CC BY
41
И.Н. Мусатова
НОВЫЙ ИСТОЧНИК ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ
Для оценки перспективности океанического энергетического ресурса необходимо решить актуальную задачу разработки технологии получения энергии за счет теплоносителей глубоководных зон океана, которыми являются «курильщики».
Ключевые слова: «курильщики», энтропия, перепад давления, энергия.
'Т'Г еловеческое общество является обществом потребления ресурсов. Среди потребляемых природных ресурсов огромный объем занимают энергетические ресурсы. Основную роль в них несут топливные минеральные ресурсы (уголь, нефть, газ). Но они, к сожалению, являются невосстанавливаемыми, а новые месторождения, как правило, открываются в удаленных, необжитых районах со слабо развитой инфраструктурой и отличаются сложными горно-геологическими условиями.
В современном мире многие месторождения суши истощаются; быстрый рост населения земного шара, а вместе с ним и потребностей в производстве средств производства и предметов потребления заставляет искать новые источники минерального сырья. Лишь в последние десятилетия в связи с общим развитием науки и техники стали выявляться серьезные перспективы добычи твердых полезных ископаемых подводным способом. Интерес к полезным ископаемым морей и океанов в наши дни не случаен: гигантский скачок в развитии науки и техники в последние годы дает возможность добраться до недоступных прежде богатств морей и океанов и разрабатывать их; добыча некоторых видов полезных ископаемых, залегающих на морском дне, экономически выгоднее, чем на суше.
Ограниченность запасов традиционных источников и неравномерность их размещения на Земном шаре вызывают необходимость поиска новых источников.
Актуальность их использования появилась тогда, когда экспедициями НИС "Академик Келдыш" были обнаружены области кипящей (более 300 °С) воды, истекающей из недр, так называемые «курильщики». Вода в таком состоянии вымывает метал-
лы и другие элементы из горных пород гораздо лучше, чем в жидком. Вместе с водой из-под поверхности в океан вырываются золото, медь, железо, сера, марганец и некоторые другие. Из-за сульфидов (солей серы), оседающих вокруг источников, вода и камни окрашиваются в черный цвет. Поэтому такие гидротермальные источники получили название "черных курильщиков".
Откуда же берется огромное количество горячей воды в недрах? Очень интересный вопрос для геолога. Наиболее вероятная гипотеза такова: морская вода проникает в образующиеся при раз-движении континентальных плит расщелины в земной коре, достигает горячей магмы, вымывая по пути соли металлов, и затем вновь вырывается из недр гидротермами.
В наше время, когда человечество подступает к промышленному освоению рудных месторождений на океанском дне, разработка железомарганцевых конкреций и сульфидных руд, богатых цветными металлами и железом, станет наиболее перспективной.
При этом родилась идея использовать гидротермальный источник в качестве источника энергии.
Источник представляет собой близповерхностную магматическую камеру под осью срединно-океанического хребта. Под воздействием этого локального источника в трещинах базальтахокеа-нической коры возникает конвективная циркуляция находящейся в трещинах воды, которая приводит к выбросу горячих растворов в водную толщу океана. Конвективная система может быть разделена на две ветви: нисходящую - от поверхности дна до наиболее горячей глубинной части системы («очага»), и восходящую - трещинный канал и рудную постройку на дне океана. Г лубина циркуляции сопоставима с положением кровли магматической камеры. С учетом глубины над гребнем хребта это позволяет определить давление в очаге 300 бар. Температура раствора в наиболее изученных «курильщиках» достигает 400 0С. Латеральные размеры ячеек 3-6 км.
При выбросе горячая вода принимает грибообразную форму, окруженную оболочкой воды с температурой источника до температуры окружающей воды (рис. 1).
Идея использования энергии «курильщика» заключается в следующем. Горячая вода с помощью насоса подается в трубопровод. По мере подъема воды давление падает, и вода переходит в
Рис. 1. Формализованная модель месторождения
парообразное состояние. Перед этой точкой устанавливается паротурбогенератор, которым снимается избыточное давление, после чего в трубе опять поднимается пережатая вода до следующей точки перехода.
В зоне распространения горячей воды температура са воды постоянная. Нам из-
вестно, что процесс, происходящий в физической системе при постоянной температуре, - это изотермический процесс.
Зависимость давления газа от объема при постоянной температуре графически изображается кривой, которая называется изотермой. Изотерма газа изображает обратно пропорциональную зависимость между давлением и объемом.
Кривая такого рода называется гиперболой (рис.2). Изотермический процесс протекает медленно, так как он обусловлен теплообменом с окружающей средой._________________
Температура, °С Давление насы- Плотность воды,
Плотность насы-
щенного пара, мм.рт.ст. 103 кг/м3 щенного пара, кг/м3
15 13 1,000 0,073
50 92 0,998 0,083
100 760 0,960 0,597
150 3570 0,920 2,54
200 11660 0,860 7,84
300 64450 0,700 46,9
370 157700 0,440 208
374 165500 0,320 320
Свойства воды и ее насыщенного пара при разных температурах показаны в таблице.
