Прикладное терраформирование или как затратив 1 кВт получить 1,5 МВт

Любопытная статья про отопление водой. На Украине сейчас морозы, можно попробовать.

Первоисточник

Введение

Из школьного курса физики известно, что при замерзании 1 литра воды выделяется достаточно много тепла - 330 кДж, что эквивалентно примерно 0,1 кВт/ч эл. энергии. Т.е. если примерно 1 кВт*ч с 1-го ведра воды. Однако!

Выставив ведро воды зимой на лоджию и заморозив его – эквивалентно – работе на лоджии эл. нагревателя мощностью в 1 кВт в течении 1 часа. 1 кВт*час – это конечно хорошо, но сколько же это будет в градусах?

Замораживая 1 л. воды можно нагреть на 1°С примерно 220 м³ воздуха. Объём средней лоджии примерно 20 м³, т.е. выставив в мороз -20°С на остеклённую лоджию 1 литр воды, можно прогреть на неё воздух до -10°С (при условии конечно, что лоджия не продувается и без учёта теплопотерь и расходов на нагрев холодных кирпичных стен). При похолодании до – 20/-30°С, выставив на лоджию вечером 1 пластиковое ведро воды и выкинув утром образовавшийся лёд можно спасти заготовки от замерзания. Похоже практический смысл имеется.

Немного математики

Давайте вспомним немного школьную физику и сделаем более точные расчёты.

Заморозив 1 кг воды можно получить 330 кДж тепла.

Охладив лёд с 0°С до -10°С, мы получим ещё 2,1 кДж*кг/С *10°С = 21 кДж тепла

Итого: если взять 1 кг воды заморозить его и ещё охладить на -10°С, то можно получить ~ 350 кДж тепла. Дополнительное охлаждение льда до -10°С даёт 6%. Основной вклад будет вносить замораживание воды.

350 кДж — это почти 0,1 кВт*ч! Заморозив ведро воды, можно получить тепло эквивалентное 1 кВт*ч.

Очевидно, что извлекать тепло из воды имеет смысл при сильных морозах. Например, в Норильске, Архангельске, Якутске. Вся континентальная часть России. Где температуры на улице часто составляют -40°С и их повышение до более-менее применимых -10°С имело бы практический смысл.

Посчитаем влияние температуры, плотности воздуха на его теплоёмкость. Влажность учитывать не будем  т.к. при сильных морозах, воздух почти всегда, очень сухой. Итак...

Теплоёмкость 1 кг сухого воздуха при 0 С – 1 кДж*кг/с, и почти не меняется с температурой.

Однако плотность воздуха при понижении температуры меняется достаточно сильно, что влияет на его теплоёмкость. Рассчитаем теплоёмкость воздуха при разной температуре:

При - 0 С – плотность 1,23 кг/м³ – теплоёмкость = 1,23 кДж*кг/с

• - 20°С – 1,4  кг/м³ – 1.4 кДж*кг/с

• - 40°С – 1,5  кг/м³ – 1.5 кДж*кг/с

Т.о. для того, чтобы подогреть 1 м³ воздуха при температуре -40°С на 10°С нам необходимо:

1,5 кДж*кг/с * 10°С = 15 кДж для того, чтобы нагреть 1м³ на 10°С

Замораживая 1 кг воды и охлаждая её до -10°С мы получаем 350 кДж

Затратив 350 кДж, мы можем нагреть 350/1,5= 235 м³ воздуха (при температуре -40°С) на 1°С.

Или 23,5 м³ на 10°С или 10 м³ воздуха на 23,5°С (т.е. нагреть воздух с -40°С до -15°С).

Это очень важное соотношение.

Заморозив 1 л воды можно:

• нагреть 20-25 м³ воздуха на 10°С или

• 10м³ воздуха на 20-25°С (с -40 до -20/-15°С)

Практические использование

Можно ли это использовать в быту?

Объём лоджии/ Балкона будет 6*2,6*1,2 =18,7 м³ ~ 20 м³

Т.е. заморозив 1 л воды можно нагреть воздух на остеклённой лоджии ~ 10°C,

1,5 литровая пластиковая бутылка воды нагреет воздух в мороз на 15°С. А можно поставить и 3-5 литровую пластиковую канистру.

Это без учёта теплоёмкости стен, и теплоотдачи на улицу.

Как уже было написано выше замораживание 10 л воды эквивалентно работе обогревателя мощностью 1 кВт в течении часа.

Т.е. поставив пластиковое ведро воды на остеклённый балкон в - 40°С можно поднять там температуру на 20-25°С (в зависимости от степени утепления балкона.)

Аналогично для гаража площадью 6*4 м и высотой 3 м = получаем объём 72 м³

72 м³ /23,5 получает 3 литра воды достаточно для подогрева на 10°С или всё тоже ведро на ночь, с учётом теплопотерь.

Пластиковая бочка 100-150 л способна обогреть не дать замёрзнуть ангару 6*40 м.

Выбор пластиковых ёмкостей достаточно очевиден. Их не разорвёт замерзающая вода, и из них гораздо легче извлекать лёд, чтобы затем выбросить его на улицу.

