CC BY
2DOI: 10.24412М-37269-2024-1 -287-290
РЕСУРСЫ СЕВЕРА: ХОЛОД КАК ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ
Иванов Т.Д., Аммосов Г.С., Аммосова Л.С.
Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН, г. Якутск
В статье теоретически рассматривается возможность получения энергии с помощью тепловой машины, работающей на разнице температур подледной воды и холодного зимнего воздуха в условиях Якутии. Показано, что потенциал извлекаемого объема энергии очень высок и способен обеспечивать электроэнергией целые улусы в зимние месяцы. Также отмечено, что при правильном выборе размера водоема, в который устанавливается, работа тепловой машины не окажет негативного воздействия на экологию водоема.
Введение. Текущая система традиционной энергетики основана на сжигании энергоносителей, таких как уголь, нефть, природный газ и т. д., что приводит к выбросу парниковых газов и других вредных веществ. Также, большим недостатком традиционной энергетики является необходимость транспортировки больших объемов энергоносителей к месту использования энергии. Это часто становится сложной задачей в местах с ограниченной транспортной инфраструктурой.
Источники возобновляемой энергии не выделяют вредные выбросы и добываются прямо на нужном месте. Наиболее распространенными формами являются солнечная и ветровая энергетика. В северных регионах солнечная энергетика работает только летом, в зимнее время энергоотдача очень мала, и даже отсутствует длительное время. Ветровая энергетика характерна тем, что не может обеспечить постоянный поток энергии, по этой причине, параллельно с ним обязательно должна работать традиционная энергетика.
Но в то же время, в северных регионах есть много водоемов, подо льдом которых в зимнее время сохраняется положительная температура. А воздух всю зиму имеет отрицательную температуру. Эта температурная разница может стать основой для создания энергетического устройства со стабильной отдачей.
Теоретическое обоснование потенциала холода в качестве источника энергии. Предлагаемая тепловая машина работает по стандартной схеме: холодный газ сжимается, нагревается, затем расширяясь, совершает полезную работу, отработавший газ охлаждается и проходит цикл заново аналогичной схеме. Для этого она имеет компрессор, расширитель и теплообменник для нагрева. Если в качестве рабочего газа будет использоваться воздух, то теплообменник для охлаждения не потребуется - отработавший воздух просто выбрасывается в атмосферу.
Рассмотрим эти процессы на PV-диаграмме (рис. 1). Процессы сжатия (1-2) и расширения (3-4) происходят быстро, поэтому они являются адиабатическими. Охлаждение (4-1) происходит в атмосфере (показано пунктиром) при постоянном давлении, то есть изобарно. Нагрев (2-3) осуществляется в теплообменнике до температуры подледной воды. Если объем теплообменника значительно превышает объемы компрессора и расширителя, то за цикл давление в теплообменнике меняется несущественно, что позволяет считать процесс нагрева изобарным. Таким образом, можно утверждать, что машина работает по циклу Брайтона [1]. Цикл Брайтона был подробно изучен, и мы можем воспользоваться готовыми формулами для анализа работы предлагаемой машины [1, 2].
Для численного анализа возможностей тепловой машины наглядно оценивать её мощность, для чего необходимо определить количество циклов в секунду или количество оборотов поршневой машины. Предположим, что разрабатываемая тепловая машина выполняет 1000 оборотов в минуту. На текущем этапе развития машиностроения это является несложной задачей.
Для оценок работы машины удобно использовать его рабочий объем. Массу проходящего через машину воздуха можно выразить через объем компрессора. Тогда для мощности получим формулу:
Рис. 1. РУ-диаграмма тепловой машины
Р РаСр '
Ш = п V
ятА
Т
т
к-1 к
к-1 к
(1)
где п - количество циклов в секунду, V - объем компрессора, ^ - молярная масса воздуха, Я -универсальная газовая постоянная, Ср - теплоемкость воздуха при постоянном давлении, к -показатель адиабаты воздуха, Ра - атмосферное давление, Рт - давление в теплообменнике, Та - температура воздуха, Тт - температура подледной воды.
