Атмосфера ускоряет струю воды. Статья №13. 25.10.16.



В моём прошлом рассказе про атмосферу речь шла об уникальной способности атмосферы совершать дополнительную работу по ходу сжатия воздуха в цилиндре с поршнем. При этом генерация тепла в несколько раз превосходит механическую работу сжатия.

Но ещё более заманчивым вариантом может быть задействование атмосферы в получении полезной механической энергии.

Ещё в школе, на уроках физики мы узнаём, что скорость истечения воды из сосуда, в соответствии с законом сохранения энергии, равна скорости камня, упавшего с высоты, равной напору воды в сосуде. Например, при напоре воды в 1 метр скорость истечения составит 4,4 метра в секунду, а при напоре в 10 метров – 14 метров в секунду.

Здесь всё понятно – потенциальная энергия (mgh) массы m, поднятой на некоторую высоту h, при падении или истечении превращается в кинетическую энергию (mv2/2):

mv2/2 = mgh, или v2 = 2gh

Вы можете сильно не напрягаться в отношении формул и цифр, ведь я их привожу лишь для того, чтобы не быть голословным. Для меня это важно.

Итак, струя воды разгоняется также, как падающий камень. Но, всё это верно при условии, что вокруг нас – безвоздушное пространство. Если же проводить опыты в атмосфере воздуха, то придётся учитывать аэродинамическое торможение падающего камня и гидравлическое сопротивление сопла при истечении воды. С учетом этих неизбежных потерь, скорость камня и скорость струи будут чуть меньше, чем в теории.

А хочется, ведь, совсем другого. Хочется, чтобы океан сжатого воздуха, действуя своей силой атмосферного давления, дополнительно разгонял водяную струю, активно помогая силе тяжести.

Действительно, на поверхность воды в сосуде действует сила атмосферного давления – 10 тонн на квадратный метр. Этакий могучий газовый поршень, создающий реальный напор в 10 метров водяного столба. Жаль, что за пределами сосуда действует точно такое же противодавление, и мы напрямую не можем запрячь в работу давление атмосферы.

Но, оказывается, давление на выходе из сосуда с водой можно существенно понизить, и даже обнулить с помощью самой же водяной струи. В этом случае вода будет вытекать из сосуда, и под действием силы тяжести, и под действием силы атмосферного давления.

Как же этого добиться ?

Очень просто, достаточно к сливному отверстию в сосуде приставить плавно расширяющийся конический насадок (диффузор), и тогда скорость слива воды заметно возрастёт. Как показывает практика, возрастёт, примерно вдвое.

Таким образом можно, к примеру, увеличить скорость слива воды с крыши загородного дома и обойтись вдвое меньшим диаметром водосточных труб.

И этот фокус уже пошёл в жизнь. Новая технология водослива называется вакуумный водосток.

Удивительно, что про такое чудесное, более чем двухкратное увеличение скорости слива воды, скромно умалчивают все учебники и справочники по гидравлике. Максимум, что можно из них выудить – это неопределённое увеличение расхода при использовании расширяющихся сопел. А вот, про значительную прибавку в скорости – говорить в гидравлических кругах не принято. Вдруг, кто-нибудь подумает, что в таком простом устройстве нарушается закон сохранения энергии.

Не дай бог !

Вот и остаётся факт значительного прироста скорости струи в горле сопла Вентури тайной не только для студентов технических вузов, но и для инженеров – гидравликов.

При самой оптимальной конфигурации сопла, можно добиться прироста скорости истечения в два с половиной раза, в сравнении со скоростью свободной струи, которая равна скорости падающего камня. А отсюда следует, что струя в горле сопла Вентури обладает в шесть раз большей кинетической энергией, чем та же струя, вытекающая из классического сужающегося сопла.

То есть к каждой трудовой копейке со стороны земной гравитации, атмосфера добавляет свои безвозмездные пять копеек. Ну, как не сказать ей за это – большое человеческое спасибо.

Да, но откуда же черпается эта дополнительная энергия ?

А всё из того же замечательного “ресивера” под названием атмосфера Земли.

Как же заманчиво – разогнать, с помощью атмосферного давления, воду на гидростанциях. Тогда, в дополнении к потенциальной энергии воды на верхнем бьефе плотины, приплюсуется напор атмосферы. Разумеется, при высоте плотины в 100 метров прибавка напора в 10 метров водяного столба (за счёт атмосферы) погоды не сделает. Но, при плотине высотой 10 метров, получаем удвоение располагаемого напора.

Если же высота плотины всего 2 метра, то выходной диффузор способен увеличить суммарный напор до 10 метров и заставить воду проходить через турбину со скоростью 14 метров в секунду.

Так, неужели же, строители ГЭС не знают об этом удивительном свойстве выходного диффузора ?

Конечно же, знают, и вот уже более ста лет практически на всех гидростанциях мира на выходе из турбины устанавливаются так называемые “отсасывающие трубы”, представляющие собой плавно расширяющийся полый бетонный конус. Не исключено, что именно по этой причине, КПД современных гидростанций вплотную приблизился к единице, в то время как КПД ветряков и газовых турбин не может преодолеть рубеж в пятьдесят процентов.

