Юный техник, 2007 № 02 - [19]

Все опыты с электрическим оружием следует производить только в присутствии учителя!

А. ИЛЬИН

Рисунки автора

ФИЗИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ Опыт Клода и Бушеро

Французского врача Жака Арсена Д'Арсонваля (1851–1940) в медицинской среде знают как изобретателя метода лечения при помощи электрических токов. Электротехникам он известен как создатель гальванометра. Знают его и энергетики. В 1881 году он предложил необычный паровой двигатель.

Вы знаете, наверное, паровой двигатель может работать, когда температура пара, выходящего из котла, выше, чем температура окружающей среды. Тогда, соприкасаясь с ней, он снова превращается в жидкость. Эту жидкость можно снова закачать в котел, превратить в пар, и так без конца…

Температура пара на входе в турбину современной электростанции — 650 °C. Отдав турбине часть своей внутренней энергии, пар попадает в конденсатор, где вновь превращается в воду. Столь высокая начальная температура в котле помогает получить высокий КПД, но вообще говоря не обязательна. Например, у огромного колесно-винтового парохода «Грейт Истерн» (1859 г.) температура пара не превышала 112 °C, как в скороварке. Это резко упрощало выбор материала и всю конструкцию двигателя. Расход топлива был по нашим понятиям огромен, но инженеры тогда даже не догадывались, что он может быть во много раз ниже.

В 1881 году Д'Арсонваль предложил заменить в паровом двигателе воду сернистым ангидридом. Он кипит при температуре 20–30 °C, а конденсируется при 4–5 °C. Более того, Д’Арсонваль догадался, что для получения температуры 20–30 °C не обязательно сжигать топливо. Такую температуру имеют сточные воды многих заводов и горячие ключи. Но есть и еще более мощный, поистине безграничный источник такого тепла — это воды тропических морей и океанов. На согреваемой солнцем поверхности их температура как раз 25–30 °C, но на глубине 1 км вода всегда холодна — плюс 4–6 °C.

Почему бы не приспособить эту разность температур для работы парового двигателя? Итак, котел согревается теплом верхних слоев океана. Кипит сернистый ангидрид, и его пары вращают турбину. Пройдя через нее, пар попадает в конденсатор. Его трубы охлаждает почти ледяная вода, поднятая с глубин. Сернистый ангидрид снова превращается в жидкость, и насос закачивает его в котел.

Для работы такому двигателю не требуется ни грамма топлива. В этом его огромная привлекательность. Но и необычность. Поэтому статья молодого ученого в научных кругах первые двадцать пять лет даже не обсуждалась. Затем о проекте стали писать, выявлять и устранять его недостатки.

На первых порах самым неприятным виделся сернистый ангидрид — агрессивная жидкость, по сути, почти серная кислота, удержать которую в пределах контура двигателя было невозможно. Не удавалось и подобрать другую легкокипящую жидкость: одни дороги, другие ядовиты, третьи огнеопасны.

И тогда два французских инженера Георг Клод и Поль Бушеро предложили применить в двигателе Д’Арсонваля самую совершенную, простую и нетоксичную жидкость — воду.

Да, каждый знает, что вода кипит при 100 градусах. Но каждый инженер знает, что вода может кипеть и при температурах, близких к нулю. Нужно лишь создать пониженное давление.

В 1926 году Клод и Бушеро продемонстрировали перед Французской академией наук двигатель, в котором иода кипела при температуре 28°C, пар вращал турбину, а от генератора горели лампочки.

Чтобы понять суть эксперимента, возьмите две колбы. В одну из них налейте теплую воду, в другую бросьте мелко наколотый лед. После этого соедините их трубкой (см. рис. 1).

Через несколько секунд вода закипит: находящиеся в воздухе пары воды сконденсируются на частицах льда, давление в колбах быстро понизится настолько, что вода начнет кипеть. Для того чтобы опыт удался, колбу с водой нужно продуть паром, чтобы удалить из нее воздух, и всю систему быстро закрыть. При температуре 28 °C, как это было в опыте, вода кипит при давлении 0,03 атм. В процессе кипения пар через трубку из колбы с водой будет перетекать в колбу со льдом. Скорость его может быть на удивление велика — 500 м/с!

А теперь взгляните на опыт Клода и Бушеро (см. рис. 2).

Рис. 2

Слева — бутыль с теплой водой. Справа — сосуд со льдом, через стенку которого проходит труба. Выходящий из нее пар устремляется на колесо паровой турбины. Турбина через ременную передачу вращает маленький генератор, от которого горят лампочки.

В одном из таких экспериментов мощность генератора кратковременно достигла 3 киловатт. На этом принципе ученые в 1928 году построили электростанцию возле бельгийского металлургического завода Угрей-Мариэй на реке Маас. Источником тепла для нее служила вода, охлаждавшая домну. Эту воду обычно сбрасывали в реку. Температура этой воды всегда была на 20 °C выше, чем в реке, но этой небольшой разности температур оказалось достаточно, чтобы кипящая при пониженном давлении вода приводила в действие турбогенератор мощностью 50 кВт.

Накопив необходимый опыт, в 1930 году инженеры построили на Кубе установку, работающую от разности температуры океанских вод. При этом выяснилось: самое сложное — это подъем с больших глубин холодной океанской воды, обрастание труб морскими организмами и значительный расход энергии на ее перекачивание.