в вещество.

Итак, нам надо рассмотреть подробно три способа "уничтожения" энергии: излучение, нагрев и химия. Но сначала...

Немного об источниках

Источник энергии в принципе может давать на выходе энергию механическую, тепловую и электрическую. Первое звучит непривычно, однако существуют устройства, предназначенные именно для сообщения объектам кинетической и потенциальной энергии. "Источниками энергии" их не называют, поскольку механическую энергию относительно сложнее хранить и транспортировать. Хотя цивилизация, энергетика которой именно механическая - хороший материал для писателя, знающего школьную физику. Устройства, предназначенные для сообщения кинетической и потенциальной энергии, - это всякого рода метательные (пушки, арбалеты, катапульты и т. п.) и подъемные механизмы. Рассеять их энергию просто: ускорять и сбрасывать в пустынные районы или море, поднимать и ронять обратно. При этом, поскольку это не реальная эксплуатация, а испытания, поднимать и ускорять придется не те объекты, для работы с которыми на самом деле предназначено наше устройство, а некоторые муляжи, макеты. Разумеется, по некоторым параметрам (скорее всего - по массе и размерам) они должны совпадать с будущими реальными объектами.

Источник тепловой энергии - это устройство, которое способно что-то нагревать, плавить и испарять. Проблема поглощения энергии решается в этом случае просто: нагретое можно просто выкинуть вон, хотя разумнее, если это возможно, использовать его для отопления или чего-то подобного. Правда, при "выкидывании" тепловой энергии возникает так называемое тепловое загрязнение среды, но оно возникнет в любом случае. Его можно было бы избежать, если излучать энергию в космос, загрязняя почти бесконечные просторы Вселенной и сигнализируя иным цивилизациям, но и в этом случае уменьшить загрязнение более чем в два раза пока не удастся. Превратить энергию в массу со сколько-либо разумным "КПД" тоже не светит.

Так что реальная задача возникает, если мы имеем дело с источником электрической энергии. Что делать в этом случае, куда девать лишнюю электроэнергию? Хорошо бы, конечно, вогнать два штыря в землю и начать просто греть ее протекающим током. Жалко червей и корешки, но главная беда в том, что сопротивление земли изменяется на несколько порядков в зависимости от типа почвы и ее влажности.

Светить не везде, но всегда

Максимальный КПД лазеров и светодиодов - около 50%. С точки зрения экономии электроэнергии важен каждый процент, но для нас важно совсем другое - раз КПД далек от 100%, то "высветить в никуда" удастся лишь около половины и наша нагрузка все равно должна уметь рассеивать большую мощность в виде тепла. Тепловой поток тем больше, чем выше температура нагревателя, следовательно, если мы не хотим строить целое здание, чтобы рассеять мегаватт, надо идти по пути увеличения температуры. Причем лампы накаливания, в отличие от светодиодов и лазеров, излучают большую часть мощности - хотя не в видимом диапазоне, а в инфракрасном (поэтому иногда и говорят, что у них мал КПД).

Большинство проводников при высоких температурах окисляется. Отсюда первое решение - лампы накаливания, скорее всего - галогеновые (у них меньше габариты) и газоразрядные. В принципе возможно было бы применение нагревателей из высокотемпературных оксидов, но у них сопротивление уменьшается с ростом температуры, что делает эксплуатацию весьма сложной. Галогеновые лампы бывают мощностью до 2 кВт, газоразрядные лампы - до 100 кВт, но их эксплуатация требует сложной схемы (обеспечение зажигания разряда), и им противопоказан режим изменяющейся мощности (напряжения). Галогенки в этом смысле неприхотливы, они не нуждаются в специальных схемах: есть напряжение - рассеивают мощность, нет - терпеливо ждут.

Теплоотвод в общем случае тем эффективнее, чем горячее охлаждаемое тело. Тут есть сложность: если увеличивать количество тепла, подводимого к охлаждаемой поверхности, при некоторой температуре на поверхности образуется паровая пленка, которая радикально уменьшает теплоотвод (так называемый кризис кипения). Бороться с этим явлением можно двумя способами: увеличивая скорость движения жидкости и переходя к охлаждению "водяным туманом" - потоком воздуха, несущим капли жидкости, вскипающие при попадании на охлаждаемую плоскость. Но если пока пренебречь этими хитростями, то получается, что выгодно использовать горячий излучатель - галогеновые лампы. А куда в итоге девать отводимую мощность? Можно обдувать лампы потоком воздуха, можно греть лампами воду, можно, наконец, ее испарять.

Заметим, что воздух в основном прозрачен для излучения галогеновых ламп с длинами волн 1-2 мкм, поэтому при охлаждении воздухом около трети излучения поглотится в атмосфере, остальное уйдет к далеким звездам. С водой ситуация иная: в слое в несколько сантиметров излучение заметно поглощается, а в слое в 0,5 метра - почти полностью. Поэтому облегчается решение проблемы с кризисом кипения.