Прикладное терраформирование на дачном участке

Допустим мы приехали на дачу, а там мороз, -30°С при котором на улице некомфортно. Можно ли как-то решить вопрос? Учитывая, что 1 л. воды нагревает 20м³ воздуха на 10°С или 10 м³ воздуха на 20°С (с температуры – 40°С). Надо, где-то взять много бесплатной жидкой воды.

За городом вариантов несколько, родник, колодец, река, болото.

Самый простой в исполнении вариант.

Насос "Ручеёк"

Мощность – 0,3 кВт*ч, расход 1400 л. воды при подъёме на 2 м.

Выглядит примерно так.

Если брать воду из реки, родника, колодца и выливать воду с наветренной стороны участка то можно подогреть – 1400*10 = 14 000 м³ воздуха с -30°С до -10°С. 14 тыс. м³ при высоте приземного слоя 3 м это 47 соток, или квадрат 68*68 м.

При штиле и слабом ветре эффект будет ощутим. Особенно в ясный морозный день. Однако при ветре весь нагретый воздух будет сдувать! При слабом ветре 1 м/с весь воздух на участке будет меняется за 68 с! Или 52 раза в час. Т.е. подогрев воздуха на участке будет в 52 раза меньше – Т.е. реально можно обогреть участок 100 м² со стороной 10м. т.е. 1 сотку. для обогрева участка в 10 соток потребуется насос мощностью примерно 3 кВт/ч и 14 тыс. л. воды ~ 10-12 руб/час. В принципе в Новогоднюю Ночь или на вечеринке можно себе позволить. Из положительного можно отметить, что с ростом площади подогрева воздуха эффект сдувания воздуха будет резко падать. При площади обогрева 20 на 20 км ветер 5 м/с будет сдувать нагретый воздух за 1 час, но об этом позже.

Т.е. - затратив 0,3 кВт*час можно получить 462 000 кДж низкопотенциальной тепловой энергии, что эквивалентно 428 кВт*ч!! Ещё раз - затратив 0,3 кВт*ч можно получить 428 кВт*ч – тепла!! 1кВт*ч даст более 1,5 МВт тепла.

Можно ли из этой схемы исключить эл. насос, чтобы бесплатно подогревать воздух на даче всю зиму и создать свой микроклимат?  Можно!

Ветронасосы "Водолей"

Производительность ветронасосов сильно зависит от скорости ветра и глубины, с которой поднимается вода. Будем принимать среднюю скорость ветра 3-5 м/с и перепад высот 2-м. Перепад в 2 м выбирается из самого оптимального случая, когда мы качаем воду из озера или реки и сразу выливаем её ровным слоем на лёд или грунт, где она, замерзая отдаёт тепло воздуху.

Ветронасос "Водолей" при среднем ветре 3-5 м/с позволяет поднять 300-500 литров в час/3-5 м³ воды сутки, что позволит нагреть на 20С примерно 100 – 170 тыс. м³ воздуха в приземном слое 3 м это квадрат со стороной 180-240 м. Без учёта эффекта сдувания. Который с ростом площади обогрева как мы помним достаточно быстро падает. Т.е. 1 ветронасос сможет обогревать участок со стороной в среднем 200-250м.

Схема ветронасоса "Водолей". Под № 4 - обычный мембранный насос.

Уже 20 ветронасосов стоящих с наветренной стороны деревни смогут заметно поменять микроклимат деревни/ посёлка. Для частников это, наверное, максимум возможного.

Масштабируем проект на уровень посёлка

Существуют сельскохозяйственные ветронасосы "ИронМан", которые при ветре 3-5 м/с способны поднимать от 20 до 300 м³ /сутки (сильно зависит от глубины и скорости ветра).

IronMan - серьёзное сооружение.

Поскольку мы переходим к кубометрам и большим площадям уточним наше практическое соотношение:

• 1 л воды нагревает 10 м³ воздуха на 20°С

• 1 м³ = 1000 л воды = 10 000 м³ воздуха на 20°С

На больших площадях примем прогреваемый на 20-25°С призёмный слой воздуха уже в 4-5 м.

Итого: 1 м³ воды подогреет слой воздуха 4-5 м на площади 2000-2500 м². т.е. квадрат со стороной 50-45 м. Или если ещё проще 1 м³ воды подогревает воздух на 20-25°С в квадрате 50*50 м.

т.о. 1 ветронасос ИронМан может подогреть от 20 * 2500 = 50 000 м² до 300 * 2000 м = 600 000 м²

или квадратные участки со стороной 225м - 775 м за 1 сутки. 10-20 ветронасосов по периметру деревни смогут сделать жизнь лучше зимой, а летом обеспечить воду для полива.

Возможно сделать кустарный ветронасос из бочек. Примерно такой конструкции.

Ветронасос из велосипеда и линолеума.

Ветронасос изготовленный в сельской мастерской.

Замена ветронасоса на эл. насос.

Как мы помним один насос "Ручеёк" 0,3 кВт даёт 1400 литров, т.е. насос мощностью 1 кВт*ч – выдаст примерно 4700 литров, округлим  5000 литров (5 м³)/ кВт*ч (всё таки у более мощного насоса КПД д.б. больше чем у мембранного "Ручейка").

