16+
Регистрация
РУС ENG
http://www.eprussia.ru/epr/227/15251.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 15-16 (227-228) август 2013 года

Будущее энергетики: имплозия или эксплозия?

Наука и новые технологии Герман ТРЕЩАЛОВ 4264

Ранее автором была опубликована серия статей с описанием и обоснованием особого гидродинамического эффекта, возникающего в безнапорном потоке жидкости при ускорении потока. Этот эффект был назван в некоторых источниках «эффектом Трещалова», по имени исследователя, первым проанализировавшего это физическое явление.

Впоследствии некоторые статьи были приняты к публикации многими изданиями (см., например, «Повышение эффективности свободнопоточных гидравлических турбин», «ЭПР» № 8 (220), в том числе и входящими в перечень Высшей аттестационной комиссии РАН.

Для лучшего понимания сути эффекта автор предлагает ознакомиться непосредственно с первоисточником – статьей «Высокоэффективный способ извлечения энергии из безнапорного потока текущей жидкости на основе специфического гидродинамического эффекта».

А в настоящей статье этот гидродинамический эффект рассматривается с несколько иного ракурса и проводится корреляция его с некоторыми термодинамическими явлениями, предварительный анализ которых также ранее был опубликован автором в ряде изданий.



Свободнопоточная гидротурбина

В свое время талантливый австрийский ученый Виктор Шаубергер ввел в физику некое понятие – «имплозия» (возможно, это понятие было введено до Шаубергера, но именно он популяризовал его, и в настоящее время термин «имплозия» однозначно ассоциируется с именем этого, без сомнения, талантливого и выдающегося ученого).

Чтобы лучше понять его смысл, нужно сопоставить его с противоположным по значению термином – «эксплозия». Термин «эксплозия» означает взрыв, расширение, повышение. А имплозия – это процесс обратный эксплозии и означает сокращение, уменьшение, направленный внутрь взрыв, разрежение.

Поясним, какое отношение эти понятия имеют к гидродинамическому эффекту.

Напомним, что закономерности этого эффекта были выведены для безнапорного потока жидкости. Его применение позволяет получать энергию с помощью свободнопоточных гидротурбин.

Одним из возможных вариантов такой свободнопоточной гидротурбины, использующей гидродинамический эффект усиления мощности потока и баланс энергии на входе и выходе, может быть турбина, изображенная на рисунке.

Отличительной особенностью эффекта является то, что его энергетическая диаграмма имеет экстремум (максимальное или минимальное значение) по всем параметрам входящего и выходящего потоков.

Следуя определению эксплозии и имплозии, данному выше, можно предположить, что в случае получения энергии из водного потока используется не эксплозия – повышение напора входящего потока, которое достигается либо строительством плотины, либо деривацией, а имплозия – понижение уровня выходящего потока. Это достигается увеличением его скорости, а на это требуется энергия. Необходимая энергия частично забирается из входящего потока и, благодаря понижению уровня выходящего потока (собственно – имплозии), из входящего потока высвобождается больше энергии, чем было затрачено.

Но вот тут у имплозии есть ограничение, которое не всем сразу понятно.

Во-первых, глубина выходящего потока не может быть равной нулю, а во‑вторых, есть критические параметры, при которых она (имплозия) вообще возможна.

Термин имплозия (равно, как и эксплозия), разумеется, применим к любым энергетическим процессам.

Что здесь важно отметить.

Теоретически энергетический баланс эксплозии ничем не ограничен – ведь теоретически можно неограниченно повышать давление, температуру, напряжение, напор и т. п.

Имплозия же уже сама по себе ограничена снизу нулем, то есть при нуле давления, нуле температуры, напора, скорости и т. п. никакие энергетические процессы сами по себе невозможны. Но кроме того имплозия имеет точку экстремума и при достаточно малых отклонениях от оптимальных параметров она заметно уменьшается. И поскольку сама по себе имплозия по сравнению с эксплозией может дать значительно меньший выход энергии, то любое отклонение от оптимума уменьшает выход полезной энергии настолько, что делает его соизмеримым с потерями и практически бесполезным.

Казалось бы, если энергетический выход имплозии достаточно мал, то для чего и при каких условиях ее можно использовать?

Давайте проведем сравнение эксплозии и имплозии.



Что эффективнее?

Для примера рассмотрим получение энергии из разницы давлений газов.

Как известно, нормальное атмосферное давление равно одной атмосфере. Для получения энергии при помощи эксплозии необходимо превысить это давление, что и делается в большинстве энергетических машин, например в паровых турбинах.

Теоретически давление можно превысить неограниченно. В паровых турбинах, например, оно достигает порядка 70 атмосфер (так называемый «острый пар»).

Так что градиент давлений для получения энергии в этом случае составляет 70 атм – 1 атм = 69 атм.

При имплозии максимально теоретически понизить давление можно только до нуля (до абсолютного вакуума). Повторим – только теоретически. То есть в этом случае максимальный градиент давлений при имплозии не может превысить 1 атм – 0 атм = 1 атм.

Однако, как показано ранее, такой градиент явно не попадает в «имплозийный экстремум», то есть в оптимальный режим имплозии. Поэтому при оптимуме этот градиент будет еще меньше.

В нашем случае с потоком воды, при начальной глубине входного потока, равной 1 метру, и скорости, равной 1 м / с, оптимум по скорости выходного потока возникает при скорости, равной 2,14 м / с.

