Настоящие результаты обусловлены различной зависимостью выработки энергии гидротурбиной и энергопотреблением компрессора от расхода рабочего тела. Мощность гидротурбины пропорциональна расходу примерно в первой степени, в то время как энергозатраты компрессора — в степени 2.5;3. Поэтому если мы увеличиваем расход рабочего тела по контуру, энергетические затраты компрессора ;N растут быстрее гидротурбинной мощности и кпд постоянно снижается. До тех пор, пока энергопотребление компрессора остается значительно меньше гидротурбинной мощности, электрическая мощность станции продолжает расти. Но когда энергетические нужды компрессора сравнимы с выработкой энергии на гидротурбине, дальнейшее увеличение расхода рабочего тела будет вести к снижению электрической мощности станции.
Сложной проблемой для будущих ГРАЭС может оказаться осаждение твердых нелетучих соединений в порах внешнего капиллярного покрытия. Любая жидкость (и рабочее тело ГРАЭС также) всегда имеет некоторые примеси независимо от степени очистки: абсолютно чистых жидкостей не бывает. Когда эти примеси попадают с потоком жидкости в наружный капиллярный слой, здесь они не испаряются, а накапливаются. Постепенно их концентрация растет и они начинают кристаллизоваться на стенках пор, уменьшая проходное сечение и увеличивая гидросопротивление. Рано или поздно поры полностью перекрываются и станция останавливается. Поэтому необходимо оценить хотя бы грубо интенсивность осаждения примесей, чтобы выяснить, насколько велика данная проблема.
Исследования тех ученых, которые изучают тепловые трубы с щелочными металлами натрием и калием в качестве рабочего тела, показывают, что весовая концентрация кислорода в металле после его очистки титановыми и циркониевыми гетерными ловушками составляет менее одной миллионной доли процента. Примем для расчета величину 0.3;10(-6)%. Скорость движения рабочего тела в наружном капиллярном слое, как было найдено, составляет обычно (0.05;0.09) мм/сек. При столь малых скоростях обратный поток нелетучих примесей от места испарения жидкости, где примеси накапливаются в максимальных количествах, должен быть достаточно велик. Поэтому следует ожидать, что примеси будут равномерно распределяться по толщине наружного капиллярного слоя. В этом случае они будут полностью забивать капилляры, то есть снижать пористость с 0.6 до нуля, за время 17 лет. Это примерно вдвое меньше нормативного срока работы АЭС, составляющего 30 лет. Однако, если увеличить толщину наружного капиллярного слоя с 0.1 до 0.2 мм, тогда время бесперебойной работы станции возрастает также примерно вдвое и становится равным 32 годам. К сожалению, такой способ увеличения длительности работы станции сопровождается некоторым увеличением капитальных затрат и снижением мощности из-за возросшего гидросопротивления, поэтому стоимость установленного киловатта становится на (5;15)% выше.
Электрическая мощность станции может быть резко увеличена за счет выравнивания эпюры скоростей в сопле. Если распределение скоростей в сопле подчиняется обычному параболическому закону, тогда коэффициент трения ; = 1.5. Но если скорость движения в сопле постоянна по его сечению, тогда коэффициент трения падает с 1.5. до 1.0. Снижение потерь гидравлического напора на преодоление трения позволяет уменьшить диаметр сопла с соответствующим увеличением скорости истечения и выработки энергии гидротурбиной. Это хорошо видно из рис. 3.1.4, который показывает зависимость электрической мощности WE и стоимости установленного киловатта от коэффициента трения сопла: снижение коэффициента трения с 1.5 до 1.0 сопровождается ростом электрической мощности примерно вдвое и соответствующим падением стоимости киловатта. При этом кпд станции также растет и достигает 72%. Конечно, случай ; = 1.0 в идеале недостижим. Максимум, на который можно рассчитывать, это ; = 1.3. Но даже в этом случае электрическая мощность растет с 634 до 780 МВт, а стоимость установленного киловатта падает с 1.6 до 1.3 евро/ватт. Такой способ увеличения производительности станции привлекателен тем, что он практически не сказывается на капитальных затратах.
