В природных условиях и открытых конструкциях процессы испарения и конденсации разнесены в пространстве и происходят в разных точках с разной температурой. Наличие природного температурного напора в открытых схемах и природе приводит к тому, что компрессор оказывается не нужным и тогда эффективность преобразования гравитационной энергии равна 100%: если при падении рабочей жидкости поглощается, допустим, 100 джоулей гравитационной энергии, эти же 100 джоулей будут воспроизводиться в виде электричества и все они будут отдаваться потребителю (конечно, при условии, что кпд самой гидротурбины также равна 100%).
В установках закрытой схемы процессы испарения и конденсации происходят практически в одной точке (по разные стороны теплообменной поверхности), поэтому природного температурного напора не существует и его нужно создавать искусственно, для чего служит компрессор. Энергию для работы компрессора дает гидротурбина с электро-генератором. Так как энергия гидротурбины и энергозатраты компрессора зависят от разных параметров, можно подобрать такие условия, чтобы первая величина была больше второй. Но как бы мы ни уменьшали энергозатраты компрессора на собственные нужды, они всегда имеются, поэтому кпд установки закрытого цикла в принципе не может составлять 100%: из каждых 100 джоулей поглощенной гравитационной энергии до потребителя дойдет только некоторая часть в форме электричества, а другая часть пойдет на собственные нужды станции и будет окончательно преобразована в тепло внутри контура. Несмотря на более низкий кпд, установки закрытого цикла оказываются намного выгоднее, потому что они не зависят от внешних условий. Поэтому можно создать самые оптимальные условия, которые в природе не встречаются, и тем самым поднять выработку полезной электроэнергии.
Расчеты показали, что самым лучшим рабочим телом для ГРАЭС являются жидкие металлы, а из них наилучшие характеристики показывают металлы щелочной группы и их эвтектики. Это обусловлено тем, что перепад температур между конденсируемым паром и испаряемой жидкостью обычно не велик (несколько десятых долей градуса), поэтому для создания больших тепловых потоков через стенку теплообменника и больших расходов рабочего тела нужно использовать вещества с высоким коэффициентом теплоотдачи при испарении и конденсации. Этому условию удовлетворяют только жидкие металлы. Например использование воды в качестве рабочего тела ГРАЭС ведет к уменьшению выработки электроэнергии а несколько тысяч раз по сравнению с жидкими металлами. Поэтому вода оказывается экономически неприемлемой, хотя технически возможной. Использование аммиака еще сильнее снижает выработку электроэнергии.
Ртуть в качестве рабочего тела ГРАЭС характеризуется несколькими недостатками. Во-первых, пары ртути чрезвычайно ядовиты и при случайной разгерметизации контура вытекшая ртуть может сильно загрязнить окружающую местность, сделав ее непригодной для проживания. Во-вторых, при температурах испарения коррозионная активность ртути настолько высока, что она растворяет в себе многие конструкционные металлы. С этой проблемой однажды столкнулись американцы, когда изготовили ядерный реактор с ртутным теплоносителем в проекте своих звездных войн: ртуть за две недели „съела“ всю внутреннюю начинку реактора. И в-третьих, использование ртути ведет к уменьшению выработки электроэнергии в несколько раз по сравнению с щелочными металлами.
Что касается фреона, то у этого соединения имеется очень большое достоинство для использования в ГРАЭС: малая теплота фазового перехода. Чем меньше теплота испарения и конденсации, тем больше расход рабочего тела для передачи того же самого тепла через стенку теплообменника. И тем больше выработка электроэнергии. Однако, фреон имеет два крупных недостатка, препятствуюшие его использованию в качестве рабочего тела ГРАЭС на современном этапе.
