http://www.eprussia.ru/epr/102/7826.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 10 (102) май 2008 года

КПД термодинамического цикла можно повысить

Производство для энергетики Беседовал Евгений ХРУСТАЛЕВ

В основном проблема повышения КПД в энергетике решается, что называется, «в лоб» – путем повышения температуры рабочего тела. Однако есть и другие способы повышения КПД термодинамического цикла тепловой машины. Какие? Об этом мы поговорим с инженером Андреем ПИЛИПЕНКО.

– Андрей, в последнее время появляется информация об успехах различных исследовательских команд в области магнитокалорического и электрокалорического эффекта…

– Да, действительно, имеются, например, сообщения о том, что порошки соединений гадолиния под воздействием внешнего магнитного поля разогреваются на 12 градусов, а при снятии его – охлаждаются на эту же величину.

Исследователи уверяют, что приблизительно такого же теплового эффекта можно достичь и воздействием относительно небольшого по напряженности внешнего электрического поля на пленки некоторых веществ.

Не вызывает сомнений, что наиболее подходящие вещества, с максимальным магнит - или электрокалорическим эффектом, могут использоваться в виде мелкодисперсных механических растворов; жидкость при этом будет выступать простым механическим носителем для порошка.

– Каким образом это можно использовать?

– Любые жидкости, как носители механических растворов, позволяют использовать порошки в теплообменниках и рекуператорах. Их легко вводить в зоны воздействия внешних электрических полей и так же легко выводить из‑под их воздействия.

Кроме того, даже обычные жидкие растворы имеют кристаллоподобную структуру (при растворении происходит сольватация молекул или ионов растворяемого вещества и т. д.).

Это означает, что есть перспективы использования в энергетике тепловых эффектов, возникающих под воздействием внешних полей на обычные и коллоидные растворы.

Внешние электрические поля призваны упорядочить молекулярную и квантовую структуру растворов; тем самым – уменьшить хаотичность в растворе, а значит – уменьшить энтропию.

Следовательно, при воздействии внешнего поля на раствор он должен нагреваться, при снятии такого воздействия раствор будет терять упорядоченность и остывать, его энтропия будет возрастать.

– Мне кажется, без наглядного примера читателю будет трудно понять, о чем идет речь…

– Для примера можно предложить очевидную простейшую схему рекуперации на основе электрокалорического эффекта. В замкнутом контуре циркулирует механический раствор вещества, способного к сильному электрокалорическому эффекту. В контуре осуществляется циркуляция раствора между верхним и нижним температурными уровнями. Эти два контура, обхватывающие поток раствора, формируют электрическое поле, воздействующее на порошок упомянутого вещества. Горячий раствор подают между контурами, где под воздействием электрического поля происходит изменение его термодинамического состояния, в результате чего раствор нагревается, выделившееся высокотемпературное тепло отводится по назначению, например передается в нагреватель тепловой машины. После того как температура раствора несколько уменьшится в результате теплоотдачи, его подают в теплообменник, при этом воздействие внешнего поля на раствор не прекращается. После того как температура раствора в теплообменнике понизится до температуры, близкой к температуре нижнего температурного уровня, раствор выводят из‑под воздействия внешнего поля, в результате чего происходит возвращение к нормальному термодинамическому состоянию. Температура раствора понижается, и в результате к холодному раствору можно подвести низкотемпературное тепло. Это низкотемпературное тепло может отводиться от холодильника тепловой машины или изыматься от внешнего источника низкотемпературного тепла. Затем низкотемпературный раствор подают в теплообменник, где происходит его нагревание до температуры, близкой к температуре верхнего температурного уровня.

Обратите внимание: эффективность такого теплового насоса необычайно высока и не определяется пределом Карно.

– Таким образом, растворы могут служить рабочим телом для тепловых машин?

– Как это объяснить? Для начала, возьмем некое растворимое вещество и некий растворитель. Пусть это вещество растворяется в упомянутом растворителе с поглощением тепла, и соответственно его растворимость растет с ростом температуры. Будем полагать, для простоты, что суммарный объем вещества в процессе растворения остается неизменным и теплоемкость раствора равна теплоемкости исходных растворителя и растворимого вещества. Нас будут интересовать насыщенные растворы, то есть такие, в которых растворение данного вещества при фиксированной температуре уже невозможно. Особо акцентируем внимание на том факте, что насыщенный раствор – это система, находящаяся в динамическом равновесии, т. е. постоянно часть молекул раствора переходит в исходное нерастворенное вещество и в это же время равная часть вещества растворяется.

