ОСМОТИЧЕСКИЕ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ
Если описанные в предыдущем параграфе системы можно рассматривать как вполне жизнеспособные энергетические преобразователи, то осмотические энергоустановки, рассматриваемые ниже, вероятно, никогда не выйдут за рамки чисто академического интереса. Тем не менее изучение таких систем является интересной научной задачей.
Осмос с точки зрения количественных показателей является удивительным явлением. Если два раствора с различной концентрацией солей разделены осмотической мембраной, проницаемой для растворителя, но не для растворенного вещества, может возникнуть поток растворителя из более слабого раствора в более концентрированный. Этот поток возникает, если давление в более концентрированной среде достаточно высокое.
14.6. Осмотические энергоутановки
Осмотическое давление можно измерить с помощью U-образной трубки с осмотической мембраной, расположенной в ее нижней части, как показано на рис. 14.10. В условиях равновесия, т. е. когда давление с двух сторон мембраны одинаково, столб концентрированного раствора оказывается выше, чем столб слабого раствора. Гидростатическое давление рассола в этом случае равно сумме гидростатического давления пресной воды и осмотического давления. Абсолютно неожиданной может показаться оценка значения осмотического давления.
Для концентрированного водного раствора NaCl, находящегося при комнатной температуре, максимальная разность высот двух столбов жидкости будет составлять 4000 м! Осмотическое давление для этого случая составляет 400 атм, или 40 МПа.
Осмотическое давление зависит от концентрации и температуры и как функция солености при двух различных значениях температуры воды показано на рис. 14.11.
Для рассмотрения работы осмотической энергоустановки представим столб воды с площадью основания А и глубиной h. Если плотность воды равна 8, то ее масса
М = Abd
и вес
W = gAbd,
где g — ускорение свободного падения. Тогда давление на основание
р = gbd.
Рассмотрим трубу, погруженную вертикально в море так, что ее вершина находится точно на поверхности воды, а дно закрыто осмотической пробкой. Пусть трубка заполнена пресной водой на высоту столба dF Пусть далее ps — давление морской воды (во внешней области) на глубине размещения осмотической пробки и Рр— давление пресной воды на том же уровне.
Давления ррШ осмотическое давление ра действуют в одном направлении, противоположном ps. В равновесии
Ps=Pf + Po-
Плотность пресной воды 1000 кг/м3, морской — 1025 кг/м3. Тогда
H)25g</V = НККДт/, — /;0,
откуда
dF = 1,025^-—^. (25)
F s 1000g
Осмотическое давление составляет 2.4 МПа. Принимая g = 10 м/с2, для условия равновесия получим
dh = 1.025c/s — 240. (26)
Полученное уравнение показывает, что вплоть до глубины ds, равной почти 240 м, dF< 0, т. е. осмотического давления достаточно, чтобы не допустить проникновение морской воды в трубу. Если же трубу опустить ниже, опресненная вода из соленого океана начнет через осмотическую пробку поступать в трубу. И когда, например, труба опустится на глубину 1000 м, столб пресной воды поднимется до высоты 785 м, не доходя до поверхности 215 м. При какой же глубине уровень воды в трубе достигнет уровня океана? Для этого случая
dF = ds=d = 1,025d — 240 , (27)
или
d= 9600 м. (28)
Если трубу опустить еще глубже, пресная вода начнет фонтаном изливаться из трубы над морской поверхностью, и энергию этого потока можно использовать для получения полезной энергии.
|
Рис. 14.13. Вариант конфигурации осмотической энергоустановки |
Возможная конструкция осмотической энергетической установки изображена на рис 14.13.
ЗАДАЧИ
14.1. Обратный осмос используется для опреснения морской воды. Зная, что осмотическое давление пресной воды по отношению к морской воде составляет
2,4 МПа, оцените, каковы минимальные энергозатраты для производства 1 м3 пресной воды.
Стоимость оборудования составляет 200 долл./кВт, стоимость электроэнергии — 50 долл. ДМВт • ч). Какова в этом случае стоимость 1 м3 пресной воды, если нет эксплуатационных расходов и если проценты по кредиту равны 20 % в год? Насколько реалистичен полученный результат? Обоснуйте причину недооценки стоимости.
