Быстрое развитие техники и всей материальной культуры человечества стало возможным только при широком применении механической двигательной силы. Эта новая эра открылась изобретением паровой машины, которая почти безраздельно господствовала до самого конца XIX в. Для получения пара первоначально служил преимущественно каменный уголь. Впоследствии техника мобилизовала на помощь углю нефть, появление которой дало толчок к распространению двигателей внутреннего сгорания. Затем стали использовать в крупных масштабах энергию «белого» угля, т. е. энергию рек, озер и водопадов.
Передовые представители мировой техники непрерывно ищут новых путей получения механической двигательной силы и новых источников ее, ибо от этого зависит будущее всех отраслей техники. Все же сегодня уголь, нефть и сила падающей воды по-прежнему остаются основными источниками энергии для человечества.
Все дело только в том, как подступиться к этим сокровищам, как обуздать эти стихии и заставить их служить нам.
Многие факты говорят о том, что мы все более приближаемся к тому времени, когда все это изобилие воющей на свободе, гремящей, ревущей и палящей энергии будет прибрано человеком к рукам. О некоторых из этих фактов мы и собираемся здесь рассказать¹.
*
В тропических широтах вода на поверхности океана почти постоянно — круглые сутки и круглый год — имеет температуру около 26 — 30°. В глубинах же морей и океанов вода повсюду имеет температур в 4° — будь то у экватора или у полюсов. Там, где существует разность температур, можно при желании заставить тепло протекать от одного тела к другому или превращать его в механическую энергию. Температура воды на поверхности тропических морей отличается от температуры глубинных вод на 24 — 26°. Так нельзя ли этим воспользоваться для получения энергии?
Правда, разность температур тут невелика. Но зато тепло это — почти бесплатное; никакого топлива для получения его не нужно. Запасы этого тепла практически безграничны, ибо чего другого, а воды в море всегда хватит... Хватит и солнца на наш и на будущие века, чтобы вечно подогревать воду тропических морей и пополнять убыль тепла в них.
Если нельзя создать вечные двигатели, которые давали бы энергию из «ничего», то не заманчиво ли построить на берегах тропических морей вечные двигатели, которые работали бы за счет щедрого солнца, превращающего поверхностные слои этих морей в гигантский котел — пусть не с очень горячей, но все же с довольно теплой водой? Можно ли и выгодно ли строить подобные двигатели?
Такой двигатель должен отличаться от обычной паровой машины или паровой турбины тем, что он будет работать на паре, имеющем температуру не в 100° и больше, а в 24—26°. Но при столь низкой температуре давление пара будет всего только 0,03 атмосферы, тогда как современные турбины работают на паре в 20, 30, 60 и даже в 200 с лишним атмосфер. И для того чтобы через турбины при давлении в 0,03 атмосферы можно было пропускать достаточно большое количество пара, пришлось бы им придать довольно значительные размеры — гораздо большие, чем те, которые имеют обычные турбины.
Чтобы получать из воды пар в больших количествах, ее надо привести в кипение, так как только при кипении происходит интенсивное ее превращение в пар. Как же заставить воду кипеть при 26°?
Температура кипения воды зависит от давления, которое производится на ее поверхность. Чем давление эго ниже, тем и температура кипения ниже. При нормальном атмосферном давлении вода кипит, как известно, при 100°. Высоко в горах, где давление меньше, она кипит уже при более низкой температуре. А если искусственно создать над подою низкое давление, т. е. вакуум, то можно ее заставить кипеть при любой температуре. Под вакуумом вода великолепно будет кипеть и при 26°, выделяя пар с давлением в 0,03 атмосферы.
Пар может идти непрерывным потоком через турбину и вращать ее, отдавая свое тепло и совершая работу только тогда, когда существует разность давлений при входе и при выходе пара из турбины. Необходимо, стало быть, при выходе пара из турбины иметь еще более низкое давление, чем 0,03 атмосферы. Для этого достаточно поставить там конденсатор с холодной глубинной водой: при температуре в 4° давление пара будет равно всего только 0,01 атмосферы.
