На хвосте цикла карно.
Как мы знаем на отечественной планете идет глобальное потепление с мало и не хорошо предсказуемыми последствиями. Кто-то предлагает ослабить его посредством химических реагентов (к примеру, за счет введения двуокиси серы в воздух) либо утилизации парниковых газов из воздуха. Нетрудно додуматься, чем угрожают предложенные способы, первый непременно позовёт уже забытые кислотные дожди, второй так энергозатратен, что ведет к обратному эффекту.
Имеется второй путь, рекуперировать (не в полной мере успешный термин, но за неимением лучшего) либо попросту обратить избыток тепловой энергии в воздухе в механическую либо электрическую энергию, нужную человеку, с учетом ограничений накладываемых вторым началом термодинамики. К сожалению, этот путь отвергается большинством физиков как неразрешимый, по всей видимости потому, что по сей день не создан метод таковой рекуперации, соответственно, по всей видимости и не вероятен.
Соответственно с их точки зрения попытки отыскать таковой метод бесперспективны. Мне думается, что один из вероятных способов ответа данной задачи мне удалось отыскать. Так как, я не хорошо могу высказывать личные мысли (дислексия), но наряду с этим прекрасно могу решать задачи по естественным наукам, то предстоящее изложение статьи буду вести как ответ стандартной задачи:
Дано: Тропосфера планеты Земля с ее глобальными и локальными чертями.
Отыскать: метод рекуперации тепла из тропосферы в механическую либо электрическую энергию, хотя бы локально.
Особенные ограничения: метод должен быть экономически действенным и экологически чистым.
Ответ:
Для начала направляться разобраться, что такое тропосфера с позиций термодинамики: распределение функции температуры, удельного объёма и давления по высоте тропосферы является видомполитропы, не подчиняющееся законам совершенного газа, благодаря наличия больших весов пара и углекислого газа, мешающих свободному выходу инфракрасного излучения за пределы воздуха. Соответственно имеется возможность получения термодинамического неравновесия, в случае если создать условия для перемещения воздушной массы в соответствии с законами совершенного газа.
Предположим, что такие условия созданы в виде изолированного от внешнего излучения канала, связывающей нижний слой воздуха с более высоким. Разумеется, что состояние воздушной среды в канале будет подчиняться законам и первому началу термодинамики совершенного газа (в виде близкого к адиабатному сжатию). Соответственно мы можем применить уравнение первого начала термодинамики для потока вещества:
dq=du+d(pv)+deкинет+dепотен+dlтехн
Проинтегрировав и распределив, для более эргономичного восприятия приобретаем:
h1+gz1+v12 /2= h2+gz2+v22 /2+q+lтех + lтрен
где:
h – энтальпия; gz – потенциальная энергия; v2 /2 – кинетическая энергия;
q – выделяющаяся теплота; lтех — нужная работа; lтрен – работа сил трения
Дабы за что-то «зацепиться», преобразуем и подставим в него значения соответствующих значений из Интернациональной стандартной воздуха для высот ноль (давление 101325 Па, плотность 1.225 кг/м3, температура 288,2 К) и тысяча (давление 89875 Па, плотность 1.1123 кг/м3, температура 281.6 К) метров над уровнем моря, пренебрегая в уравнении малозначимыми параметрами (v1 =0; lтрен =0; lтех =0), возьмём, что в канале обязан образовываться нисходящий воздушный поток со скоростью около сорока метров/с. В случае если учитывать lтех как функцию от скорости потока с ориентировочным КПД в 50%, то скорость потока будет равна примерно 32 м/с, а мощность порядка 10.5 кВт/м2 сечения канала.
На первый взгляд задачка решена, поскольку итог не очень противоречит второму началу термодинамики (работу на сжатие делает гравитация) и «воздушные ямы» тому подтверждение, определяя давление внизу канала нетрудно подметить, что оно меньше давления тропосферы на таком же уровне. Другими словами, перемещение будет отсутствовать. Либо по-второму говоря, работа силы тяжести на сжатие недостаточна для установления для того чтобы потока.
Возможно ли расширить работу силы тяжести? Разумеется, нет.
Но имеется второй путь, используемый в большинстве случаев в компрессорах, где для понижения затрат работы на сжатие используется активное либо пассивное теплоотводение от территории сжатия. Это ведет к понижению затрат работы на сжатие, при котором, охлаждение сжимаемого газа ведет к совершению им самим дополнительной работы, или иначе говоря приближает кривую сжатия к изотермическому процессу. К сожалению, этот путь технически непригоден, поскольку создать радиатор на таковой высоте и требуемых черт фактически неосуществим, а соответственно и весьма затратен.
Мое ответ до забавного легко, а само ответ вызывает у меня в душе неоднозначные эмоции. С одной стороны льстит, что никто ранее не додумался (по патентным базам подобного ответа я не отыскал).
На мой взор этому имеется две главные обстоятельства: 1. в диаграмме «влагосодержание-энтальпия» возможно ввести задача и плотность была бы упрощена; 2. формулы определения работы на сжатие при политропных процессах всецело определяют работу с учетом передачи тепла, что существенно затрудняет расчеты (к примеру: в случае если из формулы при политропном сжатии извлечь к примеру конечное давление и постараться выяснить его зная затраченную работу, то итог будет значительно ниже настоящего). С другой появляется вопрос: из-за чего никто ранее не додумался, поскольку для проверки догадки мне всего лишь пригодились совсем простые вещи: труба из теплоизолирующего материала (картона) долгой с дюжина метров, маленькое ветроколесо от детской игрушки, соответствующие погодные условия и еще кое-что, такое же дешёвое. В принципе любой читатель сможет повторить мои испытания, само собой разумеется, какого-либо промышленного применения он взять не сможет, но на то он и опыт.
