Опрос

Какие рубрики вам наиболее интересны?

View Results

Loading ... Loading ...

Наши партнеры

  • .

Последние комментарии

Химия растворов-большой энергетике.

Опубликовал Сергей 31 декабря 2010 в рубрике Наука.

Химия растворов-большой энергетикеСовременная энергетика — пре­имущественно тепловая, базирую­щаяся на не возобновляемых источ­никах, углеводородах и уране. Доля энергетики на возобновляемых ис­точниках невелика, и увеличение этой доли не предвидится по мно­гим причинам, которые мы не бу­дем рассматривать. Перспектив­ные термоядерные источники теп­ловой энергии всё ещё находятся в стадии разработки, и цена их бу­дет весьма высока.

Существующее системы преоб­разования тепловой энергии в электрическую основываются на пароводяных термодинамических циклах, коэффициент полезного действия которых находится в пре­делах 30% — для атомных и 52% для закритических угольных и 63% для комбинированных турбо-котловых циклов на природном газе.

Однако реальны многообещаю­щие способы серьезного повыше­ния КПД циклов преобразования энергии при снижении рабочих температур, и решающее слово тут принадлежит химии растворов и мембранным технологиям.

Особенность растворения кри­сталлических и прочих веществ в растворителях — относительно небольшие тепловые эффекты при наличии зачастую очень большого, зависящего от температуры рас­твора осмотического давления, оценить которое можно по закону Вант-Гоффа. При этом следует от­метить, что в процессе растворения величины тепловых эффектов на порядки меньше тепловых затрат, требуемых на испарение самого растворяемого вещества. Тепловые эффекты выделения растворяемых веществ из растворов те же, что и при растворении, но с обратным знаком. Таким образом, использо­вания осмотического давления в циклах генерации энергии оказы­вается намного более выгодным именно в силу незначительности потерь тепла, которое нужно сбро­сить в окружающую среду на низ­котемпературной части цикла, для того чтобы получить исходное рас­творимое вещество и растворитель из раствора.

Химия растворов-большой энергетике

Поясним кратко принцип работы такого цикла, так, чтобы это было совершенно понятно даже неспе­циалисту. Для иллюстрации возь­мем обычную поваренную соль NaCl. Для того чтобы испарить 1 моль её кристаллов, потребуется очень большое количество тепла, но растворяться в воде она будет с весьма низкими теплозатратами, вода разрывает связи в кристалле и суммарный тепловой эффект рас­творения весьма низок. Согласно закону Вант-Гоффа, осмотическое давление раствора будет таким, как если бы парообразная соль пребы­вала в пустом объёме эквивалент­ному объёму воды, в которой её растворили. Потребуются две селективные мембраны, которые будут пропускать воду, но не будут пропускать соль.

Итак, возьмем две ёмкости, свя­занные трубками, ёмкости разделе­ны мембранами. По одну сторону мембран находится соль в воде, по вторую чистая вода, отсеки с солью в ёмкостях связаны между собой трубками, отсеки с водой связаны трубками тоже. Никакого движе­ния не происходит, поскольку каж­дый из насыщенных растворов пы­тается затянуть воду на свою сторо­ну через мембрану с одинаковой силой (осмотические давления рав­ны) . Теперь поместим одну из ёмко­стей на лёд, а вторую нагреем. Об­наружим, что раствор и вода начнут перемещаться по собранному нами контуру, а соль постепенно переко­чует из ёмкости с высокой темпера­турой в ёмкость с низкой.

Происходит это потому, что ос­мотическое давление раствора при высокой температуре выше, чем при низкой, и из раствора в низко­температурной ёмкости сквозь мембрану будет выдавливаться вода, поскольку местное осмотиче­ское давление насыщенного раствора тут ниже. В результате обра­зуется поток раствора из высоко- температурной ёмкости в низкотемпературную. Остаётся только организовать подачу соли из низкотемпературной ёмкости в вы­сокотемпературную (или просто время от времени менять их роля­ми), включить в трубку с водой или раствором гидромотор, сами труб­ки, поместить во встречный тепло обменник, где вода будет нагре­ваться, а раствор остывать во встречном движении. Обращаем внимание читателей и на тот факт, что для работы такого цикла преоб­разования энергии не используется пар, а следовательно, не нужна до­рогая и сложная в изготовлении па­ровая турбина, достаточно гидро­мотора и/или гидротурбины.