14.2. Посмотрите на рисунок. Первоначально запирающий клапан закрыт и поршень находится на высоте 50 м. Давление воды в главном канале 3 • 105 Па. На какую высоту поднимется поршень, когда откроется клапан? Учтите, что осмотическое давление в системе вода — рассол составляет 2 МПа.
Рис. 14.14. К задаче 14.2
14.3. При 25 °С осмотическое давление NaCl (относительно пресной воды) описывается эмпирическим выражением:
р = 0,485 + 0,673о + 1,407 • 10-Зо2, где р — давление атмосферы; о — соленость, кг/м3.
Две трубки с размерами поперечного сечения А = 18,6 • 18,6 мм соединены через осмотическую перегородку. В одну камеру (А) системы налит водный раствор NaCl объемом 10 мл, содержащий 2 г соли. Первоначально в камере В жидкости нет. Для простоты примем, что объем раствора равен объему растворителя (воды).
Какой окажется высота столба соленой воды в камере А и высота столба пресной воды в камере В?
Сколько дистиллированной воды должно быть залито в камеру В при условии, что после установления равновесия столб пресной воды будет иметь высоту 5 см? Снова для простоты можно считать, что рассол любой концентрации имеет плотность дистиллированной воды.
14.4. Представьте, что Вы находитесь в океане и с некоторой платформы наблюдаете океанические волны. Пусть наблюдаемая средняя высота между вершиной и подошвой волны составляет 2,6 м, а волны следуют одна за другой с интервалом 8,2 с. На каком расстоянии одна от другой находятся волны? Предположите, что глубина воды намного больше, чем длина волны.
14.5. Приливы в океане вызываются действием как Луны, так и Солнца.
1. Величина какого прилива — солнечного или лунного — больше?
2. Рассчитайте гравитационное ускорение на Земле, вызванное Солнцем и Луной.
3. Если вы рассчитали правильно, то вы обнаружите, что гравитационное поле Солнца на Земле гораздо больше, чем лунное. Тогда можно сделать вывод, что приливы не пропорциональны гравитационным силам.
Какова природа явления, вызывающего приливы? Рассчитайте отношение лунного и солнечного воздействия.
14.6. Предположим, что орбиты Земли вокруг Солнца и Луны вокруг Земли круговые. Первая совершает свой оборот за 3,1558157 • 107 с, а последняя — за 2,36055 • Ю6 с, или за 27,32 дня.
Полнолуние наступает, когда Солнце, Земля и Луна находятся приблизительно на одной прямой.
Рассчитайте число дней между последовательными полными лунами.
14.7. Вследствие кавитации частота вращения конца лопасти ctip ротора турбины в системе, использующей энергию морского течения, не может превышать определенного значения ctip max, которое зависит помимо прочего от глубины. Покажите, что для постоянной частоты вращения конца лопасти вращающий момент Т пропорционален Pg/2, где Pg — генерируемая мощность.
[1] Реакция 235U + 0’« требует наличия тепловых нейтронов. Быстрые нейтроны, как отмечалось выше, не захватываются атомом урана. Таким образом, быстрые нейтроны нужно «затормаживать», пропуская их через специальный материал, тормозящий, но не абсорбирующий их. Примером таких замедлителей могут служить тяжелая вода и графит.
[2] Быстрые нейтроны могут абсорбироваться примесями в ядерном топливе или в замедлителе (тормозящем веществе). Чаще всего ядерное топливо
Прим. ред. Значительная часть данного пункта была сокращена, поскольку детальный анализ
экспериментов, не получивших независимого подтверждения, вряд ли заслуживает внимания
гателя.
[6] лет, скорее всего, ее собственнику придется задуматься о приобретении ► вой установки.
ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ
1.1. Предположим, что начиная с 1985 г. единственными первичными источни — евми энергии являются:
1) уголь (прямое сжигание);
2) нефть;
3» природный газ;
4( жидкое синтетическое топливо (из угля).