Итак, представьте себе: бурлящий котел с водой, столб пара, причем этот столб сияет, ибо сквозь него уходит к далеким звездам свечение ламп. Осталась мелочь - экспериментально проверить, долго ли проживет галогенка в кипятке... Конечно, теплота испарения лития больше, чем у воды почти на порядок, но у него выше стоимость, да и Гринпис будет против.

Химический аккумулятор

Радикально иной способ хранения энергии - химический: проведение сильно эндотермических реакций. Очень "энергоемкий" процесс - разрыв химических связей. Сравним его со стандартным способом теплоотвода с помощью воды. Один литр воды, нагреваясь на один градус, забирает 4,2 кДж. Если нагреть эту воду от 20^оС до кипения, можно отнять уже 336 кДж. А если всю эту воду испарить, а пар выбросить, то к этим 336 кДж добавится 2256 кДж. Всего - около 2600 кДж.

Фото с сайта www.awtpartners.com

Возьмем литр условного вещества с небольшой энергией диссоциации - 100 кДж/моль (для сравнения: энергия диссоциации связи Н-ОН равна 494 кДж/моль). Пусть плотность этого вещества равна 1 кг/дм³, а молярная масса - 100 г/моль. Тогда для диссоциации всех связей в 1 л (1 кг, 10 моль) вещества понадобится 1000 кДж тепловой энергии. Величина сравнима с получаемой при использовании в качестве теплоотвода воды. Однако здесь есть принципиальная разница: данное вещество, поглощая тепловую энергию, может нагреваться незначительно.

Какое же конкретное вещество можно использовать для отъема теплоты? Вот тут начинаются сложности, которыми, очевидно, и объясняется исключительно малая распространенность такого способа. Помимо того что вещество желательно использовать нетоксичное и некорродирующее, возникает проблема с продуктами диссоциации. Здесь есть только два пути. Первый - продукты диссоциации выбрасываются (например, в атмосферу). Второй - эти продукты вновь дают исходное вещество, которое возвращается в цикл.

Первый способ можно было бы применить в случае очень дешевого исходного вещества и нетоксичных продуктов. Здесь трудно предложить что-либо, кроме все той же воды. Однако для диссоциации воды (по уравнению 2Н₂О = 2Н₂ + О₂) всего на 5% требуется нагреть ее до 2400^оС! Так что термическую диссоциацию использовать не удастся.

При использовании второго способа продукты диссоциации будут вновь соединяться (рекомбинировать) с образованием исходного вещества. Выбор конкретного вещества здесь тоже весьма ограничен. Мы уже видели на примере молекул воды, что для их диссоциации требуется нагрев до неприемлемо высокой температуры. Значит, энергия диссоциации химической связи в молекулах искомого вещества должна быть небольшой. И здесь трудно найти какое-либо вещество, кроме тетраоксида азота N₂O₄. При нагреве это вещество обратимо диссоциирует: N₂O₄ <--> 2NO₂. Димер N₂O₄ - легко испаряющаяся жидкость, кипящая при комнатной температуре (21^оС). Энергия связи N-N (57,3 кДж/моль) мала, так что уже при этой температуре в тетраоксиде присутствует достаточное количество мономера (диоксида азота), который окрашивает жидкость в желто-бурый цвет (N₂O₄ бесцветен). Плотность паров вещества при комнатной температуре соответствует димеру, но быстро падает с повышением температуры, и при 140^оС плотность пара соответствует практически чистому мономеру. Константа равновесия для этой системы хорошо известна, как и ее зависимость от температуры. При комнатной температуре и давлении 1 атм. смесь примерно на две трети состоит из димера и на треть - из мономера (при этом давлении отклонение системы от поведения идеального газа составляет менее 1%).

При обычных температурах смесь димера и мономера представляет собой газ. Равновесие N₂O₄<--> 2NO₂ в газообразной смеси устанавливается чрезвычайно быстро, в течение нескольких микросекунд. И если подводить теплоту с этой системе, то будет происходить главным образом не ее нагрев, а диссоциация связи N-N в димере, то есть сдвиг равновесия вправо. Это можно показать на таком примере. Если быстро сжать вдвое воздух, его температура, в соответствии с уравнением адиабаты повысится от Т₁ = 25^оС до Т₂ = 120^оС! Для многоатомных газов повышение температуры будет слабее, трехатомный газ нагреется до 94^оС. Однако в случае равновесной системы N₂O₄<--> 2NO₂ любое повышение температуры неизбежно вызовет сдвиг равновесия вправо, в сторону диссоциации димера. При этом основная энергия будет идти на разрыв связи N-N и лишь небольшая ее доля - на нагрев смеси. Какой-то нагрев, конечно, неизбежен, без него невозможна диссоциация связи!