Во-первых, фреон имеет низкую теплопроводность жидкой фазы. Для стороны испарения это не очень существенно, т. к. испарение происходит из капиллярной структуры, и высокая теплопроводность материала структуры в заметной степени нивелирует низкую теплопроводность используемой жидкости. Но для стороны конденсации это играет очень важную роль: тепловое сопротивление пленки конденсата оказывается настолько высоким, что тепловой поток через стенку теплообменника и расход жидкости падают в сотни раз. Этот недостаток фреона можно обойти, если использовать капельную конденсацию вместо пленочной. Тогда жидкий фреон уже не может смачивать поверхность конденсации, а будет стягиваться на ней в отдельные крупные капли, оставляя поверхность свободной. В этом случае теплоотдача растет в миллионы раз. Но чтобы организовать капельную конденсацию, необходимо покрыть поверхность теплоотдачи специальной фреоноотталкивающей пленкой (подобно водоотталкивающей краске, которой покрывают металл для устранения водной коррозии). Однако, таких вещество сегодня нет, их еще предстоит создать.
Во-вторых, температура насыщения рабочей жидкости при давлении в одну атмосферу должна быть не меньше 60-70С. Если она будет меньше, возникнут проблемы с отводом тепла из верхнего отсека в летние месяцы. А увеличить давление рабочего тела и тем самым поднять температуру насыщения невозможно, т. к. это может привести к разрыву отсека. Таких фреонов с температурой насыщения не менее 60-700С при атмосферном давлении пока нет, их тоже предстоит еще создать. В принципе, создание новой разновидности фреона с заданными свойствами не должно быть сложной проблемой, ибо известен главный принцип достижения нужного результата: следует увеличивать молекулярную массу фреона, вводя в состав молекулы новые атомы углерода, водорода и кислорода, и это приведет к росту температуры насыщения. Одновременно будут расти плотности жидкой и паровой фаз, что также не маловажно. Увеличение плотности жидкости увеличивает гидростатическое давление в опускном канале и выработку электроэнергии. А увеличение плотности пара снижает энергозатраты компрессора при одинаковом расходе рабочего тела по контуру.
Окончательно в качестве рабочего тела ГРАЭС была выбрана эвтектика Na+K с температурой плавления 2620К (-110С) и температурой испарения 10570К (7840С).
Теплообменники следует выполнять пластинчатыми прямоугольной формы, тогда они занимают пространство отсека наиболее компактно. Толщина одного теплообменника обычно измеряется значениями в несколько сантиметров, в то время как ширина их может составлять более метра, а высота — несколько метров. Несколько сотен таких теплообменников, установленных один за другим подобно страницам в книге, составляют теплообменный блок: высота и ширина блока соответствуют высоте и ширине отдельного теплообменника, а длина блока равна произведению толщины теплообменника на их количество и может достигать 10-15 метров. Блоки монтируются в верхнем отсеке один за другим, образуя так называемую нитку: длина нитки равна длине отсека. Соседние нитки отделяются друг от друга проходами, в которых установлены компрессоры. Проходы служат также для выполнения плановых осмотров и мелких ремонтов (естественно, ремонты выполняются после остановки станции, когда жидкость слита из контура и температура в верхнем отсеке опустилась до приемлемого уровня).
Капиллярная структура на теплообменниках выполняется двухслойной: внутренний слой имеет крупные поры с большим радиусом кривизны, наружный очень тонкий слой делают с мелкими порами. Такая схема позволяет решить одновременно две конкурирующие проблемы. С одной стороны, с целью максимального повышения мощности станции и удешевления вырабатываемой энергии нужно поднять рабочее тело как можно выше, для чего необходимо использовать капиллярную структуру с очень мелкими порами: чем меньше радиус пор, тем больше высота подъема. С другой стороны, уменьшение радиуса пор ведет к увеличению гидравлического сопротивления, что в свою очередь ведет к уменьшению скорости подъема жидкости. Если использовать двухслойную систему, тогда гидравлическое сопротивление потоку жидкости оказывается низким, т. к. жидкость поднимается по внутреннему слою с крупными порами. Когда она затем проникает внутрь наружного мелкопористого покрытия, общее гидравлическое сопротивление от этого увеличивается не сильно, т. к. толщина наружного слоя очень невелика, всего десятые доли миллиметра. Зато значительная кривизна мениска жидкости в мелких порах ведет к созданию высоких капиллярных сил.
