Техника - молодёжи 2006-12, страница 16
14 2006 №12 ТМ ИДЕИ НАШИХ ЧИТАТЕЛЕЙ ХИМИЯ РАСТВОРОВ-БОЛЬШОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ Современная энергетика — преимущественно тепловая, базирующаяся на невозобновляемых 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. Существующие 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-кот-ловых 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. Поясним кратко принцип работы такого цикла, так, чтобы это было Андрей ПЕЛИПЕНКО, инженер, Николай КОЛИСНИЧЕНКО, инженер 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- Прямой осмос - растворение, высокое осмотическое давление, высокая температура Магистраль подачи раствора Полость с раствором тг I I I I I I I I I I I I I I I I I » -fc Магистраль подачи растворимого вещества Подвод тепла I I I I I I I I I I I I I I ||iv Полость растворителем Гидротурбина или иной гидромотор Генератор Теплообменник на встречных потоках Магистраль растворителя Насос прокачки отвод Полость с растворителем 11 11111 11111 11111 11 11111 11111 11111 ' Полость с раствором тепла ■€Т с Обратный осмос - разделение раствора, низкое осмотическое давление, низкая температура |
