ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ЗЕМНОЙ КОРЫ
Гажур Александр Александрович
доктор тех. наук, профессор Российского экономического университета им. Г.В. Плеханова, г. Москва
E-mail: gajour@ mail.ru
THE POTENTIAL OF ENERGY EFFICIENCY OF THE SURFACE LAYER OF THE EARTH'S CRUST
Gazhur Alexander
doctor of technical Sciences, Professor of Russian economic University named after G.V. Plekhanov,Moscow
АННОТАЦИЯ
В статье рассматривается сертификация всей земной поверхности в смысле потенциальной энергетической эффективности поверхностного слоя земной коры, как возможного петротермального или геотермального источника энергии. В качестве потенциального источника рассмотрена теоретически возможная тепловая машина.
ABSTRACT
The article considers the certification throughout the earth's surface in terms of the potential energy efficiency of the surface layer of the crust as possible petrotermal or geothermal energy source. As a potential source considered theoretically possible heat engine.
Ключевые слова: критерий энергетической эффективности земной поверхности; температурное поле земли; петротермальные или геотермальные источники энергии.
Keywords: the criterion of energy efficiency earth surface; temperature field of the earth; petrotermal or geothermal energy sources.
Рассматривая каждый элемент земной поверхности с точки зрения обеспечения функционирования искусственной системы, создаваемой человеком для своих потребностей, необходимо остановиться на оценке энергетического состояния и энергетических возможностей данного элемента [1,с.45].
На элементе земной поверхности может быть расположен искусственный термостатический объем (здание, сооружение и т.п.), обеспечивающий существование человека в приемлемых для обеспечения жизнедеятельности температурных условиях. Для поддержания необходимого температурного поля в этом объеме требуются затраты энергии. Энергоэффективность таких затрат может быть определена относительно наиболее возможных при допустимом изменении конструктивных особенностей здания или сооружения (минимально теплоизолированное здание, например) [2,с.101]. Внутри этого объема могут быть расположены устройства для производства чего-либо, при своей работе использующие разность температур (тепловые, холодильные процессы и т.д.). Энергоэффективность как процессов, так и аппаратов, также может быть задана относительной оценкой энергозатрат в процессе к минимально необходимым [3, с.51].Термостатический объем находится во внешнем температурном поле, обусловленном потоком солнечной энергии, падающей на участок; теплообменом с окружающим атмосферным воздухом и контактом с участком земной поверхности, на которой расположено здание или сооружение. Поток солнечного излучения в любом случае является источником энергии. Контакт с атмосферой и землей может как доставлять энергию термостатическому объему, так и отбирать ее. Однако земная поверхность, безотносительно к вышесказанному сама по себе всегда является потенциальным источником энергии. Рассмотрим этот вопрос более подробно.
Земля является телом, температура которого непрерывно возрастает по направлению от поверхности к центру (по крайней мере, современные данные позволяют говорить о непрерывности роста температуры до глубины порядка 10 километров). Таким образом, каждый элемент земной поверхности представляет собой потенциальный объект для создания тепловой машины, так как о любых двух точках земной коры, расположенных по земному радиусу, можно говорить как о двух источниках – горячем и холодном, что, как известно, является необходимым и достаточным условием для создания теплового двигателя. Температурное поле Земли по радиусу изменяется по разному под разными точками земной поверхности, соответственно, и одинаковые конструктивно тепловые двигатели, использующие тепло недр (петротермальные или геотермальные двигатели), построенные в разных точках земли, будут иметь различный термический коэффициент полезного действия.
Предлагается использовать в качестве оценки элемента земной поверхности, как источника энергии, отношение термического коэффициента полезного действия теплового двигателя, который можно создать на этом элементе поверхности, к термическому коэффициенту полезного действия для элемента земной поверхности, где он мог бы быть максимально возможным ( или выбрать по каким- либо другим параметрам элемент, к которому можно было бы соотнести остальные).
В качестве холодного источника рассмотрена непосредственно земная или морская поверхность. В качестве горячего источника - точка на некоторой задаваемой глубине. Так как предлагается ввести относительную оценку, а не абсолютную, то глубина, на которой рассматривается горячий источник, не очень существенна. При рассмотрении абсолютных величин, учитывая чрезвычайно высокие температуры глубин недр, необходимо отметить, что термический коэффициент полезного действия такой тепловой машины будет стремиться к 100% при росте глубины расположения горячего источника.
Приведем пример, иллюстрирующий вышесказанное.