Итак, чтобы получить энергию за счет тепла тропических морей, нужно построить установку, работающую особым образом. В закрытый котел насосами накачивают теплую воду с поверхности океана. Эксгаустеры отсасывают воздух над поверхностью воды в котле до тех пор, пока давление не упадет до 0,03 атмосферы. Тогда вода в котле начинает кипеть. Эксгаустеры протягивают образующийся пар в турбину. Турбина приводится во вращение. Выходя из турбины, пар попадает в закрытый конденсатор, куда насосы непрерывно накачивают холодную турбинную воду. Здесь пар конденсируется, т. е. снова превращается в воду. В конденсаторе устанавливается давление, соответствующее температуре в 4° — 0,01 атмосферы. Теперь отпадает надобность в работе эксгаустеров. Они выключаются, и вакуум во всей системе поддерживается уже только за счет конденсации пара в конденсаторе холодильника. При непрерывном поступлении теплой воды в котел и холодной в холодильник турбина будет постоянно вращаться, и генератор, соединенный с нею, будет давать ток.
Таково, схематическое устройство силовой станции, использующей тепло, тропических морей. Мы говорим — схематическое, потому что в действительности оно должно быть гораздо сложнее. Из воды, подаваемой в котел и в конденсатор — холодильник, нужно предварительно удалять растворенный в ней воздух, иначе этот воздух будет выделяться в систему и сводить на нет господствующий там вакуум. Для удаления воздуха нужно, следовательно, поставить специальные деаэраторы. Придется также озаботиться о систематическом удалении из котла солей, которые будут накапливаться в нем в громадных количествах по мере выкипания воды. Затем придется обеспечить увод холодной воды из холодильника как можно дальше от станции — иначе она постепенно охладит поверхностные слои моря вокруг, и разность температур между верхней и глубинной водой начнет уменьшаться. Значит, нужно будет выбирать для сооружения станций такие пункты, где проходят достаточно сильные морские течения, способные быстро уводить холодную воду подальше от станции.
И, наконец, нужно как-то доставить холодную воду с глубины в 700—1000 м, нужно заставить ее подняться на поверхность. В этом как раз и заключается самая трудная задача.
*
Несколько лет назад крупнейший французский' инженер и изобретатель Клод взялся совместно с другим инж. Бушеро за практическое разрешение проблемы использования тепла тропических морей. Клод — человек не случайный в технике. Он — конструктор холодильных установок и аппаратуры для синтеза аммиака, который идет для получения азотных удобрений и взрывчатых веществ. Многочисленные установки его системы применяются во всем мире. Если такой солидный инженер и ученый стал работать над использованием тепла тропических морей, не останавливаясь при этом перед большими затратами, значит, дело это можно считать очень реальным.
Клод и Бушеро пришли к выводу, что воду из глубины океана можно доставать сравнительно простым способом. Достаточно опустить в океан открытую снизу длиннейшую трубу. Тогда, повинуясь закону сообщающихся сосудов, глубинная вода сама подымится по этой трубе почти до самой поверхности океана. Только из-за того, что холодная вода несколько плотнее теплой, она не будет доходить до самого верхнего края трубы, а будет отстоять от нее примерно на 1 м. Но на такую высоту ее уже нетрудно поднять с помощью насосов. А чтобы вода не нагревалась на своем пути снизу вверх, стенки трубы должны быть окружены теплоизолирующим материалом.
В 1929 г. после длительных лабораторных и модельных исследований Клод и Бушеро приступили к сооружению своей установки на острове Куба, в бухте Матанца.
 |
| Схема опытной установки, построенной Клодом и Бушеро на северном берегу Кубы. W — теплая вода на поверхности; К — холодная вода в глубине; А — насос для теплой воды с деаэратором; В — испаритель; С — трубопровод; D — турбина; Е — генератор; F — конденсатор; J — насос холодной воды с деаэратором; Н — трубопровод для охлаждающей воды; I — выводящая труба. |
Трубу прокладывали здесь косо по отлого спускающемуся морскому дну. Чтобы нижний конец ее достигал уровня в 700 м ниже поверхности моря, ее пришлось сделать длиной в 2000 м. Диаметр ее был равен 5 м, т. е. больше, чем высота железнодорожного тоннеля.
При спуске трубы в океан Клод и Бушера два раза испытали неудачи. В первый раз труба оборвалась и затонула, во второй — была смята и приведена в негодность. Наконец, в третий раз труба была уложена в море, и холодная вода пошла наверх. Правда, третья труба имела уже значительно меньшие размеры и в поперечнике и по длине.
В октябре 1930 г. был получен первый ток. Принципиально было, таким образом, доказано, что тепло тропических морей может быть использовано для получения энергии. Но коэффициент полезного действия установки был довольно низок, и расходы на нее, конечно, ни в какой мере не соответствовали ее производительности. Однако первый шаг, был сделан. Опыт, приобретенный в Матанце, не прошел даром.
