Комбинированная энергоустановка установка для вращающихся малоатмосферных тел.

[Константин ВАРБ]

Уважаемые участники Астрофорума.
Технари прошу совета!!!

При освоении силикатных тел будет образовываться много паразитарного газа, прежде всего кислорода, который выпускать в космос жалко, да и в условиях, например, Луны – вредно.  С другой стороны энергетика – наша главная проблема. Почему бы его не использовать с пользой?
На малоатмосферных телах перепады на подсолнечной и теневой сторонах не менее 100 градусов. Пусть, для условий Марса, минимальная 200К максимальная 300К. Делаем два бака один как термостат с большим объёмом, другой рабочий на поверхности объёмом значительно меньшим, раз в десять. Выравниваем в них давление и соединяем трубкой с турбоэлектрогенетором. Соответственно за день газ нагреется, и расширится вполовину, а за ночь остынет на треть. Следовательно, и днём и ночью будет вырабатываться электроэнергия. Вентилем можно  регулировать поток газа для равномерной работы турбины. При наличии солнечных батарей их можно располагать внизу рабочего бака, а верх его делать прозрачным. Это даст и дополнительную защиту батареям и повысит КПД установки.
Такую схему можно использовать и на крупных орбитальных базах.
Однако поскольку я не технарь, и как всякий обученный химик, принципиально не понимаю термодинамику, у меня возникают вопросы:
1.   Каково теоретическое КПД такой установки?
2.   Имеет ли значение в такой схеме атомарная масса газа или только молярный объём? Понятно что одноатомный (инертный) газ лучше, но тепловым кручением молекул можно, наверное, и пренебречь?
3.   Будет зависеть КПД от давления в баках или только от циркулирующего через турбину объёма?   


С надеждой на конструктив

[Птыц]

Теоритически максимальный КПД тепловой машины равен 1-T_{холодильника}/T_{нагревателя}. См. цикл Карно. И от давления или объёма теоретически максимальный КПД не зависит.
«Кручением» пренебречь нельзя. Например у кислорода C_p=29,4 Дж/(моль·K)≈(7/2)R. Но для вашей задачи это даже хорошо. Вам важно, чтобы теплоёмкость была побольше.

[Константин ВАРБ]

Теоритически максимальный КПД тепловой машины равен 1-T_{холодильника}/T_{нагревателя}.

Если я правильно понял, то при условии 200-300К и термостат 250К дневное КПД 16,6 % ночное 20% - ?  Итого 36,6 % и это без солнечных батарей? - !
Но, наверное, и преобразование в электричество  не менее чем уполовинет. Но пусть даже в реальности 5-10 процентов – это вполне серьёзно.
Ибо я представляю типа того: 100х100х6 метр рабочие баки и 100х100х60 термостатные поставленные рядом друг с другом и термоизолированные шлаком.
Циркулирующий объём 30 000 куб метров цикл.
А турбогенераторная вставка с электроникой и клапаном доставляемая с Земли может весить около килограмма. Итого 10 тонн генераторов = 100 кв. километр такого энергоблока на силикатном теле. Ломаться там особо нечему, следовательно на десятки лет работы.

Или я заблуждаюсь?
Уж слишком как-то хорошо?   

«Кручением» пренебречь нельзя. Например у кислорода C_p=29,4 Дж/(моль·K)≈(7/2)R. Но для вашей задачи это даже хорошо. Вам важно, чтобы теплоёмкость была побольше.

Не понял, а зачем для термодинамического цикла нужна высокая теплоёмкость?
Вроде бы там это одни потери?

[Valenock]

Каково теоретическое КПД такой установки?

Вы шутите, какой КПД? Вы же не топливом греете рабочее тело, а экономить солнечную энергию нам ещё рановато. Подобные установки рассматривались даже для использования на Земле, а в ситуациях, о которых вы говорите, их эффективность несомненна.

[Константин ВАРБ]

Каково теоретическое КПД такой установки?

Вы шутите, какой КПД? Вы же не топливом греете рабочее тело, а экономить солнечную энергию нам ещё рановато.

Мы пока ещё не цивилизация второго уровня.
При втором уровне передвинуть Меркурий на орбиту Марса - несколько лет.
Разобрать Юпитер на запчасти - сотни.
Куда девать энергию дальше - уже непонятно.
Не лететь же всей СС по галактикам ?
Возможно поэтому цивилизации второго уровня не наблюдаются.
Только третьего   - Звёзды работают с почти 100% КПД. 

