Текст книги "Физика и магия вакуума. Древнее знание прошлых цивилизаций."

Автор книги: Игорь Прохоров

сообщить о нарушении

Текущая страница: 16 (всего у книги 54 страниц)

     На практике создание двухслойной капиллярной структуры может оказаться сложной и дорогой операцией. Поэтому предлагается следующий вариант „как-бы“ двухслойной структуры: на основной теплообменной поверхности наносится ряд тесно расположенных вертикальных канавок, которые затем покрываются тонким слоем с мелкими порами.

     Общий капиллярный напор ;PCAP, создаваемый наружным слоем, уравновешивается статическим весом колонны жидкости ;PST и гидравлическими сопротивлениями внутреннего крупно-пористого слоя ;PI и наружного мелко-пористого покрытия ;PЕ (гидросопротивление подъемного и опускного каналов пока учитывать не будем)

                (3.1.4)

Составляющие данного равенства записываются как

                (3.1.5)

                (3.1.6)

                (3.1.7)

                (3.1.8)

где ; – поверхностное натяжение, ; – краевой угол смачивания, r – радиус пор, Н – высота подъемного канала, h – высота теплообменников, G – расход рабочего тела, К – коэффициент проницаемости, ; – пористость, ; – толщина слоя, F – площадь поперечного сечения прохода жидкости, ; и ; – динамическая вязкость и плотность рабочей жидкости (индексы „I“ относятся к внутреннему слою, индексы „E“ – к наружному, „L“ означает жидкость, „V“ означает пар).

Площади поперечного прохода жидкости FI и FE рассчитываются как

                (3.1.9)

                (3.1.10)

где d – ширина теплообменников, D – ширина верхнего отсека (предполагается, что длина и ширина отсека одинаковы, а теплообменники занимают всю площадь отсека), ;W – толщина основной стенки теплообменника, на которую наносятся капиллярные слои, ;1 – толщина теплообменника, ;2 – расстояние между теплообменниками. В дальнейшем для краткости будем обозначать комплекс ;1+;2+2(;W+;I+;E) через S. Подставляя формулы (3.1.5) – (3.1.10) в исходную зависимость (3.1.4), получаем

                (3.1.11)

Энергия, вырабатываемая гидротурбиной в единицу времени, определяется как QH = GgH;H, где ;H – эффективность работы гидротурбины. Поэтому

               (3.1.12)

Полезная электрическая мощность QE, отдаваемая потребителю, определяется разностью между энергией гидротурбины QH и потреблением энергии компрессором ;N. Последняя величина рассчитывается по обычной зависимости как произведение расхода G и перепада давления ;PV, деленных на плотность пара ;V и эффективность компрессора ;F. Создаваемый компрессором общий перепад давления ;PV тратится на создание полезного перепада давления ;PТ, ответственного за возникновение температурного напора между конденсирующимся паром и испаряющейся жидкостью, и преодоление аэродинамического сопротивления потоку сжатого пара внутри теплообменников ;PV1 и потоку еще не сжатого пара в пространстве между ними ;PV2

                (3.1.13)

Для расчета величины  ;PТ нужно знать зависимость давления насыщения от температуры. С достаточной для технических расчетов точностью эту зависимость можно представить как

                (3.1.14)

где для случая эвтектики натрий-калий А = 10282.9, В = 9.6781, С = -2.4. Дифференцирование данной зависимости дает

                (3.1.15)

Множитель 105 появляется в формуле по причине того, что давление Р выражается в барах, а перепад давления ;Р – в паскалях. Аэродинамическое сопротивление ;PV1 рассчитывается как

                (3.1.16)

где w = GS/(4;V;1hD) – средняя скорость пара, ; = 64/Re – коэффициент трения (движение пара предполагается ламинарным). В этом случае

                (3.1.17)

Аналогично

                (3.1.18)

Таким образом, полезная электрическая мощность определяется как

  (3.1.19)

где ; = AP105 ;T/[;V ;H ;F (T-C)2] + gh

     Как видно из полученной формулы, электрическая мощность гравитационной станции зависит от многих факторов в сложной форме. Для нас наибольший интерес представляют зависимости QE от температурного напора ;Т, толщины внутреннего крупно-пористого слоя капиллярной структуры ;I, ширины d и высоты h теплообменников, т.к эти параметры влияют на электрическую мощность сложным образом и будут иметь некоторое оптимальное значение, когда мощность достигает максимума. Что касается других характеристик, они оказывают практически однозначное влияние на электрическую мощность и не имеют оптимального значения.  Например, увеличение толщины наружного мелкопористого покрытия ;Е ведет к монотонному падению мощности, поэтому ее всегда нужно делать как можно меньше.

