Что может тепловая «капсула»

Проведя несколько дней в библиотеке, я понял, что все мои мысли и проекты давно известны.

Американские инженеры уже испытали парафиновые накопители тепла, которые действительно оказались гораздо лучше водяных. Мне можно было не пачкать термос парафином...

Японские энергетики строят накопители тепла, состоящие из множества шариков, сделанных из окиси алюминия. Шарики сначала обдувают горячим воздухом, а потом они сами нагревают холодный воздух, который затем идет на цели отопления.

Немецкие ученые построили накопитель тепла в виде вращающегося котла с глауберовой солью. Когда котел подогревают, соль плавится, поглощая большое количество энергии. Накопленное тепло используют для разных целей, в частности – для обогрева жилищ. Глауберова соль запасает тепла в 7 раз больше, чем нагретая вода, и в 12 раз больше, чем нагретые камни. Объем такого котла – около 3 кубометров.

Однако немецкие ученые на этом не остановились и предложили проект поистине гигантского теплового накопителя. Озеро площадью до 500 гектаров предполагается покрыть «одеялом» из пенопласта толщиной 10 сантиметров. После этого воду в озере нагреют до 75 градусов. Благодаря «одеялу» тепло в озере будет держаться очень долго, многие месяцы, и его можно постепенно использовать.

Горячее озеро, покрытое пенопластовым «одеялом».

Но если уж и говорить о гигантских тепловых накопителях, то проект советских ученых не имеет себе равных. В нем предлагается использовать солнечную энергию с помощью теплового накопителя массой... 400 миллионов тонн! Этот накопитель можно представить себе в виде кольца шириной 10 метров и толщиной в полметра, опоясывающего Землю по экватору. Днем участки кольца, которые освещаются солнцем, нагреваются, и заполнитель плавится. Ночью расплавленные участки гигантского накопителя выделяют тепло, снабжая энергией население всего земного шара.

Узнал я и о том, что тепловые накопители применяли на транспорте, причем более ста лет назад. Как я уже говорил, во Франции в городе Нанте в конце прошлого века ходил трамвай, движимый сжатым воздухом. Так вот, этот трамвай на конечных станциях заправляли не только сжатым воздухом, но и... кипятком.

Кипяток, играя роль накопителя тепла, согревал воздух после выхода его из баллона, когда первый сильно охлаждался. Нагревание повышало давление воздуха, и он совершал гораздо большую работу, чем без нагрева. Так можно было получить от газового или воздушного аккумулятора энергию, даже превосходящую ту, что была затрачена при зарядке баллона.

Разумеется, я не мог отказать себе в удовольствии проверить такой «гибридный» накопитель в действии и сделал небольшую тележку – микромобиль. Основой послужил детский педальный автомобильчик – карт, какие продаются в «Детском мире». На тележке я установил баллон углекислотного огнетушителя и соединил его прочным резиновым шлангом с пневматическим гайковертом, приобретенным в магазине инструментов. Гайковерт состоит из пневмодвигателя, работающего от сжатого воздуха, и редуктора, понижающего скорость вращения патрона. С этим патроном я связал цепной передачей одно из задних колес тележки, а второе посадил на ось свободно, на подшипниках.

Микромобиль с гибридным тепло-газовым накопителем энергии: 1 - баллон с жидкой углекислотой; 2 - накопитель тепла со змеевиком; 3 - пневматический гайковерт; 4 - цепная передача.

Раскрывая вентиль баллона, я подавал углекислоту в гайковерт, он вращал колесо, и микромобиль катился. Но теперь пневмодвигатель не замерзал, как в моем недавнем опыте с воздуховозом. Я поставил на пути газа из баллона в пневмодвигатель накопитель тепла, изготовленный из кастрюли, и внутри его поместил змеевик из металлической трубки (он был взят из выброшенного холодильника). В кастрюлю заливалась кипящая вода, а впоследствии расплавленный парафин и даже глауберова соль. Углекислый газ, проходя через змеевик, сильно нагревался и отдавал микромобилю значительно больше энергии.

Если правильно подобрать передаточное число цепной передачи от патрона гайковерта к колесу, на таком микромобиле можно проехать около километра. Позднее я додумался применить здесь цепную «коробку скоростей» от гоночного велосипеда и несколько баллонов с углекислотой, вследствие чего длина пробега микромобиля еще более увеличилась. Баллоны с углекислотой нужно было периодически заряжать там, где их заряжают водители. Или покупать уже заряженные баллоны в автомагазинах. Что и говорить, дороговатое катание получалось, но зато было интересно.

Мой микромобиль всем очень нравился, сверстники любили на нем кататься. Каждый приходил со своим огнетушителем, а в автомагазине были рады, что залежалые баллоны хорошо распродаются. Продавцов удивляло только, что спрашивают именно углекислотные, а не другие типы огнетушителей.

Я уже умел составлять заявку на изобретение и вскоре подал ее на свой микромобиль. В ответ пришло письмо, уведомляющее, что мне выдадут авторское свидетельство. Еще одно изобретение, а настоящей «капсулы» все нет...

Чтобы избавиться от дорогих баллонов с углекислотой, я решил поставить на микромобиль вместо пневмодвигателя паровую машину, которую мне обещали дать из школьного физического кабинета, а огнетушитель заменить обыкновенным паровым котлом. Правда, расчеты показали, что ни парафин, ни глауберова соль мне здесь не помогут – слишком низка их температура плавления. Тут вполне подошел бы гидрид лития с его 650 градусами. Однако все мои попытки достать гидрид или сходный с ним фторид лития не увенчались успехом. В хозяйственных магазинах его не было, в магазинах химреактивов мне постоянно советовали обратиться в конце месяца.