Из таблицы видно, что чем выше температура, тем меньше разница между плотностью жидкости и плотностью ее насыщенного пара. При некоторой температуре (у воды при 374 °С) эти плотности совпадают. Температуру, при которой плотности жидкости и ее насыщенного пара совпадают, называют критической температурой данного вещества. На рис. 3 ей соответствует точка К. Давление, соответствующее точке К, называют критическим давлением. На что указывает существование критической температуры? Что будет при еще более высоких температурах?
Опыт показывает, что при температуре, более высокой, чем критическая, вещество может находиться только в газообразном состоянии. Если мы будем уменьшать объем, занятый паром, при температуре выше критической, то давление пара возрастает, но он не становится насыщенным и продолжает оставаться однородным:
как бы велико ни было давление, мы не обнаружим двух состояний, разделенных резкой границей, как это всегда наблюдается при более низких температурах вследствие конденсации пара. Итак, если температура какого-нибудь вещества выше критической, то равновесие вещества в виде жидкости и соприкасающегося с ней пара
Рис. 3. График зависимости давления от
невозможно ни при каком температуры ^
давлении.
При испарении увеличивается внутренняя энергия вещества. Внутренняя энергия насыщенного пара всегда больше внутренней энергии жидкости, из которой этот пар образовался. Увеличение внутренней энергии вещества при испарении без изменения температуры происходит в основном благодаря тому, что при переходе в пар среднее расстояние между молекулами увеличивается. При этом возрастает их взаимная потенциальная энергия, так как, для того чтобы раздвинуть молекулы на большие расстояния, нужно затратить работу на преодоление сил притяжения молекул друг к другу. Кроме того, совершается работа против внешнего давления, ибо пар занимает больший объем, чем жидкость, из которой он образовался.
Для того чтобы определить величину вывода системы из равновесия исследуем изменение энтропии.
Изменение энтропии - это отношение изменения общего количества тепла Л() к величине абсолютной температуры Т:
Эта формула применима только для изотермического процесса (происходящего при постоянной температуре).
Из соотношения видно, что энтропия системы в различных процессах может возрастать, и убывать: поскольку величина температуры Т всегда положительна, то из соотношения следует, что при подводе тепла к системе (dQ>0) ее энтропия возрастает ^8>0), а при отводе тепла (dQ<0) - убывает (dS<0).
Из соотношения следует, что в процессе изменения состояния тела от начального состояния 1 до конечного состояния 2 энтропия тела изменяется на величину:
1
Подсчитаем изменение энтропии 1 кг воды при нагреве от температуры Т = 100 0С до температуры Т2 = 400 0С; теплоемкость воды считаем в этом интервале температур в первом приближении, не зависящей от температуры и равной 4,19 кДж/кг-К (1 ккал/кг-град). Поскольку dQ=Gcp dT,
то получаем, вынося С и ср за знак интеграла
52 -5! = С ср 1п -г
*1
или 5 —5 = 1 .4,19-1п40°"27-15= 2,5 кДж/К(0,6
* 1 100+273.15
ккал/град)
Для обеспечения возможности перевода потенциальной гидростатической энергии столба воды высотой h в какую-либо другую энергию, необходимо обеспечить в океане соответствующий перепад давления рр=Ьур, где ур - удельная плотность воды.
Такой перепад давления может быть получен между окружающей средой и трубой (рис. 2), опущенной на глубину ^ равную 2200 м, и верхним концом соединяющейся с атмосферой. Если внизу, в конце трубы установить каскад гидротурбин 2, а после них установить испаритель 3 и превращать воду в пар, то турбины могут сработать перепад давления, равный
Уп
где г,. - давление паро-
Рис. 4. Использование потенциальной гидростатической энергии океана с помощью подводных вулканов
Ри-
образования, кг/м2
(0,03); уп - удельный вес пара, кг/м3 (0,003) НТ = 2190 м , это говорит о том, что перепад давления рр =10 м.
Регулирование расхода воды через турбину осуществляется дросселем 4. Если давление намного выше атмосферного, то в трубе могут быть установлены паротурбоэлек-трогенераторы 5, которые повысят степень использования гидростатической энергии.
При этом возможны разные направления реализации этих процессов.
«Курильщики» являются потенциальными источниками получения энергии. Для превращения природного феномена в ресурс необходимо иметь технологическое решение и оценить запасы (объемы) ресурса, которые при использовании разработанной технологии можно будет рентабельно использовать. ВТШ
I.N. Musatova
It is necessary to solve the actual problem to develop the technology of the reception of the energy for account of coolant from the deep-water zones of the ocean, which are named "smokers", for the estimation the perspective of the energy resource of the ocean.
The key words: "smokers", entropy, pressure drop, energy.
— Коротко об авторе ---------------------------------------------
Мусатова И.Н. — аспирантка кафедры ТО, Московский государственный горный университет, [email protected]