Оптимальные значения параметров  ;Т, ;I, d и h рассчитываются последовательным дифференцированием последней формулы и определением таких значений параметров, при которых производная обращается в нуль. Опуская все промежуточные выкладки, привожу окончательный результат

        (3.1.20)

                (3.1.21)

                (3.1.22)

                (3.1.23)

                (3.1.24)

                (3.1.25)

                (3.1.26)

                (3.1.27)

Расчет начинается с определения hOPT из уравнения (3.1.23), которое затем используется для расчета других оптимальных характеристик. На практике второе слагаемое (6Mg -YN)h   уравнения (3.1.23) намного меньше остальных, поэтому его можно опустить.

     Формулы (3.1.20) – (3.1.27) были получены в предположении исключительно малого гидравлического сопротивления сопла, а также подъемного и опускного каналов. В реальности это не так, и при определенных условиях трение в сопле и каналах может заметно влиять на характеристики станции. Для расчета диаметра сопла запишем уранение гидростатического баланса между статическим давлением столба жидкости в опускном канале ;PST, трением канала ;PFD, трением в сопле ;РN и потерь давления с выходной скоростью ;РOUT

                (3.1.28)

где ;PFD = ;(H/dFD)(;w2/2), ;PN = ;(LN/dN)(;w2/2), ;POUT = ;(;w2/2), ; = 0.11(;/dFD+68/Re)0.25 – коэффициент трения, dFD – диаметр опускного канала, ; – высота бугорков шероховатости, ; – коэффициент потерь давления с выходной скоростью (меняется от 1.5 для параболического распределения скоростей в сопле до 1.0 для плоского распределения), LN – длина сопла. Расписывая скорости w и числа Рейнольдса Re через расход G, можно получить выражение для расчета диаметра сопла

                (3.1.29)

     Зная диаметр сопла, можно рассчитать скорость рабочей жидкости на выходе из него и энергию, передаваемую гидротурбине струей жидкости. Следует отметить, что рассчитываемый по данной формуле диаметр сопла будет иметь оптимальное значение. Любые отклонения от него в ту или иную сторону приведут к снижению выработки энергии. Если диаметр уменьшить по сравнению с оптимальным значением, тогда статический вес столба жидкости в опускном канале уже не сможет преодолевать возросшее трение сопла, и уровень жидкости в канале начнет подниматься, заливая снизу теплообменники. В этом случае площадь поверхности теплообмена станет снижаться, а расход рабочей жидкости по контуру станет падать. В конце концов конденсат в теплообменниках установится на таком уровне, когда возросшее трение в сопле будет компенсироваться малым расходом жидкости. А малый расход означает малую производительность. При увеличении диаметра сопла сверх оптимального значения расход рабочего тела останется неизменным, но уровень жидкости в опускном канале будет падать. Вместе с ним будут снижаться напор жидкости, скорость на выходе из сопла и энергия струи жидкости. При оптимальном значении диаметра сопла жидкость в опускном канале стоит на таком уровне, когда она заполняет весь канал полностью, но теплообменники еще не заливает. В этом случае реализуются максимальные значения напора жидкости и ее расхода.

     Для расчета стоимостных характеристик нам нужно уметь оценивать хотя бы грубо затраты на строительство станции. Оказалось, что это не сложно сделать. Основная масса станции приходится на теплообменники, поэтому стоимость их изготовления будет определять стоимость всей станции. В настоящее время цену листового железа толщиной 0.5-1.0 мм можно считать равной 0.5 евро/кг, а цена меди превышает цену железа в 7.5 раз. Практика показывает, что общие затраты на изготовление пластинчатых теплообменников превышают стоимость металла грубо в 10 раз, а затраты на строительство атомной станции примерно равны стоимости всего оборудования. Поэтому для грубой оценки общих затрат на строительство станции достаточно массу теплообменников умножить на цену металла и полученную цифру увеличить в 20 раз.

     Будем считать, что давление рабочей среды Р=1 бар, длина и ширина верхнего отсека D=100 метров, толщина стенки тепообменника ;W = 0.2мм, толщина наружного мелкопористого слоя ;Е = 0.1мм, толщина теплообменников и шаг между ними ;1 = ;2 = 5 мм, эффективность работы гидротурбины ;Н = 0.9, эффективность работы компрессора ;F = 0.85, радиус пор наружного покрытия rE = 0.04;10(-6) м, пористость ; = 0.6, диаметр подъемного и опускного каналов d = 2м, длина сопла LN = 0.2м, коэффициент сопротивления ; = 1.5. В качестве конструкционного материала будем рассматривать сталь с теплороводностью ; = 36.8 вт/м/гр и медь, для которой  ; = 337 вт/м/гр.