Температуры воздуха и теплообменника, также давление атмосферы заданы окружающими условиями. Но можно изменять давление в теплообменнике. Оптимальное давление, при котором получим максимальную работу, вычисляется по формуле [1]:
к _
" (2)
Поскольку машина извлекает теплоту из подледной воды, в процессе ее работы вода охлаждается, а в конце превращается в лед, что приводит к увеличению толщины ледового покрытия водоема, где она установлена. Поглощенная от воды теплота соответствует теплоте процесса 2-3 на PV-диаграмме. Если связать эту теплоту с мощностью машины, то для темпа образования объема льда (ежесекундно образующегося объема льда) мы получим следующую формулу:
и = пУ
V РаС-.
V
р X К ТА
{ъ-ъШ'') •
(3)
где р - плотность льда, X - удельная теплота плавления льда.
Теплообменник. Расчеты значений оптимального давления в теплообменнике, выполненные по формуле (2) с учетом температуры подледной воды, равной +4°С, и при различных температурах холодного воздуха, приведены в таблице 1. Как видно, давление сверх атмосферного не превышает 5 м водяного столба, что дает возможность использовать простой теплообменник, функционирующий по принципу барботажа, имеющий высокую эффективность теплообмена. На рис. 2 показан эскиз такого теплообменника. Нужно найти в водоеме место с глубиной 5 м, можно углубить дно, и установить вертикально трубу. В трубу снизу подаем холодный воздух пузырьками, а сверху отбираем нагретый.
Таблица 1. Давление в теплообменнике при различных температурах воздуха
Температура воздуха, °С Давление в теплообменнике, кПа Избыточное давление в теплообменнике, сверх атмосферного
кПа давление водяного столба, м
-10 110 9 1,0
-20 118 17 1,8
-30 127 26 2,7
-40 137 36 3,6
-50 148 47 4,7
Оценки производительности тепловой машины. Были проведены оценки мощности тепловой машины при её работе в центральной Якутии. Среднемесячные температуры воздуха взяты из архива метеорологических данных [5]. Машина функционирует в период, когда температура воздуха отрицательная - это месяцы с октября по апрель. Но октябрь и апрель исключены из рассмотрения по причине слишком малой эффективности машины.
Результаты вычислений по уравнениям (1) и (3) при различных объемах компрессора машины представлены в таблице 2. Рассчитаны по месяцам средняя мощность машины, выработка энергии за месяц и объем дополнительного льда при непрерывной работе. Моделировались объемы компрессора 1 л и 10 000 л. При текущем уровне машиностроения, самые большие поршневые машины имеют объем до 25 тысяч литров [4], поэтому строительство поршневой машины на 10 тысяч литров выполнимая задача.
Рис. 2. Теплообменник
Таблица 2. Производительность тепловой машины по месяцам
Месяц У=\ л К=10000 л
мощность, кВт энергия за месяц, кВт-ч 3 лед, м3 мощность, кВт энергия за месяц, кВт-ч 3 лед, м3
ноябрь 0,026 18 3,5 256 184586 35504
декабрь 0,045 33 4,8 453 326015 48142
январь 0,050 36 5,1 505 363680 51076
февраль 0,039 28 4,4 386 278126 44193
март 0,014 10 2,6 145 104670 26329
за год 129 23 1294746 226847
Обсуждение результатов оценок. Машина с объемом 1 литр выдает мощность несколько десятков ватт, что достаточна для зарядки различных гаджетов и светодиодного освещения в полевых условиях. Такое устройство может быть полезным при выезде на природу зимой, в местах, где отсутствует электроснабжение. При непрерывной работе за всю зиму, в водоеме, где она установлена, дополнительно образуется лед объемом 23 м3. Предположим, что она установлена на небольшом озере диаметром 100 м, площадь около 8000 м2. Тогда дополнительная толщина льда составит примерно 3 мм. Учитывая, что нормальная толщина льда водоемов за зиму превышает метр, эти 3 мм будут незаметными.