А пока я ждал очередного конца месяца, мне попалась на глаза – кажется, в журнале «Техника – молодежи» – информация как раз об использовании тепловых накопителей на транспорте. В маленькой заметке сообщалось, что в тепловой накопитель, установленный на мотороллере с так называемым двигателем Стирлинга мощностью в 3 лошадиные силы (2,2 квт), заливали ведро расплавленного фторида или гидрида лития и двигатель работал 5 часов, используя накопленное тепло.

Значит, мне уже не нужно тратить время на поиски гидрида лития, тепловой накопитель с ним уже есть. Вот только что это за двигатель Стирлинга?

Так и не вспомнив, где мне попадалось это название, я обратился к энциклопедии и узнал, что принцип действия двигателя, изобретенного в 1816 году Робертом Стирлингом, основан на нагревании одной его части и охлаждении другой – как будто специально для применения теплового накопителя; в самом двигателе находится газ – водород или гелий – под большим давлением. Двигатель Стирлинга сейчас считают одним из самых перспективных тепловых двигателей, он работает даже от тепла человеческих рук.

Я еще раз внимательно прочитал заметку из журнала и прикинул, сколько потребовалось бы горючего для совершения той же работы. Сравнение оказалось не в пользу теплового накопителя – горючего понадобится всего около трех килограммов, или чуть больше трех литров!

В чем дело? Почему столь энергоемкий накопитель, как тепловой, менее эффективен, чем бак с горючим?

Когда же я попытался вычислить массу всего силового агрегата, необходимого для автомобиля, то есть двигателя Стирлинга вместе с тепловым накопителем, то пришел к совершенно неутешительным выводам. Масса агрегата становится настолько большой, что раз в триста превышает тот же показатель для чисто теплового накопителя.

Это происходит прежде всего потому, что двигатель Стирлинга и тем более паровая машина очень тяжелы сами по себе. Кроме того, в механическую энергию, как выяснилось, можно перевести с помощью этих машин только около трети энергии накопителя. Две трети энергии, а следовательно, и массы накопителя для нас теряются.

Так или иначе, но для прохождения ста километров пути автомобилю понадобился бы силовой агрегат массой около трех тонн, или в три раза больше, чем весит сам автомобиль! Ни о какой «капсуле» здесь говорить, естественно, не приходится...

Кое-что об энергии и работе

Как же так: механическая энергия вся без остатка переходит в тепловую, а тепло «не хочет» полностью переходить обратно в механическую энергию? Разве эти процессы не обратимы? Ответы на свои вопросы я нашел в том же учебнике физики.

Для преобразования тепла в механическую работу создан целый класс машин, называемых тепловыми двигателями. Они могут быть внутреннего сгорания, какие мы привыкли видеть на автомобилях, паровыми, Стирлинга, которые еще называются «внешнего сгорания», и мало ли еще какими, их очень много. Во всех этих двигателях, независимо от их типа, присутствуют рабочее тело (в паровых машинах – пар, в двигателях Стирлинга и внутреннего сгорания – газ; рабочее тело бывает и жидким), нагреватель и холодильник. Поэтому распознать тепловой двигатель нетрудно. В нагревателе (топке, цилиндре и пр.) рабочее тело греют, затем «высокотемпературная» тепловая энергия переходит в «низкотемпературную», или, как говорят, «деградирует», совершая механическую работу. Деградированная часть тепловой энергии уже не может эффективно совершать работу в данных условиях, она поглощается холодильников, «выбрасывается» в окружающую среду. Такого рода потери энергии присущи любому тепловому двигателю.

Однако это еще не все. Внутренняя энергия газа или пара вообще всегда превращается в энергию движения механизмов лишь частично. Чтобы было понятнее, вспомним, как механическая энергия движущихся тел превращается в тепловую энергию. Попала, например, летящая пуля в доску, застряла в ней, при ударе вся ее кинетическая энергия перешла в тепло – энергию атомов и молекул. По-другому обстоит дело, когда внутренняя энергия газа или пара превращается в механическую энергию.

Внутренняя энергия тел складывается из механической энергии атомов и молекул, находящихся в состоянии хаотического, неупорядоченного движения. Для того чтобы тепло полностью превратилось в кинетическую энергию движения поршня тепловой машины, многие миллиарды хаотично мечущихся молекул должны были бы дружно подлететь к поршню и, ударившись об него, передать ему всю свою кинетическую энергию. И то всю механическую энергию они не передали бы, останется еще потенциальная энергия взаимодействия молекул.

Вот поэтому-то КПД тепловых двигателей столь невелик. Французский ученый Никола Карно в 1824 году установил, что коэффициент полезного действия любого теплового двигателя не может превышать величины, равной частному от деления разности абсолютных температур (это по Кельвину, чтобы получить то же по Цельсию, нужно прибавить 273 градуса) нагревателя и холодильника на абсолютную температуру нагревателя.

Например, если пар входит в цилиндр паровой машины при температуре 200° по Цельсию, то есть 473° по Кельвину, а уходит при температуре 100°C, то есть 373°К, то КПД такой машины теоретически не может быть выше 100/373, или 21%. А реально КПД поршневых паровых машин не более 10...15%.

Отсюда ясно, почему накопители тепла надо использовать именно для получения тепла, и не пытаться получать от них механической работы. Все равно применение для накопителей тепла в будущем найдется. Хотя бы обогрев салона тех же автомобилей, работающих на энергии до сих пор еще не найденной «капсулы».