     Для таких исходных данных получились следующие значения оптимизируемых параметров: толщина внутреннего слоя капилляров ;I = 0.45мм (1.0мм), температурный напор ;Т = 0.260 (0.210), ширина теплообменников d = 4.86м (2.8м), высота теплообменников h = 136.5м (150м). Цифры вне скобок относятся к стали, цифры в скобках – к меди. Другие харктеристики имеют следующие значения: высота подъемного и опускного каналов Н = 328м (446м), мощность гидротурбины WH = 534 MВт (1555 МВт), полезная мощность WE = 347 МВт (1208 МВт), коэффициент полезного действия станции ; = 65% (77.2%), капитальные вложения Z = 17.1 млр.евро (30 млр.евро), стоимость установленного киловата С = 49.3 евро/ватт (25.7 евро/ватт). Было найдено, что основная доля затрат приходится на изготовление и монтаж оборудования (94% всех затрат для Fe и 73% для Сu), на закупку конструкционных материалов приходится 3.8% всех затрат для Fe и 24% для Сu, а закупка рабочего тела обходится совсем дешево (2.2 – 3.0% в обоих случаях).

     Расчеты показывают, что медь в качестве конструкционного материала себя оправдывает. Несмотря на высокую цену, она позволяет при одинаковых условиях поднять электрическую мощность станции более чем в четыре раза и тем самым заметно снизить стоимость установленного киловатта. Но общие затраты на строительство даже в этом случае оказываются неприемлемо высокими. В настоящее время стоимость установленного киловатта на атомных станциях лежит в интервале (2;4) евро/ватт. Например, английская АЭС „Сайзуэл – В“ мощностью 1200 МВт потребовала в свое время на строительство столько фунтов стерлингов, сколько сегодня соответствуют 2.9 млр.евро, что сделало стоимость ее установленного киловатта равной 2.4 евро/ватт. Чтобы сделать гравитационную электростанцию конкурентной, необходимо добиться таких же показателей как минимум.

     Эту задачу можно решить уменьшением высоты теплообменников. Найденные выше формулы расчета оптимальных параметров станции соответствуют условию достижения максимальной электрической мощности. А нам сейчас нужно снизить капитальные вложения, пусть даже мощность станции от этого окажется ниже. Уменьшение высоты тепообменников ведет к снижению расхода рабочей жидкости из-за уменьшения площади поверхности теплопереноса. Но при этом из-за снижения гидравлического сопротивления потоку жидкости появляется возможность увеличения высоты подъемного и опускного каналов. В итоге расход и гидросопротивление так компенсируют друг друга, что электрическая мощность станции с уменьшением высоты теплообменников от 150 до 75 метров практически не меняется, а падать начинает лишь при дальнейшем уменьшении высоты h менее 75 метров.

     Вследствие того, что капитальные затраты на строительство падают с уменьшением высоты теплообмеников гораздо сильнее, стоимость установленного киловатта опускается до вполне приемлемых значений. Минимальное значение стоимости киловатта 1.65 евро/ватт наблюдается при h = 15м. Дальнейшее уменьшение выысоты теплообменников сопровождается увеличением стоимости киловатта. Дело в том, что при h > 15м капитальные затраты на строительство определяются в основном стоимостью изготовления теплообменников, поэтому уменьшение их высоты сопровождается пропорциональным уменьшением капитальных затрат. Но при h < 15м основные капитальные затраты приходятся уже на изготовление того, что не относится к теплообменникам: гидротурбина и компрессоры, подъемные и опускные каналы, стоимость рабочего тела и т. д. Поэтому дальнейшее уменьшение высоты теплообменников менее 15 метров сказывается на снижении капитальных затрат слабее, а мощность станции при этом продолжает пропорционально падать. Как результат, стоимость киловатта начинает расти.

     Эффективность работы станции при  h = 15м составляет 52%. Хотя эта цифра заметно меньше значений (60-80)%, которые наблюдаются для  h > 100 м, она значительно превосходит стандартные значения кпд тепловой или атомной станции порядка (30-40)%. При этом тепловые выбросы ГРАЭС на жидком металле будут характеризоваться намного более высокими температурами. Для ТЭС или АЭС температура  сбросного тепла лежит обычно в интервале (30;40)0, что делает промышленное использование такого тепла довольно затруднительным. Для ГРАЭС на жидком металле температура сбросного тепла будет всего на несколько десятков градусов меньше температуры рабочего тела, то есть она будет лежат в интервале (700;750)0. Если это тепло преобразовать в электричество стандартным турбомашинным способом с эффективность 35%, общий кпд станции поднимется до 69%.