Численное решение дифференциального уравнения для адиабатического сжатия смеси N₂O₄ и NO₂ при начальной температуре 25^оС дает следующий график (I.A.Leenson. J. Chem. Educat., 2000, vol. 77, N 12).

Из него видно, что быстрое уменьшение объема в два раза приводит к нагреву смеси всего на 13^оС. И даже сжатие втрое приведет к дальнейшему повышению температуры всего на 6^оС, хотя воздух при таком сжатии нагрелся бы до 189^оС.

Итак, смесь оксидов азота, нагревшись весьма незначительно, поглотила тепловую энергию. Здесь возникает проблема: чтобы вернуть систему в исходное состояние, требуется снова сдвинуть равновесие влево. Для этого ее нужно охладить. Но реакция димеризации идет с выделением той самой энергии, которая была поглощена ранее. То есть охладить газовую смесь не так-то просто: она этому активно "сопротивляется". Точно так же сопротивляется охлаждению вода при температуре около 0^оС, поскольку при ее замерзании выделяется теплота.

Что можно предпринять для сдвига равновесия в смеси оксидов азота? Очевидно, нужен достаточно длинный змеевик с большой поверхностью, выведенный за пределы тепловыделяющей системы и охлаждаемый водой или воздухом. Что же дает такая система с оксидами азота? Каковы ее преимущества перед таким стандартным теплоносителем, как вода? Судя по Химической энциклопедии, в качестве теплоносителей используют водяной пар, а также высококипящие жидкости и легкоплавкие твердые вещества: диэфиры азелаиновой кислоты, силиконовые и минеральные масла, дифениловый эфир в смеси с дифенилом, п-терфенил, сплав калия с натрием (температура плавления 7^оС) или жидкий литий (теплоносители в ядерных реакторах; перспективным считается и использование рубидия), расплавы солей и др. Но в качестве охлаждающих сред применяют почти исключительно воду и атмосферный воздух. Преимущество оксидов азота в том, что при сравнительно малой массе эта смесь может забрать много тепловой энергии и почти не нагреется. К существенному недостатку следует отнести ее токсичность и коррозионность (оксиды азота реагируют даже с медью). Тем не менее есть сведения о применении этой системы в качестве теплоносителя в ядерных реакторах.

Электрохимический поглотитель энергии

А если надо отводить не тепловую энергию, а электрическую? Конечно, с помощью активного сопротивления электрическую энергию можно со 100%-ной эффективностью превратить в тепловую и таким образом свести задачу к предыдущей - как в известной задаче про чайник, плиту и спички. Заметим также, что термодинамика позволяет очень эффективно превращать разные виды энергии в тепловую, а вот обратный процесс... Что еще можно предложить? Попробуем тот же прием - разрыв химических связей. Как мы помним, 1 л воды, нагретый от 20^оС и полностью испаренный при температуре кипения, "уносит" 2600 кДж. А если эту воду разложить электролизом на водород и кислород? Конечно, для повышения электропроводности в воду придется добавить электролит, например щелочь или нейтральную соль - сульфат натрия и т. п.

И вот на катоде идет реакция 2Н₂О + 2е^- = Н₂ + 2ОН^-, а на аноде - реакция 2Н₂О - 4е^- = О₂ + 4Н⁺, суммарная реакция разложения воды: 2Н₂О = 2Н₂ + О₂. Из электродных реакций следует, что для разложения шести молей (108 г) воды требуется 4F электронов, где F - постоянная Фарадея, равная примерно 96500 Кл/моль. Итак, для разложения 1 литра воды потребуется 96500^.4/0,108 = 3,57^.10⁶ Кл. Какую энергию придется затратить? Это зависит от напряжения на электродах: энергия E = UIt = UQ (U - напряжение, I - ток, t - время, Q - заряд). Пусть U = 10 В, тогда на электролиз 1 л воды потребуется 3,57.10⁷ Дж = 35700 кДж - почти в 15 раз больше, чем на нагрев и испарение воды, и в 100 раз больше, чем на ее нагрев до кипения. Нужно только позаботиться, чтобы в ходе электролиза раствор сильно не нагревался. Для этого нужно по возможности снизить плотность тока, то есть взять электроды большой площади, а расстояние между ними уменьшить, чтобы снизить сопротивление раствора и тепловыделение в нем. Таким образом, разложение воды электролизом - процесс в смысле поглощения энергии намного более эффективный, нежели ее испарение.

Статья написана в соавторстве.

Соавтор - И.Ильин

Авторы благодарят Д.Бергельсона за постановку задачи.

Комментарии: 2, последний от 06/12/2022. © Copyright Ашкинази Леонид Александрович (leonid2047@gmail.com) Размещен: 07/04/2011, изменен: 07/04/2011. 20k. Статистика. Статья: Техника Иллюстрации/приложения: 3 шт.	Ваша оценка:

Ашкинази Леонид Александрович Обратная задача энергетики

Ашкинази Леонид Александрович
Обратная задача энергетики