Процесс растворения во многом подобен процессу фазового перехода, такому, как испарение воды, однако имеет ряд особенностей.

– Каких?

– Движущей силой растворения, равно как и испарения, принято считать различие в энергии Гиббса вещества в конкретных фазах. Если жидкость интенсивно кипит или вещество интенсивно растворяется, раствор не насыщен – имеется разница между энергией пара и энергией воды. Для раствора это будет разница между энергией раствора и энергией растворимого вещества.

Теперь присмотримся к растворам пристальнее. Если поместить растворимое вещество в растворитель, то изначально никакого раствора существовать не будет – следовательно, не будет существовать и никакого осмотического давления для данного раствора. Затем в процессе растворения будет формироваться раствор все большей и большей концентрации, соответственно будет возрастать осмотическое давление в растворе. Поскольку в нашем случае растворение будет сопровождаться поглощением тепла из окружающей среды в изотермическом режиме, то из общепринятых соображений можно говорить о том, что энтропия системы, состоящей из растворимого и растворителя, возрастает, так как тепло к раствору подводится.

После достижения насыщения величина осмотического давления раствора будет максимальной. При таком растворении никакая внешняя работа системой совершена не будет, ибо объем системы, состоящей из растворимого и растворителя, остался неизменным.

В насыщенном растворе некая микромасса растворяемого вещества на границе раздела «вещество–раствор» имеет равную вероятность оказаться в состоянии мицеллы и в общей массе растворяемого вещества за границей раздела – поскольку состояние насыщенного раствора есть состояние динамического равновесия.

Машины на основе осмотических технологий не будут компактными и легкими, потребуется большая площадь мембран, хотя мембраны следует укладывать как можно более компактно.

Есть все основания полагать, что тандем из осмотической машины и теплового насоса способен создать двигатель с предельным идеальным КПД почти в 100 процентов. Появляется теоретическая возможность построить двигатель, не нуждающийся в высокотемпературном источнике тепла и низкотемпературном холодильнике. Это будет качественно новым явлением в энергетике.

Отправить на Email

Также читайте в номере № 10 (102) май 2008 года:

  • США: В продажу поступили машины по производству биотоплива

    Компания E-Fuel Corp. (США) начала продажи установок по производству биотоплива в домашних условиях. Их цена составляет 10 000 долларов США. Установка сильно похожа на автоматы по продаже газированных напитков, она представляет собой ящик, который необходимо подсоединить к водопроводу и электрической розетке, а также периодически подсыпать сахар. Мощность данного устройства составляет 132 литра биоэтанола в неделю, или 19 литров...

  • Саудовская Аравия: США помогут с ядерной энергетикой

    Администрация Джорджа Буша объявила о том, что США помогут Саудовской Аравии в развитии гражданской ядерной энергетики. «США окажут содействие королевству Саудовская Аравия в развитии гражданской ядерной энергетики для использования в медицине, промышленности и выработке электроэнергии», – говорится в заявлении Белого дома, распространенном в Вашингтоне к визиту президента Дж. Буша в Саудовскую Аравию. Сообщается что в ходе визи...

  • Исландия интересуется геотермальным потенциалом Камчатки

    Камчатку в мае посетила группа специалистов из Исландии для ознакомления с перспективами развития геотермальной энергетики на полуострове. Об этом сообщил министр природных ресурсов Камчатского края Юрий Гаращенко. В планах исландских специалистов изучение потенциала недр с целью более полного использования для энергоснабжения геотермальных ресурсов юга Камчатки. Второе перспективное направление – использование вод Верхне-Парат...

  • Теплоснабжение без проблем: столичный опыт

    Подводя итоги почти двухсот дней столичного отопительного сезона 2007‑2008 годов, глава ОАО «Московская объединенная энергетическая компания» (МОЭК) Александр Ремезов отметил, что зима была мягкой, потребители стабильно получали отопление и горячую воду согласно всем нормативам, аварийных ситуаций не было, а количество повреждений на тепловых сетях снизилось по сравнению с прошлым отопительным периодом на 30 процентов. К традицио...

  • Министерству энергетики – быть!

    Одним из первых решений кабинета Владимира Путина стало разделение Минпромэнерго и создание отдельного Министерства энергетики, которому предстоит стать преемником и прежнего Минпромэнерго, и РАО «ЕЭС России». Этот шаг не стал стопроцентной неожиданностью, его возможность активно обсуждалась последние полтора-два года. Сложности, связанные с управлением Министерством промышленности и энергетики и с рациональностью его структуры, давно ...