     Эффективность ГРАЭС вполне по силам поднять значительно выше уровня 52%. Это можно сделать уменьшением температурного напора между зонами испарения и конденсации,  что  достигается  снижением  мощности  компрессора.  На рис.  3.1.3  показано

Рис.3.1.3. Влияние температурного напора ;Т между зонами испарения и конденсации

на параметры ГРАЭС: синяя кривая – мощность гидротурбины WH (МВт), черная кривая – полезная электрическая мощность WE (Мвт), зеленая кривая – эффективность станции ;(%).

влияние температурного напора между зонами испарения и конденсации на мощность гидротурбины WH (МВт), полезную электрическую мощность WE (МВт) и эффективность электростанции ; (%). По мере увеличения температурного напора от нуля и выше гидротурбиннная мощность постоянно и монотонно растет. Но электрическая мощность ведет себя более сложным образом: она растет лишь до определенного момента, соответствующего температурному напору ;Т = 0.420. Максимальное значение электрической мощности при ;Т = 0.420 составляет 634 МВт, при этом мощность гидротурбины равна 1093 МВт. Тогда ; = 58%. Дальнейшее увеличение температурного напора сопровождается падением электрической мощности (следовательно, эффективности) вплоть до нуля при ;Т = 0.850. В этом случае вся выработка энергии гидротурбиной идет на питание компрессоров, и затем преобразуется в тепло, а потребителю уже ничего не поступает: станция работает только на себя.  Очевидно, что минимальная стоимость установленного киловатта будет соответствовать максимальному значению электрической мощности: при ;Т = 0.420 стоимость киловатта С = 1.6 евро/ватт.

     Следует отметить, что понятие коэффициента полезного действия для ГРАЭС теряет свой старый смысл, заимствованный из тепловой энергетики. Для ТЭС кпд рассчитывается как отношение полезной энергии, отданной потребителю, к полной энергии сгораемого топлива. Последняя величина определяется только количеством и качеством сгораемого угля (или нефти, или газа). И никакие технические усовершенствования станции повлиять на нее не могут. Зато могут повлиять на отдаваемую потребителю электрическую мощность. Поэтому можно сказать, что кпд тепловой электростанции характеризует степень совершенства процесса преобразования энергии.

     Для ГРАЭС ситуация сильно меняется. Многие параметры станции влияют одновременно на мощность гидротурбины и на электрическую мощность. Поэтому отношение мощностей (или коэффциент полезного действия) может меняться самым неожиданным образом. Рис. 3.1.3 это как раз и показывает. Уменьшение температурного напора ведет к повышению кпд, и для ;Т = 0 эффективность стремится к 100%. Но при этом полезная мощность станции стремится к нулю. Ясно, что такая станция никакого смысла не имеет. Поэтому если концентрироваться только на кпд и не обращать внимания на другие величины, можно сделать неправильные выводы. Поэтому для характеристики степени совершенства преобразования энергии в ГРАЭС следует использовать иные параметры, а не кпд.

     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.

     Кольцар изготавливается из обычной пластиковой колбы для газированного напитка (рис.3.1.6). Разрезаем ее пополам и получаем две половины – верхнюю и нижнюю. В нижнюю половину устанавливаем деревянную перегородку (желательно из лиственных пород, а не хвойных, т. к. хвойные породы содержат смолу, которая может забивать поры и препятствовать прохождению через них рабочей жидкости). Древесные волокна перегородки должны быть ориентированы в вертикальном направлении, а не в горизонтальном, иначе жидкость не сможет просачиваться через дерево. В нижнюю часть перегородки вкручиваем металлические болты: чем больше болтов, тем лучше будет работать модель. Устанавливаем в перегородке также трубку, через которую жидкость будет переливаться из одного отсека в другой.  После этого частично заливаем нижнюю половину колбы под перегородкой так, чтобы головки болтов находились уже в жидкости, но сама жидкость еще не достигала дерева. То есть надо сохранить под перегородкой воздушную прослойку. Затем наливаем на перегородку сверху немного этой же жидкости и надеваем верхнюю половину колбы на нижнюю. Модель готова к работе.