В 1934 г. Клод и Бушеро снова приступили к организации опытов.
На этот раз они решили создать не береговую, а плавучую станцию.
Плавучая станция выбрана ими и из технических и из экономических соображений. В открытом море можно трубу опускать вертикально и, следовательно, здесь нет надобности делать ее такой длинной, как при спуске с берега на отлогое дно моря. Это сразу облегчит все дело.
А для того чтобы облегчить реальный сбыт получаемой энергии, Клод и Бушеро решили всю ее использовать для получения искусственного льда, который во всех тропических портах имеет большое применение.
Это еще и потому будет выгодно, что отбросную холодную воду из конденсаторов достаточно будет охладить лишь на несколько градусов, чтобы превратить ее в лед.
 |
| Пароход "Тунис", на котором сооружена силовая установка Клода-Бушеро, отплывает из порта Дюнкирхен к берегам Бразилии. |
Под плавучую станцию Клод и Бушеро оборудовали пароход «Тунис». Водоизмещение «Туниса» — 10 000 т. Клод и Бушеро намереваются получать на нем за счет тепла тропических морей до 1000 и 2000 т льда в сутки. Это предприятие уже носит, таким образом, не только исследовательский, но и коммерческий характер. Ближайшее будущее покажет, насколько оправдаются расчеты обоих инженеров.
*
К чему же может привести в конечном счете широкое промышленное применение идеи Клода-Бушеро? По их предположениям, за счет разности температур поверхностной воды тропических морей и глубинной воды можно получать такое же количество энергии, какое может дать вода при падении на 60 м. Это — за вычетом всех потерь и затраты мощности на насосы и другие вспомогательные механизмы. Иначе говоря, в любом подходящем пункте береговой линии тропических морей можно будет создавать своего рода тепловую Ниагару, тепловой Днепрогэс, которые зальют окрестности потоками почти даровой электрической энергии. На Яве, на Цейлоне, на Кубе, в Мексике и в Бразилии, в Океании и Флориде, — во всем обширном жарком поясе наступит эпоха энергетического изобилия. На базе даровой энергии здесь вырастут крупнейшие электрохимические и электрометаллургические предприятия. Сюда переместится центр тяжести мировой индустрии.
Но для того чтобы все это стало действительностью, требуется не только успешный исход работ Клода-Бушеро. Нужно еще, чтобы экономические условия благоприятствовали такой грандиозной технической реконструкции тропиков.
Надо ли говорить, что такая задача теперь не по плечу дряхлеющему капитализму, обессиленному послевоенными противоречиями и экономическим кризисом?
Как и многие другие прогрессивные идеи современной техники проект Клода-Бушеро сможет найти свое применение только после торжества социальной революции.
*
Тот же принцип использования небольшой естественной разности температур для получения энергии положен в основу проекта Баржо. Но, будучи принципиально схожим с проектом Клода-Бушеро, проект Баржо во внешнем своем оформлении диаметрально ему противоположен.
Проект Баржо приложим не к тропическим морям, а к полярным. Холодную воду (с температурой всего в 0 — 2°) Баржо имеет в виду использовать не для охлаждения рабочего тела турбины, а наоборот — для его нагревания. Как это ни может показаться странным с первого взгляда, но Баржо именно предлагает использовать холодную воду, находящуюся под ледяной корой полярных морей, в качестве своеобразного «топлива» для получения пара.
 |
| Наружный вид мощной полярной электростанции по проекту Баржо. |
Разъясним все последовательно. Для того, чтобы паровая турбина могла работать, должна существовать разность температур у входа пара в турбину и на выходе его. Другими словами, температура котла, откуда пар поступает в турбину, должна быть выше, чем температура конденсатора, куда выпускается отработанный пар. У Клода-Бушеро температура котла, в котором кипит под вакуумом теплая океанская вода, равна +26°; температура конденсатора, орошаемого холодной глубинной водой, +4°. А Баржо предлагает использовать разницу между температурой подледной воды полярных морей, равной примерно +2°, и температурой наружного воздуха, которая в арктических широтах большую часть года держится на весьма низком уровне в — 20° и более.
Совершенно очевидно, что если ледяная вода «нагревает» котел, то подучать в нем водяной пар невозможно. Тут уж не поможет никакой вакуум, потому что при 0° вода в котле просто-напросто замерзнет. Но вовсе не обязательно пускать в турбину именно водяной пар. Ее можно заставить работать на парах любой другой жидкости — лишь бы эти пары были химически-стойкими веществами и не разъедали металла машины. Существуют уже сейчас опытные турбины, работающие, например, на парах ртути.