Мы вместе со всей нашей продвинутой биосферой пока ещё даже не первого уровня.
Поэтому у нас есть два и только два пути:
Либо умнеть    либо экономить  .
Поэтому неизбежность заставит идти по третьему: и умнеть и экономить.

Подобные установки рассматривались даже для использования на Земле, а в ситуациях, о которых вы говорите, их эффективность несомненна.

На Земле что-то подобное в Средние Века использовалось для работы городских часов.
В принципе и на Земле можно. Нужно только разогревать газ зеркалами до более высоких температур. Ибо перепад дневных и ночных температур сглаживается атмосферой. Для повышения КПД так же можно нужно делать и вне Земли. Однако надо понимать, что КПД во многом зависит и от температуры термостата-холодильника.
В грубом виде это где-то так:
На Земле это не ниже 270К в районах вечной мерзлоты. На Марсе - 200, на Луне, астероидах - 150, Плутоне - 100 в открытом Космосе СС - 10.   

[Valenock]

Однако надо понимать, что КПД во многом зависит и от температуры термостата-холодильника.

Это давно обосновали отцы-основатели термодинамики. А ваше предложение нет смысла обсуждать, т.к. нет аргументов против. Разве что поговорить о технических деталях для общего развития.

[Константин ВАРБ]

А ваше предложение нет смысла обсуждать, т.к. нет аргументов против. Разве что поговорить о технических деталях для общего развития.

Конечно же хотелось бы обсудить типы и принципы работы подобных установок как футуристический хайтек и нанотех, ибо управляемый термояд, активные плёнки, холодный синтез – это устаревшие вместе с научно-производственными коллективами направления развития.
Для робототехники ближайшего будущего с сильным ИИ промышленных роботов, опытных специалистов и эффективных менеджеров подобные установки это достаточно привлекательная для освоения задача.
С одной стороны технологии вполне традиционные, (металл, эмали, стекло да простейшую механику человечество знает уже тысячи лет) с другой полностью космические.
Поэтому и хотелось бы узнать возможные пути реализации такой задачи.

Кстати, для приполярных и умеренных широт можно сделать установку трехконтурной:
подсолнечный нагреватель, теневой холодильник и термостатный буфер.

Я абсолютно не технарь, поэтому хотелось бы услышать мнения от инженеров и специалистов о реальных возможностях таких установок и возможностях современной космической индустрии для их производства на Луне.

[atn]

Наверное я не до конца понимаю суть данной идеи. Но как технарь могу сказать что сложности будут не с баками и не с КПД. Больше всего тебе придётся потратить ресурсов на турбину и электростанцию. Не будет ли астероид раскручиваться вокруг ротора? Сколько именно энергии можно получить таким способом? Материал и сама турбина очень сложны в производстве, которое не возможно организовать в маленьком поселении или станции. Ремонт тоже практически не возможен. К тому же важно ка быстро будут происходить нагрев и охлаждение. От этого зависит мощность установки. Водород наиболее оптимален, но опасен.

[Константин ВАРБ]

Наверное я не до конца понимаю суть данной идеи.

Да идея самая простая в виде механического привода выглядит так в цилиндре солнце нагревает газ он расширяется совершает работу, хоть путём рычага.
Ночью остывает и втягивает рычаг.
Но это уж совсем по античному хотя КПД и сила наверное будут большими (скалы из брекчий ломать можно )

Но нам прежде всего нужно электричество, поэтому наверное проще использовать энергию газа на это.

Вот как это выглядит для Марса. На экваторе перепад температур 130 градусов, следовательно на перепад от 300 до 200 К можно рассчитывать.

Делаем буфер-термостат объёмом  в несколько раз большим, чем  рабочий объём поверхностного бака.

Марс получает от солнца порядка 500 ватт на метр. Итого делим на 2 поскольку солнце не весь день в зените делим ещё на два учитывая ночь итого: 125 ватт постоянно!

На самом деле, конечно же, не постоянно: реальное рабочее время от двух до пяти по полудню и перед рассветом.

Сколько надо газа в рабочем объёме?