Рис.3.1.6. Принципиальная схема модели гравитационной электростанции: 1 – пластиковая колба, 2 – трубка, 3 – деревянная перегородка, 4 – металлические болты, 5 – жидкость.  Жидкость просачивается через перегородку под действием капиллярных сил сверху вниз и сжимает слой воздуха под перегородкой. Воздух в свою очередь выталкивает жидкость через трубку в верхний отсек.

     Установка работает следующим образом. Жидкость просачивается через перегородку сверху вниз и воздушная прослойка под ней оказывается со всех сторон окружена жидкостью. Под действием окружающего тепла жидкость начинает испаряться и заполнять воздушную прослойку. Одновременно с испарением жидкости начинается обратный процесс конденсации уже образованного пара. Рано или поздно достигается равновесное состояние, когда скорости испарения и конденсации уравновешивают друг друга.

     Если внешняя сила отсутствует, тогда любая молекула пара имеет одинаковую вероятность уйти из паровой фазы как в верхний, так и в нижний слой жидкости. Но если имеется внешняя сила гравитации, тогда на хаотическое броуновское движение молекул пара накладывается их медленый дрейф в сторону этой силы.  И каждая молекула приобретает более высокую вероятность уйти в жидкую фазу вниз, чем вверх. Если, скажем, сверху и снизу испарилось по 100 молекул пара, то вверх уйдет 99 молекул, а вниз уйдет 101 молекула. Начинается медленный переток вещества сверху вниз через паровоздушную прослойку. Уровень жидкости в нижнем отсеке поднимается, воздух под перегородкой сжимается и выдавливает жидкость в трубку, по которой та поднимается в верхний отсек, капает сверху на перегородку, просачивается через нее вниз и так процесс постоянно повторяется.

     Вследствие того, что на нижней поверхности перегородки превалирует испарение, она охлаждается. А поверхность жидкости в нижней части колбы нагревается, т. к. здесь превалирует конденсация. Возникает разность температур и тепловой поток снизу вверх через паровоздушную прослойку. Стационарный режим устанавливается, когда прямой перенос тепла гравитацией сверху вниз уравновешивается обратным переносом тепла теплопроводностью снизу вверх. Очевидно, что чем больше будет обратный перенос тепла, тем больше окажется и прямой перенос тепла и вещества. Вот для этого и нужны металлические болты в перегородке: за счет своей высокой теплопроводности металл интенсифицирует обратный перенос тепла. Однако, если металла будет слишком много, уменьшение площади испарения может снизить эффективность установки. Следовательно, должна быть некоторая оптимальная концентрация металла, когда достигается максимальная эффективность. Расчеты показали, что оптимальная величина поперечного сечения установки, занятая металлом, составляет более 99%. В реальности такой степени заполненности проходного сечения достичь невозможно. Поэтому с практической точки зрения надо вкручивать в дерево так много болтов, сколько удастся сделать.

     Была получена следующая формула, описывающая степень интенсификации процесса извлечения энергии из гравполя в данной модели за счет использования металла

                (3.1.30)

где SM – поперечное сечение той части перегородки, которая занята металлом, S0 –  полное поперечное сечение перегородки, G0 – расход жидкости в случае отсутствия всякого металла, ;M – теплопроводность металла, ;A – теплопроводность воздуха. Пусть ;A = 0.02 вт/м/гр (сухой воздух) и ;M = 50 вт/м/гр (углеродистая сталь). Тогда при  SM / S0  = 0.01 будем иметь G / G0 = 26.25, а для  SM / S0  = 0.1 получаем G / G0 = 278.8. Замена стали на медь (;M = 372 вт/м/гр) при   SM / S0  = 0.1 дает отношение расходов G / G0 = 2068.

     Повысить эффективность работы кольцара можно также путем удаления всего воздуха из паро-воздушной прослойки под перегородкой, чтобы она была заполнена только паром. Воздух ухудшает процесс переноса пара через прослойку сверху вниз по следующей причине. Он увлекается медленно опускающимся паром и концентрируется на поверхности жидкости, где идет конденсация. Поэтому парциальное давление воздуха в этом месте растет, а парциальное давление пара снижается. Как итог, снижаются температура насыщения на зеркале жидкости, температурный напор между зонами испарения и конденсации, и общая эффективность кольцара. Удалить воздух из паро-воздушной прослойки достаточно легко. Нужно сразу после заливки жидкости немного подержать колбу в руках, не закрывая заливочного отверстия. Жидкость от тепла рук будет понемногу испаряться и уходить через заливочное отверстие в атмосферу, увлекая за собой воздух. Через некоторое время воздух под перегородкой исчезнет практически полностью. И после этого заливочное отверстие можно будет закрывать.