ь источники 1, 2 и 4 подчиняются следующему закону продвижения на жж:
О Если в качестве числа Авогадро принять число молекул в моле (вместо моля, как принято в системе СИ), то оно будет равно 6,022 • 1023.
[8] Сила, действующая на поршень, является суммой двух сил: силы, обусловленной атмосферным давлением, и силы, равной весу поршня
б Прим. ред. Снижение «ценности» связано, в частности с тем, что тепло становится менее доступным для его преобразования в механическую работу.
[10] Однако произвольная система не всегда стремится в сторону максимума беспорядка. Систс мы могут спонтанно создавать сложные структуры, такие, например, как жизненные формі возникающие из некой первозданной среды.
й Прим. ред. Первым и одним из немногих разработчиков криогенного двигателя являет Вашингтонский университет (США), который создал свой прототип LN2000 на базе почтовс автомобиля Grumman-Olson. На автомобиль был установлен опытный 5-цилиндровый двигать мощностью 15 л. с., работающий на жидком азоте по открытому циклу Ренкина. Криогеннь двигатель обеспечивал максимальную скорость автомобиля 35,4 км/ч, а сосуд Дюара объем.
[12] л, который использовался для хранения жидкого азота под давлением 24 бара, обеспечив запас хода около 2 миль (3,2 км). Криогенный автомобиль был создан в середине 90-х годов L ходе поиска энергоустановок для автомобиля экологической категории ZEV (с нулевыми вы бросами), альтернативных электроприводу. В России также имеются энтузиасты, пытающие., создать эффективный криогенный двигатель. Однако значительных успехов, говорящих о пе спективности и актуальности этого направления для автомобильного транспорта, ни в России ни за рубежом, пока не достигнуто.
[13]
►
[14] Синтетические кристаллы, такие как нитрид кремния SiN и нитрид алюминия A1N. тщательном изготовлении могут иметь теплопроводность большую, чем у алмаза.
Алмазы, изготовленные методом осаждения из газовой фазы (CVD) на подложку и имеюы диаметр до 15 см и толщину более 2 мм, обладают теплопроводностью 5300 Вт/(м • К)
118 К и 2200 Вт/(м • К) при 273 К. Для сравнения теплопроводность меди в том же интер температур составляет около 380 Вт/(м • К).
[15] !4. Термоэлектрическое устройство, состоящее из п последовательно соеди — иных термопар, работает как тепловой насос. При заданном значении тока I за измерена минимально достижимая температура 7(Ьіп. При этом холодная рона устройства была теплоизолирована.
,мерения повторили при других значениях тока /. Таким образом была постна зависимость ГСтіп от /. При проведении измерений температура горячей роны Тн была постоянной и равной 320К. іалось, что наименьшая температура Тс min= 244 К достигаеся при токе = 32,08 А. Напряжение, которое необходимо приложить к устройству для по — чения соответствующего тока, составляет 16 В.
мз равны электрическое сопротивление, теплопроводность и коэффициент ка а термоэлектрической батареи?
[16] ое увеличение значения V, что связано с экспоненциальным уменьшением і. ачения J В результате выходная мощность падает. Это интуитивное заклю — ние может быть подтверждено математически путем нахождения максимума : чкции (применительно к области II):
(34)
Максимум имеет место при V=kT/q. Даже при высокой температуре, напри — р 2500 К, значение k T/q составляет только 0,22 В, что меньше значения, соот- гствующего точке перехода (ф£-фс). Это означает, что максимум соответствует ачению напряжения, недопустимого в области II. Таким образом.
[17] степень покрытия поверхности электродов цезием, Т. е. ИХ работу В1
да ф;
Давление рс& определяет;
Обозначения
При анализе работы плазменных диодов используется более сложная система обозначений, поскольку наряду с электронными токами необходимо принимать во внимание ионные токи.
При рассмотрении диода низкого давления приходится иметь дело с четырьмя токами:
[20] JeE — электронный ток от эмиттера к коллектору;
[21] JeC — электронный ток от коллектора к эмиттеру;
[22] JjE — ионный ток от эмиттера к коллектору, появляющийся вследствие поверхнос
тной ионизации цезия на эмиттере;