Машина объемом 10 000 литров выдает мощность в сотни киловатт и за месяц вырабатывает сотни тысяч кВт-ч. Такое количество энергии достаточно для обеспечения электроэнергией целых улусов. Из отчетов о поставках электроэнергии АО «СахаЭнерго» [3] видно, что, например, Оленекский РЭС в декабре, январе и феврале отпускает около 300 тысяч кВт-ч электроэнергии в месяц. Предлагаемая машина способна производить аналогичное количество энергии. Машина объемом 10 000 литров при непрерывной работе за всю зиму образует в водоеме дополнительный лед объемом 226847 м3. Если установить эту машину на реке Оленек, площадь ледового покрова которой составляет около 1000 квадратных километров, дополнительная толщина льда будет менее миллиметра, что не окажет влияния на экологию реки.
Заключение. Теоретическое исследование показало, что холод может рассматриваться как полноправный член возобновляемых источников энергии, и может стать важным элементом энергетического баланса северных регионов, где традиционные источники энергии ограничены.
Можно разработать и изготовить тепловые машины, работающие на разнице температур подледной воды и зимнего холодного воздуха, которые будут доступны в широком диапазоне мощностей. Наиболее компактные могут использоваться как переносные источники электроэнергии в зимних походах. Самые мощные могут обеспечить электроэнергией населенные пункты и даже целые улусы в зимний период.
Побочным эффектом машины, извлекающей тепло из подледной воды, является увеличение толщины льда водоема. Но при правильном выборе размера водоема, негативных последствий на экологию водоема можно избежать.
Литература
1. Андрющенко А.И. Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок / А. И. Андрющенко, А.И. Попов. - Москва: Высшая школа, 1980. 240 с.
2. Арнольд Л.В. Техническая термодинамика и теплопередача: Учебник для вузов - издание 2-е переработанное / Л. В. Арнольд, Г.А. Михайловский, В.М. Селиверстов. - Москва: Высшая школа.1979. 446 с.
3. Сахаэнерго / Информация об объеме полезного отпуска. Расшифровка полезного отпуска электроэнергии за 2023 год [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://sakhaenergo.ru/investors/disclosure/informatsiya-ob-obeme-poleznogo-otpuska/, свободный - (дата обращения 15.07.2024).
4. Свободная энциклопедия Википедия / Wärtsilä-Sulzer RTA96-C [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://m.wikipedia.org/w/mdex.php?title=Wärtsilä-Sulzer_RTA96-C&stable=1, свободный - (дата обращения 12.05.2024).
5. Справочно-информационный портал Погода и климат / Средние месячные и годовые температуры воздуха в Якутске [Электронный ресурс]. Режим доступа: http: //www.pogodaiklimat.ru/history/24959.htm?ysclid=luvcv5jr7z265102553, свободный - (дата обращения: 10.02.2024).
DOI: 10.24412/cl-37269-2024-1 -290-293
ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ БИВНЕЙ МАМОНТА РАЗНЫХ СОРТОВ
Исакова Т.А., Петухова Е.С., Павлова В.В., Соловьев Т.М., Ботвин Г.В., Чириков А.А.,
Петров В.В.
ФИЦ «Якутский научный центр СО РАН», г. Якутск [email protected]
Исследованы структурные характеристики разных сортов бивня мамонта (БМ) методами термогравиметрии, рентегнофазового анализа и ИК-спектроскопии. Термогравиметрический анализ БМ показал, что процесс термохимической деструкции практически не зависит от сортности. Методом РФА установлено, что основным компонентом БМ является магний замещенный гидроксиапатит. Однако, в образцах БМ III и IV сортов кроме гид-роксиапатита были обнаружены следы минерала ньюбериит. Методом ИК-спектроскопии отмечено, что сорта БМ отличаются друг от друга интенсивностью полос поглощения функциональных групп всех компонентов.
В зависимости от размеров и сохранности бивня мамонта (БМ) различают БМ на сорта согласно документу «Технические условия на ископаемый бивень и его обломки, добываемые на территории Республики Саха (Якутия)» (ТУ 421-001-92), разработанному Национальным мамонтовым фондом Республики Саха (Якутия) и Всемирным музеем мамонта (г. Якутск) [1]. Всего выделено 4 сорта.
I сорт. БМ без повреждений, без трещин, вещество бивня сухое, минимальный диаметр при выходе из альвеолы - 10 см; фрагменты без трещин, диаметр минимальный - 10 см, длина минимальная - 30 см;