Для Марса это объём газа способный за 10 часов усвоить своей теплоёмкостью 18МДж с кв. метра. (теплота сгорания килограмма углеводов!)
Чем быстрее вращается тело тем, разумеется, компактней система.
Разумеется для прогрева объёма надо делать либо крышку рабочего бака прозрачной, что позволит разместить фотоэлементы что снизить потребность в объёме и повысит общее КПД,  либо  прогонять узким потоком через специальную панель для прогрева.
С одной стороны, чем выше теплоёмкость газа тем меньший объём и давление потребуется, с другой я НЕ ЗНАЮ «усваивают» ли наши турбины внутреннюю теплоёмкость газа, либо только его динамическую скорость.   

Корпус такой установки можно делать из любого газонепроницаемого материала, хоть из отходов от лунного или астероидного базальта. И работать она будет сотни лет.

Разумеется на Луне придётся делать трёхфазные установки с одновременным подогревом одной части зеркалами и затенением другой и сменой нагрева/затенения по достижению технологических значений.

Это то примитивное и надёжное, что можно построить автоматами на месте без наличия высокоразвитых производств.

[atn]

В принципе данная установка довольно проста, что практически является определяющим фактором для строительства. Пока не появятся более сложные, компактные, мощные и т.д., но с высоким КПД установки. Думаю стоит сделать не одну большую а несколько по меньше - по типу смешанной модели последовательные и параллельные баки с газом и применение теплообменных контуров. Это позволит более эффективно использовать солнечное тепло, а также несколько нивелировать вращение планеты. Турбина не способна "усваивать" внутреннюю теплоёмкость газа, но эта теплоемкость если простым языком показывает сколько тепла может впитать в себя газ. Чем она больше тем большей инерцией будет обладать установка. Т.е. потеряется часть мощности. Мощность турбины будет зависеть от динамических свойств потока. Это означает поиск оптимума между плотностью потока и весом газа и его теплоемкостью для каждой конкретной установки.

[Dem]

Турбина не способна "усваивать" внутреннюю теплоёмкость газа, но эта теплоемкость если простым языком показывает сколько тепла может впитать в себя газ.

нет, вполне способна. после того как молекула отдала свою кинетическую энергию лопатке турбины, за счет соударений молекул происходит перераспределение врашательной и кинетической энергии к равновесному уровню, и снова можно снимать кинетическую.

[atn]

Турбина не способна "усваивать" внутреннюю теплоёмкость газа, но эта теплоемкость если простым языком показывает сколько тепла может впитать в себя газ.

нет, вполне способна. после того как молекула отдала свою кинетическую энергию лопатке турбины, за счет соударений молекул происходит перераспределение врашательной и кинетической энергии к равновесному уровню, и снова можно снимать кинетическую.

Не понимаю я что то. Мне казалось что турбина вращается за счет давления на лопатки движущимся потоком. Т.е. данный вопрос рассматривается на уровне взаимодействия материи а не энергии. При чём тут вообще теплоемкость? Для турбины малосущественна температура потока, важную роль здесь играет аэродинамическая характеристика (ну или гидродинамическая в случае жидкости).

[Technecy]

Для турбины нужен перепад давления. Причём довольно большой. При перепаде температуры в 100 градусов раскрутить её врят ли получится. Можете сделать дома макет, наденьте на чайник шланг с соплом и раскрутите что нибудь. И то, у вас получится температура пара градусов 150. Не настолько сильно расширяется газ при нагреве его на 100 градусов что бы турбину крутить.
Это раз
Во вторых. Газ сжимаем. Т.е. возможно получится вообще вариант когда у вас будет просто расти давление и всё.
И снова в третьих. Турбина, работает за счёт перепада давления, т.е. вам нужно будет газ либо стравливать в вакуум, либо насосом загонять его обратно в расширительный нагреватель. На практике, допустим в АЭС, давление острого пара стравливается до атмосферного, в... градирне(на самом деле не так просто, но в общем), там же пар остывает до воды и насосом закачивается обратно в теплообменник. Таким образом происходит смена рабочего тела в турбине.
В четвёртых, кислород- окислитель. В среде кислорода "горит" даже железо(если не вообще всё подряд). Вы-ж химик, должны знать. Из чего делать установку? Базальт не предлагать, стекло то же. Потрескаются от перепадов температур. Так что пропилить лазером трубы в породе не удастся.