Однако существует серьезная возможность существенно улуч­шить и эту схему. Всё дело в том, что разные вещества растворяют­ся с разными тепловыми эффекта­ми, причём зачастую создаваемые ими осмотические давления суще­ственно отличаются от теоретиче­ски предсказанных законом Вант- Гоффа. Существуют вещества, требующие для своего растворе­ния довольно больших затрат теп­ловой энергии и при этом создаю­щие меньшее осмотическое давле­ние, и вещества, растворяющиеся при малой теплоте, но создающие большее осмотическое давление.

Связано это с особенностями диссоциации веществ в конкретном растворителе. Либо при одном и том же тепловом эффекте раство­рения растворы могут создавать разные осмотические давления. Таким образом, если использовать пару таких веществ на одном рас­творителе и свести их в общий контур, то можно получить систе­му, преобразующую тепловую энергию в электрическую с ко­эффициентом полезного действия, превышающим 85%. Хотя ничто не мешает создать установ­ку и на раздельных контурах с разными растворителями, свя­занных между собой теплообменниками и передачей механиче­ской энергии.

Химия растворов-большой энергетике

Кратко поясним работу такой схемы. Итак, имеем два вещества с разными тепловыми эффектами и близкими осмотическими давле­ниями. Если соединить два таких раствора селективной мембраной, пропускающей только раствори­тель, то растворитель не будет пе­ремещаться между этими раство­рами. Теперь соединим две такие ёмкости с мембранами трубками так, что ёмкости с раствором одно­го типа будут связаны трубкой, а сами ёмкости будут находиться при разных температурах.

Никако­го движения растворителя не бу­дет, и нам придется задействовать насос. Но обратим внимание на то, что энергия, потребляемая насосом крайне мала по сравнению с тепло­вой энергией, которую сможет под­нять такой насос на высокий уро­вень. Дело в том, что насосу придется просто преодолеть сопротивление мембран, для чего нужен перепад давления в несколь­ко атмосфер. Т.е. отопительный коэффициент будет очень велик, а температурный перепад может составить до 100— 150°С или боль­ше. Такой перепад позволит орга­низовать термодинамический цикл с применением генерирующего ос­мотического контура, как это было сказано выше. Но ёмкости с рас­творами не обязательно должны соединяться друг с другом через од­ну мембрану. Их можно соединить и через две мембраны и трубки, проводящие растворитель, а это по­зволит разнести ёмкости по темпе­ратуре, как на верхнем темпера­турном уровне, так и на нижнем, чем компенсировать небольшие разницы в осмотических давлениях либо избавиться от дополнительно­го генерирующего контура, вклю­чив гидромотор непосредственно в контур.

Совершенно очевидно, что воз­можно большое разнообразие реа­лизации такого рода термодинами­ческих циклов. Все выгоды приме­нения этих циклов преобразования энергии на основе растворов также достаточно очевидны. Например, Франция, 80% энергетики которой обеспечивается ядерными электро­станциями, сможет практически удвоить свой энергетический по­тенциал без строительства новых электростанций просто за счёт уве­личения КПД термодинамических циклов.

Автор статьи: А.Пелипенко и Н. Колисниченко.

Читайте также:

РЕАКТИВНАЯ МЕТАЛЛИЗАЦИЯ.
ПОСМЕРТНЫЙ выдох ОГНЕДЫШАЩЕГО ДРАКОНА-2
Метеорология пиявки
Частный космос.


Написать комментарий

RSS

rss Подпишитесь на RSS для получения обновлений.