ЭНЕРГИЯ ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА «ВОДА – ЛЁД»
ГЕКСАГОНАЛЬНАЯ ФАЗА

Лазовский М.Р. и  Лазовская В.М.

Оставьте комментарий

Много говорят об энергетической безопасности общества. Есть попытки использовать солнце, ветер, приливы…, но как способы получения энергии от этих источников – они не нашли массового применения (большие затраты на их концентрацию). И люди продолжают «эксплуатировать» атом (с его не совсем позитивным «имиджем») и, тающий на глазах, ресурс углеводородов.

Но существует энергия, которая, как нам кажется, снимет все сомнения в дальнейших перспективах прогресса человечества. Сама природа даёт шанс решить эту проблему. Речь идёт об энергии фазового перехода воды из жидкого состояния в твёрдое, а именно его гексагональная фаза!

Небольшое отступление: плотность воды при 4 градусах по шкале Цельсия примерно равна 1 г/см³, а у льда (при обычном давлении – 0,917 г\см3). Это уникальный случай, когда при таком фазовом превращении объём материи не уменьшается, а увеличивается (на 9%)! Вот об этой энергии и пойдёт речь.

Многие не однократно наблюдали силу действия отрицательных температур на воду: лопнувшие стеклянные бутылки с водой; у нерадивых хозяев автотранспорта (не пользующиеся антифризом) – разорванные «рубашки» охлаждения двигателя, потёкшие радиаторы. На одном примере хотим заострить особое внимание: разорванный силовой трубопровод разгерметизированной гидросистемы в следствии действия переменных температур (не отапливаемое помещение в зиму при не эксплуатируемом оборудовании) и скопления конденсата в одном из «карманов» трубы. Используя методику выбора силовых трубопроводов (1) в зависимости от рабочего давления, отказавшись от коэффициента надёжности и усадки металла (в следствии её незначительности) - можно предположить, что давление льда превысило 150 МПа. Это заключение подтверждает фазовая диаграмма кристаллического льда (2), из которой видно, что давление может достигнуть до 300 МПа (при минус 20 градусов по шкале Цельсия)! А это значит (в пересчёте на потенциальную энергию), что 1м³ воды при фазовом переходе в лёд выделит энергию в 27000000 Дж (более 6400 kkал), что примерно соответствует сгоранию 1м³ природного газа! И это ЭНЕРГИЯ, которая никогда не иссякнет!

Естественно, возникает множество вопросов: как технологически получить данную энергию, как сконцентрировать мощь процесса в единицу времени (конкурентоспособность с существующими способами получения энергии) и многие другие. Не претендуя на решение всей проблемы в комплексе, так как она многоплановая, попытаемся обозначить основные направления в достижении поставленной цели.

Данную задачу, в больших объёмах, проще решить на территориях, где преобладают отрицательные температуры (Север, горы). Так как в процессе генерации энергии будут использованы большие давления - материал для корпуса реактора и силовых трубопроводов необходимо применять с наибольшей прочностью (желательно - свыше 2000 МПа) и максимальным коэффициентом объёмной упругости (инструментальные стали после термообработки; керамика; сплавы, используемые в ракетостроении). Использование энергии фазового превращения воды «на прямую» вряд ли возможен из-за неравномерности роста кристаллов и большой локальной нагрузки на участки корпуса реактора, превосходящей его прочностные характеристики. Возможно, одно из решений может быть таким, когда вода должна находиться в раздельных плоских «сотах», выполненных из плёнки полимеров (без структурных изменений и потерей пластических свойств при работе), плакированных со стороны «рабочей воды» слоем фольги меди или алюминия (возможно золото). Площадь поверхности и толщину водного слоя в «соте» необходимо выбрать с учётом максимальной скорости теплообмена. Эти же требования, с поправкой на работоспособность при высоких давлениях, необходимо учесть в выборе материала «соты» и толщины её стенки. Давление, возникшее при фазовом превращении «ВОДА-ЛЁД» должно передаваться через «буфер» - рабочую среду, находящуюся в жидком состоянии при низких температурах, с максимальным коэффициентом объёмной упругости (это особенно важно: чем меньше усадка, тем больше КПД реактора). Интересен был бы вариант использования «буфера» из жидкого материла, не растворимого в воде но имеющего с ней одинаковую плотность в диапазоне рабочих температур реактора – можно отказаться от сот. Но здесь надо переадресовать все вопросы к химикам.

Для вывода тепла из реактора можно использовать как низкие температуры в зимний период (накопительные холодильники), так и обдув, после компрессии, охлаждённым воздухом. Полученное высокое давление можно превратить в электрическую как механическим путём (гидравлика, инерционные маховики, использование гравитации и т.д.), так и с помощью силовых пьезогенераторов, используя каскадную схему. Часть энергии можно «забрать» для обратного фазового перехода «ЛЁД - ВОДА», используя микроволновые процессы.

Для локального получения энергии (двигатели автомобилей) в виде охладителя можно рассмотреть применение атмосферного воздуха после компрессии или жидкий азот (сосуды Дюара вместо бензобаков). Даже используя треть энергии (учитывая все возможные потери), обеспеча хотя бы четверть цикличности хода поршней дизеля, в фазовом переходе «вода-лёд», при участии в процессе 1 литра воды, можно получить двигатель мощностью около 100 л.с.. Не менее интересен вариант, когда с помощью электроаккумуляторов происходит работа самого реактора (охлаждение - нагрев), а давление на прямую преобразуется в движение механизмов двигателя.

Естественно, особое внимание необходимо будет уделить тепловым потерям, так как диапазон рабочих температур будет минимален (воду нельзя ни перегревать, ни переохлаждать). Тут не обойтись без энергосберегающих покрытий (3). 
По нашим соображениям, есть о чём подумать.

Об экологии речи вообще нет – вся энергия будет получаться из окружающей среды, без изменения её химического состава!

Естественно, в этом подходе к получению энергии вопросов больше, чем ответов (скорость образования льда; требования к холодильникам; объёмная упругость используемых материалов; возможность использования других фазовых состояний льда, как-то дополнительный энергетический резерв или элемент самовозбуждения).

Нам кажется, что с помощью теоретических расчётов и практических исследований можно довольно быстро определить оптимальные параметры процесса. Информация из доступных источников не даёт полной уверенности, что объёмная упругость льда при температурах ниже минус 20 градусов по шкале Цельсия и давлениях в диапазоне 250 – 300 МПа будет достаточна для получения энергии. И даже эта ситуация не безнадёжна: можно идти по пути минимизации технологических потерь и как основа эффективности процесса – увеличение его цикличности в единицу времени! 
Предстоит большой объём работы для специалистов по гидравлике, материаловедению, физике твёрдого тела, силовым электроагрегатам, энергетикам и многим другим.

Но есть результат, который показала сама природа, надо только оптимизировать способы его достижения. А уровень современных технологий и науки, нам кажется, достаточен.

ЛИТЕРАТУРА

1. Анурьев В.И., Справочник конструктора-машиностроителя. М: Машиностроение, 1999, т.3, с.336

2. Головин Ю.И. Вода и лёд - знаем ли мы о них достаточно. - Соровский образовательный журнал, 2000, т.6, №9, с.68

3. Самохин А. Жидкая шуба с орбиты. – Техника молодёжи, 2006, №872(май), с.9

НАПИСАТЬ ПИСЬМО АВТОРУ ПУБЛИКАЦИИ

Версия для печати
Авторы: Лазовский М.Р. и Лазовская В.М.
P.S. Материал защищён
Дата публикации 02.10.2006гг.

Назад