На мой взор, этому имеется две главные обстоятельства: 1. в диаграмме «влагосодержание-энтальпия» возможно ввести задача и плотность была бы упрощена; 2. формулы определения работы на сжатие при политропных процессах всецело определяют работу с учетом передачи тепла, что существенно затрудняет расчеты (к примеру: в случае если из формулы при политропном сжатии извлечь конечное давление и постараться выяснить его, зная затраченную работу, то итог будет значительно ниже настоящего).
Итак, фактически ответ. Как я уже обрисовано ранее, для ответа поставленной задачи возможно использование не только глобальных, но и локальных черт тропосферы. К примеру, заберём континентальный климат пустыни Сахара. Площадь ее образовывает семь миллионов квадратных километров, среднегодовые температуры в среднем двадцать четыре градуса Цельсия, фактически безоблачно и соответственно отсутствие осадков, непригодны для использования на практике и малозаселены.
Помимо этого, направляться отметить крайне важную подробность для предстоящего ответа: низкая относительная влажность, редко превышающая пятнадцать процентов.
Итак: представим себе, что в канал, у его вершины, подается капельная вода либо попросту стоит распылитель (разбрызгиватель) воды. Воздушное пространство соответственно отдает часть собственной тепловой энергии в теплоту парообразования и делается холоднее, соответственно растет его плотность и он начинает падать вниз по каналу, где получает дополнительную тепловую энергию, за счет работы силы тяжести.
Причем эта бесплатная энергия кроме этого полностью переходит в теплоту парообразования, и температура растет малозначительно, т.е. так же как в компрессоре. Результатом чего делается большая отличие столбов давления воздуха между каналом и естественной средой.
Критики смогут возразить:
1. затраты на подъём и доставку воды велики! Что бы поднять один килограмм воды на высоту кроме того двух тысяч метров нужно затратить двадцать килоджоулей энергии. Данный же килограмм воды для парообразования отберет от воздуха ориентировочно порядка двух мегаджоулей тепла;
2. Где забрать столько воды в пустыне? Парадокс в том, что уровень качества воды как такового принципиального значения грубо говоря не имеет. Годится фактически каждая: дистиллированная, пресная, соленая (соленой необходимо больше, дабы избежать кристаллообразования), кроме того крепкий рассол.
Количество же ее не так громадно, дабы стать проблемой!
3. Разработка достаточно дорогая. При элементарном расчете цены строительства выходит, что ввод одной единицы мощности энергии будет приблизительно равен подобному для тепловой электростанции и практически в десять раз меньше, чем для ядерных и тем более для «экологически чистых» источников энергии.
4. Большая высота сооружения. По-моему, архитектор Останкинской телебашни Н. В. Никитин, в собственной деятельности проектировал сооружение высотой с Фудзияму, т.е. практически четыре километра, а было это лет сорок назад!
5. Раз образуется пар, значит, растет количество воздуха. См.п 1.
6. Ночью будет спад мощности. С таким аргументом соглашусь, но способов аккумулирования энергии значительно больше, тем более таковой недорогой.
Последовательность и потом возможно продолжать вечно. Но читателя скорее интересует конечный итог. Что в следствии: в случае если лишь в пустыне Сахара преобразовывать только один процент от солнечного тепла, которую она приобретает, то лишь она способна на 85 (девяносто) процентов удовлетворить текущие потребности человечества в энергии всех типов (порядка одиннадцати тераватт).
Экологические последствия: не очень приятно выступать в качестве «заклинателя дождя», но при первом приближении при массового применения случится некое сглаживание отличия дневных и ночных температур, помимо этого, рост влажности воздуха приведет к повышению выпадения количества осадков в регионе и вероятно обратит рост пустыни. А это новые сельскохозяйственные территории и т.д. и т.п.
Я не стал приводить методику расчетов, она неинтересна, тем более, что обывателя интересует конечный итог, а человек науки сам в состоянии проверить и просчитать. Приведу только ориентировочную диаграмму в координатах давление «Р» — количество «V».
Рис. 1. Продемонстрирован цикл работы автомобили в координатах Давление (Р) — Количество(V); (Кривая а – политропа атмосферы по высоте, точка 1 – состояние воздуха на высоте впрыска воды, кривая 1-2 – изобарное сжатие благодаря парообразования, кривая 2-3 – конечное политропное сжатие воздуха в канале, кривая 3-4 выход воздуха из канала, точка 4 естественное состояние воздуха внизу канала.
Ориентировочный теоретический КПД вычисленный для температуры воздуха на уровне нижней границы канала в 24 градуса Цельсия, влажности в 15% и высоты канала в 1000 м, будет равна примерно 23%, направляться подчернуть, что практический КПД будет в пять-шесть раз ниже. Что касается скорости воздуха в канале, то она составит порядка сотен км/ч. Диаграмму температура-энтропия не привожу, во-первых, ее грамотное построение проблематично кроме того для эксперта (изобарное сжатие носит изоэнтальпийный темперамент), а во-вторых, она малоинтересна читателю.
P.S.
Я пожалуй в первый раз в собственной жизни не знаю что делать? Во-первых, заказа на такую разработку я не от кого не получал. Что касается патентной заявки, то я ее, само собой разумеется, подал, но «вправе ли глаз потребовать платы за то что видит» из М.Аврелия.
Во-вторых, как требовалось в задаче: «отыскать глобальное ответ», как мне думается, я его сумел отыскать, но это уже совсем второе ответ…
25.08.2008г X Мазунов А.М.