Про турбину можно забыть, но, можно применить двигатель внешнего сгорания, Тут правда встаёт ребром вопрос герметичности и коррозионной стойкости/химической активности.
Мембранная герметизация ненадёжна по 2м причинам 1 за мембраной кислород, 2 мембрана имеет ограниченный механический ресурс.

Единственное что представляется более менее годным, это легкосжижаемый газ типа СО2, для работы турбины. Но СО2 то же агрессивен при высоких температурах.
В общем вот... Пока на вскидку так, может ещё мысли появятся, а может я что то не учёл.
Хотя идея в общем годная.

[atn]

Читайте сообщения автора темы. Он предполагает перепад температур около 300 градусов. Во вторых объём большой а значит давление будет по больше. 

[Technecy]

На малоатмосферных телах перепады на подсолнечной и теневой сторонах не менее 100 градусов. Пусть, для условий Марса, минимальная 200К максимальная 300К.

Где тут перепад в 300 градусов вы узрели?

И потом, газ это не совсем то рабочее тело.
В турбинах применяется пар. Т.н. "острый пар" с температурой градусов 500 крутит турбины в АЭС.
Можно получить хороший перепад давления при малом перепаде температуры применив легкокипящую жидкость, например сжиженый газ или спирт. Но не просто газ.
Температура кипения жидкого кислорода крайне низкая, вроде как -182,96 С. И конденсировать его проблематично, при -73С(200К) вообще никак без огромного давления.
Коэффициен расширения при смене агрегатного состояния 860:1. Это позволит получить 860 атмосфер без нагрева, только за счёт смены агрегатного состояния. Если его ещё и селать "острым" т.е. перегретым паром, то давление будет огогоюшки какое, чего теоретически для турбины хватит и даже слишком. А вот просто газ кислород с нагревом в 100 градусов даст 3.6, вроде как, атмосферы, чот многовато как то, ну да фих с им, даже в жигулях максимальное давление, в начале рабочего хода, в надпоршневом пространстве около 40 атм, в дизеле поболе, но не более 100 в любом поршневом двигателе. При любом объёме, хоть шарик размером с Юпитер им накачайте, вы получите давление согласно коэффициенту теплового расширения, а не первоначального объёма.
(все расчёты при расширении "в стенку", т.е. без расхода, реально всё будет малость не так, но мне щас лень считать, короче это абсолютные максимумы)

Однако что такое жидкий кислород, это во первых- криоген, во вторых жесточайший окислитель. Как ЭТО запустить в турбину? И как сделать турбину на 1 МВт(хотя бы) работающую в криогенных условиях? Можно конечно нагреть пар до 20 градусов цельсия, но тогда надо что бы турбина работала с огромным давлением. Однако, чем обеспечивать смазку турбиты, ведь кислород окислит любую смазку, на основе углерода она просто загорится, а на основе кремния превратится в песок SiO2...
В общем, шибко круто выходит для технической реализации.

Максимум что можно сделать с газом, это заставить его давить на некий поршень, меееееееееедленно так. Потому что газ, скатина такая, ещё и прогреваться не особо собирается, в виду своей поганой теплопроводности.
Как таа так.
В общем, сделать можно но
- не с кислородом
- часть мощности сожрётся компрессором для откачки рабочего тела из зоны охлаждения и нагнетания рабочего тела в зону нагрева. Может статься что и вся при низком КПД генератора(турбины) или компрессора.
-применить двигатель внешнего сгорания и без смены рабочего тела.

Самый идеальный вариант- твёрдое тело с огромным коэффициентом теплопроводности и линейного расширения, расширяющееся только вдоль, огромного размера(длинны), одним концом упёртое в скалу, а другим в рейку, приводящую в движение генератор, через редуктор с фантастическим передаточным соотношением. Ну или пусть стержень расширяется/сжимается на километр.

[atn]

Потом никто и не говорил что сея установка будет мощной, и с высоким КПД. НО ОНА БУДЕТ ПРОЩЕ В УСЛОВИЯХ ОТСУТСТВИЯ АТМОСФЕРЫ.!!!! В третьих Вы сказали про пар. Но вы забыли про теплоемкость. Сколько теплоты должна сожрать ваша установка чтобы начать работать? И это в условиях где есть только солнечное излучение, притом менее интенсивное чем на Земле. В третьих на телах где нет атмосферы в тени температура опускается почти до нуля Кельвина, а на освещённой стороне поднимается может даже повыше нуля Цельсия. Вот и перепад почти 300 градусов. Хотя чем дальше от Солнца тем перепад будет меньше. И зачем перекачивать тело то вращается.