Рис. 3.1.4.Влияние трения сопла на параметры ГРАЭС: черная кривая — электрическая
мощность (МВт), зеленая кривая — стоимость установленного киловатта (евро/ватт).
Рис. 3.1.5. Влияние диаметра подъемного и опускного каналов на электрическую мощность ГРАЭС (МВт, черная кривая) и стоимость установленного киловатта (евро/ватт, зеленая кривая).
На первый взгляд может показаться непонятным, за счет каких механизмов изменение трение сопла сказывается на выработке энергии гидротурбиной, если расход рабочего тела и высота опускного канала — главные характеристики, определяющие производительность станции — не зависят от параметов сопла. Все дело в том, что в сопле может теряться значительная доля гидравлического напора опускного канала. Трение в сопле ведет к выделению тепла и испарению части жидкости. Тогда на турбину будет поступать меньше рабочей жидкости, чем проходит по опускному каналу. Вследствие этого выработка энергии гидротурбиной падает. Уменьшая трение в сопле, мы сокращаем непроизводительные расходы и повышаем общую выработку электроэнергии.
Дальнейшего уменьшения стоимости установленного киловатта можно добиться оптимизацией диаметров подъемного и опускного канала. На рис.3.1.5 показано, как меняются электрическая мощность станции и стоимость установленного киловатта с изменением диаметра каналов. Когда диаметр превышает 1.5 м, его гидросопротивление настолько мало по сравнению с гидросопротивлением капиллярных слоев, что размеры канала практически не сказываются на гидротурбинной и электрической мощности. Но заметно сказываются на общих капитальных затратах: чем больше диаметр, тем больше масса циркулирующего в контуре станции рабочего тела, тем больше денежные затраты на его приобретение и очистку в ходе эксплуатации. Поэтому уменьшение диаметра каналов от 3.0 до 1.5 метров способствует снижению как общих капитальных затрат, так и стоимости установленного киловатта.
С другой стороны, слишком узкий канал препятствует свободной циркуляции жидкости по контуру и мощность станции падает. А капитальные затраты в этом случае зависят от диаметра достаточно слабо. Поэтому уменьшение диаметра менее 1.0 метра сопровождается резким ростом стоимости киловатта. В итоге, оптимальные значения диаметра каналов попадают в интервал (1.1;1.3) м, когда стоимость киловатта составляет (0.6;0.7) евро/ватт.
Полученное значение стоимости установленного киловатта можно еще немного снизить путем уменьшения радиуса пор наружного слоя тонкопористого капиллярного покрытия. Оказалось, что электрическая мощность станции практически обратно пропорциональна квадрату радиуса, а стоимость киловатта прямо пропорциональна первой степени радиуса. Когда радиус пор наружного капиллярного слоя уменьшается с 0.04 до 0.03 микрон, электрическая мощность вырастает с 634 до 1150 МВт, а стоимость киловатта падает от 0.65 до 0.5 евро/ватт. Но ничего даром не дается и за все приходится платить. В данном случае платой является увеличение высоты подъемного и опускного каналов: они растут с 610 до 790 метров. Очевидно, что чем больше высота каналов, тем больше капитальные затраты. С другой стороны, осложняется проблема выбора подходящей площадки для станции.
Реальная осуществимость настоящего способа получения полезной работы из гравитационного поля может быть проверена на простой модели, описанной в статье А.Лихачева „Как построить вечный двигатель своими руками“, журнал «Юный техник», №11, 1997 год и в книге А.Вейника „Термодинамика реальных процессов“. Данная установка получила название „Кольцар Лазарева“ по фамилии изобретателя, построившего ее в 60х годах прошлого века. Первое описание кольцара появилось в статье Жвирблиса, опубликованной в журнале «Химия и жизнь» в 70х годах. Хотя потом на публикацию сведений о кольцаре был наложен строгий запрет, многие успели статью Жвирблиса прочитать. А кое-кто установку даже изготовил. На сегодня таких умельцев набралось уже несколько тысяч. И у всех кольцар работал. У кого хуже, у кого лучше, но работал.