т.е. 1 кВт*ч поднимет 5 м³ воды в час или 5*24 = 120 м³ в сутки и нагреет  120* 2000 (2500) = 240 000 (300 000)м² что составляет квадрат со стороной 500-550 м. 1 насос мощностью 4 кВт за сутки сможет нагреть воздух на площади 1 км². Затратив ~ 100 кВт/ч, что стоит у РАО ЕЭС для населения - 400 руб (или 100 руб если покупать напрямую у эл. станций). Без учёта эффекта сдувания.

Терраформирование на уровне города.

Использовав 10 насосов, можно прогревать воздух на фронте 10 км и глубиной 1 км. И обойдётся всё, это в 1 МВт/час в сутки ~ 4 т.р./ сутки – что вполне впишется в бюджет небольшого/компактного города. Здесь из-за влияния масштаба будет эффект снижения расходов на отопления жилого фонда города, т.к. при температуре на улице -10-15С теплопотери будут заметно меньше, чем при -30-40°С. В принципе можно и усилить эффект в 10 раз (в основном для компенсирования эффекта сдувания) поставить 10 насосов по 1 МВт – 40 т.р./ сутки это 1,2 млн. мес. на несколько зимних месяцев.

Терраформирование масштаба страны

Расход реки Енисей, Лена, Обь составляет соответственно 624, 488, и 400 куб. км/год или 1.7, 1.35, 1.1 км³/ сутки. Если взять 10% стока и направить его на подогрев воздуха (реально я думаю правильнее назвать это выравниванием жёстко континентального климата и приближение его к североевропейскому).

1 км³ это 1000 * 1000 * 1000 м³ – это ооочень много. 10 в 9й степени, нам надо всего 10% т.е. 10 в 8й степени. 1 м³ воды подогревает 10⁴ м³ воздуха. Значит 10⁸*10⁴ подогреет нам 10¹² м³ воздуха. На 20-25°С!

Я не могу оценить, даже примерно, какой объём воздуха у земли необходимо прогревать. Поэтому грубо оценю верхнюю и нижнюю границы.

• при приземном слое 100 м обогреваемая площадь составит 100*100 км,

• при приземном слое воздуха 1 км обогреваемая площадь составит 31,5 км* 31,5 км.

Оценим эффект сдувания нагретого воздуха на больших площадях.

За 1 сутки воздух проходит, при скорости воздуха:

• 1 м/с  – 3,6 км/ч = 3,6*24 = 86 км/сут

• 2 м/с – 7,2 км/ч = 173 км/сут

• 3 м/с  – 10,8 км/ч = 24 *10,8 = 260 км /сут

• 5 м/с - 18 км/ч = 432 км/сут

• 10 м/с – 36 км/ч = 864 км /сут

При скорости ветра 2-3 м/с (примерно 10 км/час), за 10 часов весь нагретый воздух будет сдуваться в сторону. Его будет необходимо подогревать заново.

Введём понятие – кратность циркуляции – это то сколько раз за сутки воздух будет меняться, и во сколько раз будет падать средняя температура подогрева воздуха.

Кратность циркуляции = скорость воздуха / сторона квадрата обогреваемой площади.

Обогреваемая площадь естественно не обязательно должна быть квадратной. Высоту приземного слоя скорей всего можно понизить до 10-25 метров, особенно если посёлок в долине.

Из этих прикидочных расчётов видно, что при скорости 2-3 м/с вполне можно обогреть район 100 на 100 км на 15-20°С. При росте скорости ветра температура подогрева будет снижаться, но в любом случае -30°С лучше, чем -40°С, и подогретый воздух переместится в другие районы и сделает там климат мягче. Только Обь, Енисей и Лена могут дать 4 района 100*100 км (или 16-ть 50*50 км), в которых можно устроить мягкие европейские зимы. А есть ещё Северная Двина (годовой сток 108 км²). Полученный лёд можно будет летом сплавлять по рекам в Арктику, чтобы не затягивать наступление весны.

Вполне вероятно, что такое добавление тепла в атмосферу, приведёт к глобальному изменению погоды и возникновению стабильных локальных "Зимних" циклонов по типу Красного Пятна на Юпитере. Далее мне не хватает квалификации оценить эффекты.

Заключение

При ближайшем рассмотрении схема представляется вполне рабочей. И практически применимой в некоторых ограниченных условиях (сильные морозы, нечастые ветра, доступ к воде). От лоджии до садового участка.

Возможно, на берегу, Волги, Лены или Енисея кому-то удастся раскрутить местную администрацию на установку насоса на берегу для выливания в течении месяца воды на лёд с целю оценить эффект. Или сделать самому ветронасос из обрезков металлических или пластиковых бочек. Аналогичные ветронасосы используют рыбаки для закачивания воздуха под лёд (для того, чтобы рыба зимой дышала).

Замороженную воду летом можно использовать как источник пресной воды.

У меня, к сожалению, нет возможности проверить схему с ветронасосами на практике. Возможно, кому-то это удастся.