Запишем величину термического коэффициента, например, для элемента морской поверхности около Перу, где за холодный источник примем среднегодовую температуру поверхности Тп0 = 298[0К] ( 25[0С]), а за горячий – температуру на глубине 1000 м Тп1000 = 318[0К] ( 45[0С]). Тогда величина термического КПД для такой условной тепловой машины будет равна:
ηП = ((Тп1000 - Тп0)/ Тп1000) 100% = 6,289 % (1)
Запишем величину термического коэффициента для элемента поверхности, например, с максимальной средней температурой на поверхности моря –о.Борнео , где за холодный источник примем среднегодовую температуру поверхности ТБ0 = 308[0К] ( 35[0С]), а за горячий – температуру на глубине 1000 м ТБ1000 = 332[0К] ( 59[0С]). Тогда величина термического КПД для такой условной тепловой машины будет равен:
ηБ = ((ТБ1000 – ТБ0)/ ТБ1000) 100% = 7,228 % (2)
Запишем выражение для относительной величины или критерия энергетической эффективности слоя морской поверхности:
L = η/ ηmax (3)
Относительная величина или критерий энергетической эффективности слоя морской поверхности толщиной 1000м для Перу будет равен:
L = η/ ηmax = ηП/ ηБ = 0,870 (4)
Или , выраженный в процентах:
L = (η/ ηmax ) 100% (5)
Для рассмотренного элемента территории моря близ Перу это составит:
L = (η/ ηmax ) 100% = (ηП/ ηБ) 100% = 87 % (6)
То есть тепловая машина, созданная на этом месте будет давать энергетический эффект, равный 87 процента от максимально возможного на морской поверхности Земли.
Рассмотрим элемент земной поверхности (суши) Северного Прикаспия. Запишем температуру холодного источника (среднегодовую температуру поверхности) Тс0 = 281[0К] ( 9[0С]) и горячего – температуру на глубине 1000 м Тс1000 = 329[0К] ( 45[0С]).
Термический КПД для условной тепловой машины в Северном Прикаспии будет равен:
ηс = ((Тс1000 – Тс0)/ Тс1000) 100% = 19,756 % (7)
Рассмотрим элемент поверхности в районе Майкопа, где перепад температур выше. Запишем температуру холодного источника (среднегодовую температуру поверхности) Тм0 = 284[0К] ( 11[0С]) и горячего – температуру на глубине 1000 м - Тм1000 = 363[0К] ( 90[0С]).
Термический КПД для условной тепловой машины в Майкопе будет равен:
ηс = ((Тм1000 – Тм0)/ Тм1000) 100% = 21,763 % (8)
Относительная величина или критерий энергетической эффективности слоя земной поверхности толщиной 1000м для Северного Прикаспия относительно Майкопа будет равен:
L = η/ ηmax = ηс/ ηм = 0,907 (9)
Или, выраженный в процентах:
L = (η/ ηmax ) 100% = 90,7 % (10)
То есть тепловая машина, созданная на этом месте будет давать энергетический эффект, равный 90,7 процента от максимально возможного в близлежащем регионе.
Учитывая, что температурные данные на больших глубинах достаточно редки, в качестве оценки энергетической эффективности слоя земной поверхности можно использовать широко распространенные измерения температуры почвы на малой глубине, что позволит создать подробную карту величин такого критерия энергетической эффективности.
В качестве примера рассмотрим:
Астрахань: температура на поверхности равна ТА1 = 281,8[0К] ( 8,8[0С]); на глубине 1, 6 м равна ТА2 = 285,4[0К] ( 12,4[0С])
Термический КПД для условной тепловой машины в Астрахани будет равен:
ηс = ((ТА2 – ТА1)/ ТА2) 100% = 1,26 % (11)
Анадырь: температура на поверхности равна ТАн1 = 266[0К] ( -7[0С]); на глубине 1, 6 м равна ТА2 = 270,3 [0К] (-2,7 [0С])
Термический КПД для условной тепловой машины в Анадыре будет равен:
ηс = ((ТА2 – ТА1)/ ТА2) 100% = 1,59 % (12)
Относительная величина или критерий энергетической эффективности слоя земной поверхности толщиной 1,6м для Астрахани (относительно Анадыря) будет равен:
L = η/ ηmax = ηс/ ηм = 0,792 (13)
Или , выраженный в процентах:
L = (η/ ηmax ) 100% = 79,2 % (14)
Выведем общую формулу для произвольного случая определения критерия энергетической эффективности слоя земной поверхности, используя градиент температуры по направлению к центру Земли:
η =((TOi +R  )– TOi)/ (TOi +R  = RgradT i / (TOi +R (15)
где: R – расстояние от поверхности, где рассматриваем гипотетический горячий источник, м;
TOi – температура на поверхности( холодный источник), К;
R  gradT i - градиент температуры в данной точке поверхности, К/м.
Относительная величина или критерий энергетической эффективности i –слоя земной поверхности толщиной R [м] будет равен:
L i = η i / ηmax = (gradT i(TOi +R )/ (gradT max(TOmax +R  ) (16)
где индекс «max» относится к элементу с наилучшим показателем термического коэффициента полезного действия.
Таким образом, может быть сертифицирована вся земная поверхность в смысле потенциальной энергетической эффективности поверхностного слоя земной коры, как возможного петротермального или геотермального источника энергии.
Список литературы:
Гажур А.А. Энергетическая карта мира как одна из основ макроэкономической политики. Инновации: пе5рспективы, проблемы достижения: сборник трудов международной научно-практической конференции. М.:ЗАО « Гриф и К», 2013. – 418с.
Гажур А.А. Безразмерный критерий энергетической эффективности. М.:ЗАО « Гриф и К», 2013. – 137с.
Гажур А.А. Планирование экономического развития на основе единой энергетической сертификации территорий. Зданий, сооружений, технологических процессов и оборудования. Инновации: пе5рспективы, проблемы достижения: сборник трудов международной научно-практической конференции. М.:ЗАО « Гриф и К», 2013. – 418с.
|