[Technecy]

Потом никто и не говорил что сея установка будет мощной, и с высоким КПД.

КПД агрегатов установки должен быть таким, что бы на выходе получить хотя бы что то. И хотя бы повыше чем у фотоэлементов, иначе энергетически не выгодно её строить вообще. Проще и энергетически выгоднее применить пояс из фотоэлементов.
Установка мощностью 1 кВт и размером 5 гектар вообще нафиг никому не нужна. Разве что только на халаяву как дар небес.

Но вы забыли про теплоемкость. Сколько теплоты должна сожрать ваша установка чтобы начать работать?

Нет не забыл про теплоёмкость. Она должна набрать столько энергии, сколько нужно для поднятия температуры на 1 градус. Для кислорода это с -182 до -183 градусов цельсия.

И это в условиях где есть только солнечное излучение, притом менее интенсивное чем на Земле.

На Луне например сильно меньше солнечного излучения чем на земле особенно в этом виновато полное отсутствие атмосферы... не смешите, нормально там с инсоляцией и тучь нет. Атмосфера Земли сколько киловатт поглощает? То то же.

В третьих на телах где нет атмосферы в тени температура опускается почти до нуля Кельвина, а на освещённой стороне поднимается может даже повыше нуля Цельсия.

По идее да, но во первых, нагревается поверхность или градусник. Объём же не сразу нагревается и охлаждается тем более не сразу. Так что если ваш бесконтактный пирометр показал температуру 300 градусов сразу как только взошло солнце, надо учитывать что это температура слоя пыли, толщиной микрона в 3, лежащей на поверхности.
Во вторых, газ имеет теплопроводность очень маленькую, весь объём газа и остывать и нагреваться будет не очень  то мгновенно. Это довольно таки медленный процесс будет. Турбины с такими процессами не работают.

И зачем перекачивать тело то вращается.

Что бы обеспечивать переход из меньшего объёма в больший. Газу надо расширяться что бы произвести работу. Для этого, объём камеры с "холодным" рабочим телом должен быть меньше объёма камеры с "горячим". Грубо говоря, если рабочее тело изменяет свой объём в 860 раз. То объём "камеры нагревания должен быть 1 м3, а камеры охлаждения не менее 860 м3. Тогда будет максимальный КПД.

[Technecy]

Вообще, установка получается 4-х тактной.
1- нагрев РТ
2-работа РТ
3-конденсация РТ
4-заряд РТ.
Что бы сделать непрерывно работающую установку, нужно сделать ...

А знаите, что. Это получится ДВС наоборот. Намотанный на экватор планетоида.

[LonelyWanderer]

Не до конца понял.. Температура чего там будет использоваться для энергоустановки? Тело то ведь по сабжу - малоатмосферное!
Или вы будете нагревать ёмкости с газом через нагрев от солнечных лучей?  Тогда конструкция должна быть что-то вроде коллектора с герметичными трубками с газом, тогда к полудню они разогреются и создастся максимально возможное давление, тут и запустим турбину. Только эффективность всего этого - крайне не высока, а что будем делать, скажем, утром и вечером? Если мы будем пытаться в это время добывать энергию, то газ будет перетекать под малым давлением и с очень малой выработкой энергии, и пока наступит полдень - часть газа перетекёт, и разность давления будет не столь высока, как хотелось бы и могло бы быть в это время суток.
Итого, такая установка не может работать непрерывно эффективно, а только 1 - 2  раза в сутки.
Вся эта конструкция столь архаична, малоэффективна и огромна, что банальные солнечные батареи будут и дешевле и эффективнее.

[библиограф]

 Всё это уже давно придумано и успешно работает.
http://physicstoys.narod.ru/page/Solarengine.html
 Солнечные двигатели Стирлинга доступны во всевозможных модификациях - это газовые машины, однако, если хочется,чтобы рабочее тело солнечной тепловой машины было конденсирующейся жидкостью, то надо обратиться к работам
Огюста Мушо -  в 1878 году он создал первую солнечную паровую машину.
 http://method-estate.com/archives/4916