Воздействие на окружающую среду. Разнообразие форм жизни в море создает проблему биообрастания. Это же подсказывает возможность разведения рыб на фермах при ОТЭС. Морская вода с глубин богата нитратами, которые можно было бы распреде­лять вокруг станций. Это позволило бы интенсифицировать рост водорослей, которые в свою очередь привлекали бы от других морских обитателей из более высоких по уровню пищевых цепей. За счет этого можно создать основу для коммерческого разведе­ния рыб. Однако общий биологический эффект от подъема огром­ных количеств холодной обогащенной биогенами воды в теплые приповерхностные слои еще не изучен. Он может быть и нежела­тельным. Предварительно его необходимо оценить на мелкомас­штабных установках.

Задачи

1. Рассчитайте размеры кожухотрубного теплообменника для получения выходной мощности Р₂ = 10 МВт, приняв r_v — 3*10~⁴ м²-К/Вт, 6Г=4⁰ С, диаметр трубок D = 5 см.

Указание: следуйте примеру 14.2.

2. Определите потери мощности на трение в теплообменнике, рассмотренном в примере 14.2.

3. Тепловая машина для выработки максимальной мощности. Как показа­но в термодинамике, ни одна тепловая машина не может иметь КПД выше, чем идеальная машина Карно. При работе на перепаде температур Тн и Т_с ее КПД равен г]_к = (7^,/₁ — T_c)/T_h. Однако отводимое тепло в машине Карно равно нулю. Почему?

Воспользуйтесь выражением (14.7) и покажите, что машина, которая создает максимальную полезную мощность при постоянном термическом сопротивлении трубок теплообменника, имеет 67^, = Л7'/4, т. е. «теряет» половину начального температурного перепада. Каков КПД этой машины в качестве преобразователя энергии по сравнению с машиной Карно?

Решение

1. Л = 19-10³ м², Q = 5 м³/с, Re= 1,1 • 10⁵, и = 2,2 м/с, Л=1200, /=100 м.

2. | = 0,007 (при чистых стенках), Pf=35 кВт.

3. г) = г)к/4.

Глава 15

ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ

1. Введение

В ядре нашей планеты максимальная температура достигает 4000° С. Выход тепла через твердые породы суши и океанского дна происходит главным образом за счет теплопроводности (гео­

348

термальное тепло) и реже — в виде конвективных потоков рас­плавленной магмы или горячей воды. Средний поток геотермаль­ного тепла через земную поверхность составляет примерно 0,06 Вт/м² при температурном градиенте менее 30° С/км. Этот непрерывный поток тепла обычно сравнивают с аналогичными величинами, связанными с другими возобновляемыми источника­ми и в среднем в сумме составляющими 500 Вт/м². Однако имеются районы с повышенными градиентами температуры, где потоки составляют примерно 10—20 Вт/м², что позволяет реализовать геотермальные станции (ГеоТЭС) тепловой мощностью 100 МВт/км² и продолжительностью срока эксплуатации не менее 20 лет.

Качество геотермальной энергии обычно невысокое, и лучше его использовать непосредственно для отепления зданий и других сооружений или же для предварительного подогрева рабочих тел обычных высокотемпературных установок. Подобные отопитель­ные системы уже эксплуатируются во многих частях света, значи­тельное число проектов находится в стадии проработки. Если слу­чается, что тепло из недр получают при температуре около 150° С, то имеет смысл говорить о преобразовании его в электроэнергию. Несколько важных достаточно мощных ГеоТЭС уже запущены в Италии, Новой Зеландии, США.

Наиболее просто использовать тепло пород с помощью тепло­вых насосов. Хотя, строго говоря, это также «геотермальный» ис­точник, но здесь он не рассматривается.

Часть источников геотермальной энергии можно отнести непо­средственно к возобновляемым источникам энергии, так как их тепло так или иначе рассеивается в окружающей среде подобно теплу горячих ключей и гейзеров. В других же источниках по­токи тепла приходится увеличивать, искусственно пробуривая скважины в природные накопители горячих вод, создавая разрывы и активизируя охлаждение горячих горных пород, и поэтому они не могут оставаться' возобновляемыми в течение длительного времени. Подобные системы ограниченного применения рассмат­риваются здесь лишь потому, что их принято упоминать среди дру­гих «альтернативных» источников энергии. Правильнее считать, что извлечение и использование геотермальной энергии более близко по своей сути к сжиганию ископаемого топлива, нежели к преобразованию рассеянной в окружающей среде действительно возобновляемой энергии. В связи с этим геотермальной энергии здесь уделено сравнительно мало места.