Правда, в учебниках по гидросооружениям обычно говорится, что основное назначение отсасывающих труб – это снижение кинетической энергии выходной струи. Мол, при отсутствии отсасывающей трубы кинетическая энергия воды, вылетающей из турбины, бесполезно теряется, а при наличии трубы – потери сводятся к нескольким процентам.

На самом деле – это не так. Главное назначение отсасывающей трубы – искусственное увеличение перепада давления на турбине, а вовсе не торможение струи после турбины, которое, само по себе, никоим образом не способно повысить КПД преобразования энергии падающей воды. Фактически, отсасывающие трубы сооружаются, с целью неявного заимствовании потенциальной энергии атмосферы.

Но, почему же, тогда эффект от применения отсасывающих труб не столь значителен, как этого можно было бы ожидать ?

Одной из причин – является кавитация, которую турбинисты боятся пуще огня. Пониженное давление в зоне взаимодействия лопаток с водяной струей может спровоцировать разрушительные кавитационные эффекты на лопатках, которые способны не оставить от лопаток и следа. Вот и осторожничают проектировщики отсасывающих труб, не допуская значительного снижения давления в турбине.

Вторая причина – низкая скорость струи на выходе из некоторого типа турбин. Например, в радиально – осевой турбине скорость воды после турбины падает в несколько раз, что сводит эффект действия отсасывающей трубы к минимуму, поскольку при малых скоростях потока на входе в диффузор, отсасывающий эффект резко снижается.

Третья причина, состоит в том, что в реальной жизни водный поток на выходе турбины имеет значительную закрутку, в результате чего течение в разгонной трубе существенно отличается от прямолинейного течения в классическом диффузоре.

Вероятно, дело ещё и в том, что конструкторы ГЭС относятся к функции отсасывающей трубы, как к способу снижения потерь располагаемого напора воды, а не как к способу прямого заимствования дополнительной внешней энергии воздушного океана.

А ведь, именно, подключение к новому внешнему источнику энергии должно быть основной задачей разработчиков современных ГЭС, особенно, в тех случаях, когда высота плотины не превышает 10 метров.

На первый взгляд, при использовании отсасывающей трубы, мы можем рассчитывать на бонус со стороны атмосферы не более 10 метров водяного столба, то есть, не более давления в одну атмосферу. Однако, тяготение Земли способно сдавливать не только воздух, но и воду.

Представьте, что сразу за 10 метровой плотиной ГЭС имеется “колодец” глубиной, допустим, 30 метров. И вот, на дне этого колодца расположена отсасывающая труба, создающая в горле трубы нулевое давление (вакуум). Тогда суммарный напор воды составит уже 40 метров (10 до турбины и 30 после турбины), к которым добавляется ещё 10 метров водяного столба, предоставляемые атмосферой. То есть, при высоте плотины 10 метров, суммарный напор в водоводе может достигать целых 50 метров водяного столба. При столь значительном приросте напора скорость струи можно увеличить почти вдвое.

Скажете, что такой вариант уж слишком фантастичный ?

Может быть и так. Но есть на Волге Чебоксарская ГЭС, с разницей между верхним и нижним бьефом всего в 15 метров. А отсасывающая труба этой ГЭС заглублена аж на 30 метров ниже нижнего бьефа. Спрашивается, что заставило конструкторов “закопать” отсасывающую трубу на столь большую глубину ?

Если в горле этой трубы создаётся высокое разрежение, то тогда 45 метров водяного столба над горлом трубы и ещё 10 метров атмосферного давления могут обеспечить напор воды в 55 метров водяного столба, при располагаемых 15 метрах между верхним и нижним бьефом.

Разумеется, на планетах с большим давлением атмосферы, бонус со стороны атмосферы будет покруче. Например, на Венере атмосферное давление почти в сто раз больше земного. Стало быть, прибавка напора со стороны венерианской атмосферы может составлять почти тысячу метров водяного столба !

Жуть какая-то !

Но, пожалуй, самое чудесное в истории с атмосферными бонусами – это тот удивительный момент, что атмосфера, как таковая, не очень-то и нужна. Достаточно создать избыточное давление в замкнутом объёме, например, в барокамере, и уже внутри барокамеры колдовать с диффузорами, со струями и с турбинами.

– А как же закон сохранения энергии ?

Интересный вопрос !

Но, чтобы на него вразумительно ответить, мы должны быть уверены, что знаем, что такое энергия, и знаем, каким законам она подчиняется.

К сожалению, мы пока можем лишь предполагать, что постигли некоторые отдельные закономерности превращения некоторых отдельных видов энергии. Не более.

Так, например, при сжигании водорода в среде кислорода, выделяется море энергии. И этому есть разумное объяснение. Но по какой причине чистый кислород, находящийся под давлением в баллоне, способен, ни с того ни с сего, взрываться от пустяковой детонации или от соприкосновения со следами масла – совершенно непонятно. Нет этому объяснения.

Так стоит ли называть нащупанные нами закономерности – законами ?

Наверное, это было бы слишком самонадеянно.

Игорь Юрьевич Куликов


Эффективно зарегистрируем ваш товарный знак.

Телефон: +7 (495) 737-63-77 доб. 4101
Наталия Юрьевна Бякина



Автор:  Игорь Юрьевич Куликов.

Возврат к списку