Для установки Баржо, очевидно, требуется такая жидкость, которая не замерзала бы при низких температурах, а кипела бы в пределах температурного интервала между +2° и —20°. Этому условию отвечает углеводород изобутан, содержащийся в нефтяном газе: изобутан кипит под атмосферным давлением при —17°.
Зная все это, нетрудно будет теперь понять схему устройства полярной электростанции по Баржо.
Из-под ледяной коры полярного моря по трубам, защищенным теплоизолирующим материалом, подается внутрь котельного помещения к котлам подледная вода. В этих котлах-испарителях находится жидкий холодный бутан. Вода впрыскивается туда сверху, и под действием ее тепла (а она теплее бутана, хотя и имеет всего температуру в 2°, а то и ниже), бутан начинает кипеть. Пары его отводятся по трубопроводу в турбину, а вода, у которой холодный бутан отнимает тепло, замерзает и в виде ледяной крупы падает на дно испарителей, откуда непрерывно выгребается (бутан с водой, подобно маслу, не смешивается).
Пары бутана проходят через турбину и приводят ее при этом во вращение, вследствие чего динамо, соединенное с нею, дает ток. Далее пары бутана попадают в конденсатор — холодильник, куда непрерывно подаются куски замерзшего ледяного рассола с температурой — 22°. Охлаждаясь, пары бутана сжимаются, а «соленый лед», наоборот, нагревается и тает. Жидкий бутан возвращается по трубам обратно в испаритель, где он снова начинает свое круговращение по системе. А растаявший ледяной рассол выпускается наружу в особые бассейны, прорубленные во льду, и там он постепенно снова замерзает под действием низкой температуры окружающего воздуха. Замерзший рассол опять подается в холодильник, снова плавится здесь под действием более теплых паров бутана, опять выпускается наружу и т. д.
 |
| Схема полярной станции по Баржо. |
Само собой разумеется, что ценный бутан, который придется завозить на север издалека, все время остается в системе и не расходуется. Но некоторые потери все-таки будут неизбежны, и их придется непрерывно возмещать.
Установки Баржо могут показаться весьма сложными по сравнению с установками Клода-Бушеро. Но это не совсем так. Правда, удаление ледяной крупы из испарителей и восстановление мерзлого ледяного рассола — дело кропотливое. Зато в установках Баржо нет надобности доставать воду с глубины в 700—800 м, что до сих пор было самой трудной задачей для Клода и Бушеро. Толщина слоя льда на поверхности полярных морей не превышает нескольких метров, и достаточно здесь сделать обыкновенную прорубь, чтобы получить доступ к неисчерпаемым резервам «теплой» воды. Кроме того расчеты показывают, что основные агрегаты установки Баржо должны иметь гораздо меньшие размеры, чем агрегаты той же мощности в установках Клода-Бушеро.
Есть основания думать, что энергия, полученная из арктического холода по методу Баржо, окажется довольно дешевой. Во всяком случае в Арктике, где топлива очень мало, а добывать его из-за климатических условий трудно, установки Баржо могут оказать неоценимую услугу. И кто знает, может быть, в процессе освоения этого нового метода откроются такие богатейшие возможности, что окажется даже выгодным транспортировать эту полярную энергию в более умеренные области — по линиям сверхвысокого напряжения. Во всяком случае, вопрос об осуществлении идеи Баржо в советской Арктике сейчас изучается у нас со всей серьезностью. Недалек, вероятно, тот день, когда из тепла ледяной воды арктического моря будет получен первый ток. Произойдет, это, надо думать не в Канаде, для которой Баржо прочил в первую очередь свою установку, а у нас в СССР.
*
Если в океане температура воды падает с увеличением глубины, то на суше дело обстоит как раз наоборот: чем глубже проникаешь внутрь земли, тем становится теплее. Известно, что в шахтах, например, на глубине в 500—700 м уже настолько жарко, что без очень сильной вентиляции невозможно работать. В среднем температура возрастает на 3° с увеличением глубины на 100 м.
Причина этого всем известна. Внутренность нашей планеты находится в раскаленном состоянии, и на небольшой уже сравнительно глубине господствуют поэтому столь высокие температуры, которые мы сейчас на земле не можем даже воспроизвести доступными нам искусственными средствами. Выше мы говорили о том, что если имеется постоянная разность температур, то можно тепло превращать в механическую и электрическую энергию. Нельзя ли в таком случае добывать энергию за счет внутреннего тепла земли, используя разность температур на поверхности и в глубине ее?