2. Геофизика

Внутренняя структура планеты показана на рис. 15.1. Тепло­передача от полужидкой мантии поддерживает температурную разность между внешней и внутренней поверхностями сравнитель­

349

но тонкой коры около 1000° С при среднем градиенте температур около 30° С/км. Твердые породы, слагающие кору, имеют, среднюю плотность 2700 кг/м³, теплоемкость 1000 Дж/(кг-К) и тепло- проводность 2 Вт/(м-К). Поэтому средний геотермальный поток и состав- ляет примерно 0,06 Вт/м², а примерно Ю²⁰ Дж/км² в виде тепла аккумулиро- вано в коре. Если за 30 лет преобра- зовать только 0,1% этого тепла, то тепловая мощность, которую можно получить, составит 100 МВт/км². Эти оценки дают представление о ресурсах тепловой энергии и показывают, что геотермальный источник обладает ог- ромным потенциалом.

Земная кора получает тепло в результате: естественного охлаж­дения и трения ядра; радиоактивного распада элементов, подоб­ных торию и урану; химических реакций. Постоянные времени этих процессов настолько велики по отношению к времени сущест­вования Земли, что невозможно даже оценить, увеличивается тем­пература ее или уменьшается. Радиоактивные элементы концент­рируются в коре путем фракционной рекристаллизации из распла­вов, особенно много их в граните. В течение многих миллионов лет радиационный распад и химические реакции являются единст­венным существенным источником тепла (см. задачу 15.2), а геотермальная энергетика предполагает выведение тепла, запа­сенного в тепловых хранилищах в толще коры.

Если теплопроводность — единственный механизм теплопере­дачи, то при распространении тепла через однородные материа­лы от мантии к поверхности Земли градиент температуры будет постоянным. Он повышается в зонах с плохо проводящими тепло твердыми включениями и снижается в зонах повышенного тепло­обмена, например в насыщенных водой породах, где возникает конвективный перенос тепла. Аномально высокие температурные градиенты часто наблюдаются в местах расположения радиоак­тивных или экзотермических химических источников.

Земная кора состоит из огромных платформ (рис. 15.2). Зо­нам границ платформ соответствует усиление теплового взаимо­действия коры с мантией, сопровождающееся сейсмической ак­тивностью, наличием вулканов, гейзеров, фумарол и горячих клю­чей. Потенциал геотермальной энергии этих районов очень велик, им соответствует увеличение температурных градиентов до 100° С/км и активизация высвобождения воды в виде пара или пе­регретой жидкости, часто находящихся под повышенным давле­нием.

Внутреннее

ядро

-4000°С

¹—30 нм

2900

5150

6370

Рис. 15.1. Внутреннее строе­ние Земли. Кора имеет суще­ственные вариации по соста­ву и толщине

350

Рис. 15.2. Районы повышенной геотермальной активности. Обозначены наиболее хорошо известные месторождения и термальные поля. Штриховые линии — гра­ницы основных плит; пунктирные — зоны напряжений

Из-за аномалий в структуре коры районы с умеренным увели­чением температурных градиентов (примерно до 50° С) встреча­ются и на достаточном удалении от границ платформ. В таких районах тепло может высвобождаться естественным образом из-за проникновения воды в зону подогрева, сопровождающегося интенсивным конвективным теплообменом. В результате возни­кают горячие источники с повышенной концентрацией растворен­ных химических веществ, часто известные как целебные. Глубоко залегающие зоны подогрева с помощью бурения могут стать источниками тепла с температурой от 50 до 200° С. Если подобные аномалии связаны с материалами, имеющими низкую теплопро­водность, например сухими скальными породами, то повышение температурных градиентов достигается за счет относительного увеличения запасенного в породах тепла.

Сведения о геотермальных структурах получают при геологи­ческой съемке, проходке шахт, нефтяных скважин. Наиболее важ­ным параметром является температурный градиент, точность из­менения которого зависит от сохранения в скважине в процессе бурения невозмущенного поля температур. При глубоком бурении скважины обычно достигают отметки 6 км, но технология буре­ния остается такой же до глубины 15 км. Технология обустройства таких скважин вполне отработана, так что применительно к стро­ительству ГеоТЭС эта проблема может считаться решенной.

Принято выделять три класса геотермальных районов.

Гипертермальный. Температурный градиент — более 80° С/км. Эти районы расположены в тектонической зоне вблизи границ континентальных плит. Первый такой район был задействован

351