Следовательно, по закону неразрывности потока, глубина выходящего потока при этом будет равна 0,47 метра и, следовательно, градиент давлений (в данном случае – напор) составит 1 м – 0,47 м = 0,53 м. Здесь необходимо отметить, что традиционные напорные ГЭС, получающие энергию, при помощи эксплозии имеют рабочие напоры в десятки и сотни метров.

Сделанное энергетическое сравнение показало, что имплозия по энергетическому балансу сильно проигрывает эксплозии.

Однако в ее пользу есть очень важный и, вероятно, решающий аргумент, который в настоящее время, в связи с истощением запасов ископаемого топлива, приобретает все большую актуальность.

Аргумент такой – использование имплозии для получения энергии из низкопотенциальных источников энергии.

Рассмотрим этот вариант.



Низко­потенциальные источники

Получение энергии из низкопотенциальных источников при помощи эксплозии крайне неэффективно, поскольку, если так можно сказать, «эксплозийный потенциал» у них весьма мал (собственно, поэтому они и названы низкопотенциальными). Примером таких источников являются низкоскоростные водные потоки скоростью до 2 м / с, воздушные потоки (ветер) малой скорости и т. п.

Так вот. Использование имплозии позволяет получать энергию из таких источников значительно эффективнее, чем с использованием эксплозии.

Для примера, водный поток скоростью течения 1 м / с, глубиной 1 метр и шириной 1 метр может дать в лучшем случае не более 100‑200 Вт, поскольку максимум, что можно от него получить, – это только часть (не более 30 процентов) кинетической энергии этого потока (если не нравится здесь сравнение мощности и энергии, то можно заменить термин «кинетической энергии» на более корявый термин «кинетической мощности»).

Применение же имплозии для того же потока позволяет получить из него более 3 кВт.

Причем при увеличении глубины потока эта цифра увеличивается нелинейно. То есть, увеличив глубину потока до двух метров, мы в первом случае (эксплозией) сможем получить 200‑400 Вт, а во втором случае (имплозией) – порядка 18 кВт.

Конечно, эта цифра все равно не может сравниться с гигаваттами мощностей эксплозийных источников энергии – ТЭС, ГЭС, АЭС, созданных человеком. Однако на планете имеется на порядки большее количество возможных источников низкопотенциальной энергии, чем создано эксплозийных мощностей за всю историю человечества.

И если их использовать имплозийным методом, то они значительно перекроют все эксплозийные мощности.



Проблемы использования

Одной из причин, почему в настоящее время при выработке энергии преобладает применение эксплозийных методов, является, как мы выяснили, значительно больший энергетический выход эксплозии по сравнению с имплозией. Однако есть и другая, не менее важная причина.

Имплозию просто не умеют использовать!

Как было показано, оптимальный режим имплозии имеет достаточно узкий диапазон и без точных расчетов в него очень трудно попасть. А поскольку до настоящего времени таких расчетов не существовало, то это делалось только «методом тыка», наугад, и опыт показывает, что в большинстве случаев это делалось безуспешно.

В редких исключениях отдельным исследователям удавалось попасть в нужный режим, но успешно повторить эти эксперименты удавалось далеко не всегда, так как трудно было понять, какие факторы влияют на процесс удержания режима в оптимальной точке.

Саморегулирующиеся системы с обратной связью – например, такие, как свободнопоточная турбина, – позволяют частично решить эту проблему. Но даже для таких систем нужно обеспечить, во‑первых, необходимые входные параметры энергоносителя, поскольку режим имплозии возможен не при любых условиях.

Для низкопотенциальных источников энергии этот фактор в какой‑то мере реализуется сам собой. Имплозия может реализоваться только в низкоскоростных потоках – до 2 м / с. А при увеличении кинетичности потока – увеличении его скорости, то есть когда поток становится уже более высокопотенциальным, – самоподдерживающийся режим имплозии невозможен в принципе. Разделяющей точкой при глубине потока 1 метр является скорость 3,13 м / с. При такой скорости поток глубиной в один метр находится в критическом состоянии и имеет минимальную удельную энергию. Поэтому в потоках с большей скоростью течения возможно уже только использование эксплозии.

Другим параметром, влияющим на возможность использования имплозии, является напор входящего потока – причем чем он выше, тем режим имплозии более устойчив и дает больший энергетический баланс.

Вторым важным фактором, влияющим на возможность имплозии, является необходимость организовать и максимально оптимизировать обратные связи в подобных системах. Техническая реализация таких обратных связей требует некоторой фантазии и инженерной смекалки для того, чтобы система могла автоматически выходить на нужный режим и удерживаться в нем.

Наши исследования позволили вывести точную формулу для определения такого оптимального режима и условий его поддержания. Пока это сделано только для гидродинамики, но вполне вероятно, что так же могут быть рассмотрены многие явления, которые пока еще не получили удовлетворительного объяснения с точки зрения физики. В частности – эффект Ранка (разделение газа или жидкости при закручивании в цилиндрической камере на две фракции), эффект Мпембы (парадокс, гласящий, что при некоторых условиях горячая вода может замерзнуть быстрее, чем холодная), шаровая молния, торнадо, а также возможный принцип работы гипотетического «демона Максвелла». И возможно, в ближайшем будущем кому‑то из исследователей и экспериментаторов удастся вывести аналогичные формулы для термодинамики и других разделов физики.

СРО, АЭС, Мощность, Напряжение , Топливо, Турбины, ТЭС , Энергия , Кабельная арматура, Провод