Ответить на такой вопрос тем легче, что при этом можно оперировать не только теоретическими соображениями, но и совершенно реальными фактами. Трамвай одного из крупнейших в Италии и красивейших в мире городов — Флоренции — работает на токе, получаемом за счет внутреннего тепла земли.
Недалеко от этого города, в окрестностях местечка Лардорелло, земля извергает из трещин горячие пары. Подобные явления встречаются и в других местах, но только здесь, в стране, бедной топливом, люди впервые решили для получения электрической энергии использовать тепло этих естественных паров. И для того чтобы удобнее было собирать подземный пар, его извлекают не из естественных щелей, а бурят специальные скважины на глубину до 100 и больше метров. Когда скважина доходит до пароносного слоя, обычно происходит более или менее сильное извержение — своего рода паровой фонтан, который обуздывают и направляют в трубопровод.
 |
| Оборудование вулканической станции в Лардорелло. |
В течение многих лет земля непрерывно извергает через эти скважины горячий пар при температуре до 160° с постоянством, которому могли бы позавидовать иные наши котельные. Пары эти, правда, содержат едкие примеси (аммиак, сернистый газ и т. п.), так что непосредственно в турбины их пускать нельзя. Но их тепло используется для превращения чистой воды в пар, и уже на этом паре работают двигатели силовой станции в Лардорелло.
Мощность этой станции в 1931 г. составляла уже 32 тыс. квт, и ее энергией пользуются предприятия ближайших городов, в том числе — флорентийский трамвай.
На юге Италии, в Калифорнии, на Аляске, в Японии и в других местах также имеются грандиозные неисчерпаемые подземные «котлы», без устали извергающие горячие пары на поверхность. Не приходится сомневаться в том, что пример Лардорелло найдет здесь подражателей в самом недалеком будущем. Но утилизация дарового подземного пара — только один из путей использования внутреннего тепла земли. В будущем, вероятно, будут найдены и применены на практике и другие, более универсальные методы.
Существует, например, такой простой проект, выдвинутый Парсонсом. С поверхности земли проходят бурением две параллельные глубочайшие скважины — до глубины в 6—7 км, где по всем вероятиям, господствуют уже температуры, близкие к 200°. Между обеими скважинами пробивается громадная камера, к которой подводятся по скважинам трубопроводы. «Качайте воду по одной скважине, и из другой вы будете получать огромные количества готового перегретого пара» — говорит Парсонс.
Идея эта чрезвычайно остроумна, но, к сожалению, не лишена серьезных изъянов. Дело не только в том, что сегодня техника дальше глубин в 3—3,5 км еще не в состоянии идти. Главное то, что подземная камера — котел Парсонса, вероятно, будет давать очень мало пара, ибо горные породы, которые будут его окружать, обладают плохой теплопроводностью. Земля очень лениво будет подводить свое тепло к этому искусственному глубинному котлу, и поэтому производительность его вряд ли оправдает затраты на его сооружение.
Как бы то ни было, тем или иным путем, но человечество сумеет использовать в будущем то чудовищное количество тепловой энергии, которое сконцентрировано под его ногами.
*
Мы разобрали здесь лишь несколько примеров того, как можно было бы расширить энергетическую базу современной техники. Эти примеры можно значительно умножить. Напомним о перспективах уловления солнечной энергии с помощью фотоэлементов или фотохимических процессов, подобных тем, которые происходят в зеленых листьях растений; о ветровых электростанциях, работающих на голубом угле; о проектах использования энергии морского прилива и т. д.
Пусть сегодня техника живет еще, главным образом, за счет запасов угля, торфа и нефти, накопленных природой тысячелетия и миллионолетия назад. Но никто теперь уже не сомневается в том, что этих запасов скоро не хватит и что эти запасы вообще мизерны по сравнению с истинными потребностями человечества, освобожденного от классового неравенства и связанной с ним нищеты. Мы стоим у порога новой энергетической эры — эры изобилия даровой энергии, которую будут доставлять человеку неутомимые и неисчерпаемые природные стихии.
-------------------------------------------------------------------------
1. Большинство приведенных ниже фактических данных и воспроизведенных здесь рисунков заимствовано из книги Г. Гюнтера «Будущее энергоснабжения мира» и А. Любке «Техника и человек в 2000 г.» (есть русские переводы). См. также нашу статью «Скованные проекты» в № 9 «Техника—молодежи» за 1934 г.
Комментариев нет:
Отправить комментарий