В этой работе С. Карно доказывал: "Движущая сила тепла не зависит от агентов, взятых для ее развития, ее количество исключительно определяется температурами тел, между которыми в конечном счете и происходит перенос теплорода".
Согласно второму закону термодинамики теплота - это особая форма энергии, и самопроизвольное превращение ее в другие формы невозможно, для этого обязательно нужны какие-либо рабочие тела.
Давайте рассмотрим любой цикл превращения тепла в механическую энергию. В качестве рабочего тела возьмем аммиак, который в теплообменнике разогревается до 127 градусов. Пар направляется в турбину и вращает ее. Затем отработанный пар с температурой 27 градусов переводится в жидкое состояние, отдавая тепло в конденсаторе в окружающую среду. Жидкий аммиак насосом перекачивается в теплообменник-нагреватель. Цикл повторяется снова. Каков же его КПД?
Еще С. Карно определил: в идеальном цикле доля потерянного тепла равна отношению минимальной температуры цикла (выраженной в градусах Кельвина, которые отсчитываются от абсолютного нуля, то есть от минус 273 градуса по шкале Цельсия) к максимальной. В нашем случае это отношение (273 + 27)/(273+127) = 300/400 = 0,75 Если доля потерянного тепла равна 0,75, то оставшаяся четверть перешла в механическою работу. Это и есть максимальный теоретический КПД такого цикла. Реальный же из-за дополнительных потерь еще ниже и составляет не больше 15 процентов.
Единственный путь увеличения КПД - это повышение максимальной температуры. Если она будет 527 градусов, то доля потерь составит всего 300/800 = 0.38. Значит, идеальный КПД: 1 - 0,38 = 0,62, а реальный поднимется до 35-38 процентов. Примерно таков КПД в современных конденсационных станциях, использующих в качестве рабочего тела воду.
Конечно, можно добиваться и более высокого КПД.
Однако рост его с дальнейшим повышением температуры замедляется. Подъем температурного максимума еще на 100 градусов даст повышение КПД только на 3 процента. К тому же установка сильно усложнится, придется применять дорогостоящие материалы. По сути дела, 35-38 процентов - это предельный КПД для электростанций с паровыми турбинами.
Столь суровое ограничение побуждает некоторых "изобретателей" как-то обойти второй закон термодинамики.
Известны многочисленные прожекты вечного двигателя второго рода. В отличие от "старых" вечных двигателей для их работы нужна энергия. Но черпать ее предлагают просто из окружающей среды, не производя механическую работу, не организуя потоки тепла от более нагретого тела к холодному. Соответственно никуда не сбрасывается тепло.
Второй закон термодинамики отвергает возможность создания такого двигателя. Как уже отмечалось, доля теряющегося тепла в цикле Карно равна отношению минимальной температуры цикла к максимальной. Но если мы хотим черпать энергию из окружающей среды, не сбрасывая ее, то максимальная температура становится равной минимальной. Следовательно, налицо нулевой КПД.
Хотелось бы сделать небольшое отступление и рассеять одно ложное впечатление, если оно нечаянно возникло. Автор совсем не хотел сказать, что все сложившееся в понимании природы нужно принимать на веру и ни в чем не сомневаться. В сомнениях, неведении есть и хорошая сторона - они дарят неизменную радость открытия. Нельзя терять ощущение своего невежества и менять радость поиска на догму. Сократ слыл мудрецом не потому, что знал все, а потому, что и в самом зрелом возрасте знал, что ничего не знает. И все же, изобретая или шагая к открытию, нужно уважать законы природы.
Значит, нельзя черпать энергию из воздуха, воды, земли вокруг нас? Нет, закон не так суров. Тепло окружающей среды можно утилизовать, но не даром. Для этого нужно произвести работу.
Например, что изменится, если рассмотренный вшпо цикл с аммиаком провести наоборот? Вот как он тогда будет выглядеть.
Если ранее в теплообменнике-нагревателе мы разогревали аммиак, то теперь подадим в него аммиак, уже разогретый до температуры 65 градусов, и охладим, передав тепло, например, воздуху помещения. Охлажденный до 20 градусов аммиак пропустим через расширительдроссель (ранее это был насос). Давление снизится, аммиак охладится до 2 градусов и перейдет в полужидкое состояние. Затем в испарителе (в прямой схеме это был конденсатор) подведем тепло извне из окружающей среды и испарим жидкость. Полученный газ сожмем в компрессоре (ранее это была турбина). Подогретый при сжатии до 65 градусов газ снова направим в теплообменник и тем самым замкнем цикл.
Что же дало нам обращение обычного термодинамического цикла, широко используемого в энергетике? В испарителе мы забрали тепло у окружающей среды при температуре около двух градусов, соответствующей холодному времени года. С помощью другого теплообменника при 65 градусах подогревался воздух в помещении. Значит, можно обогревать жилые дома теплом окружающей среды, которого много, очень много и в воздухе, и в воде рек, озер, морей? Весь вопрос в том, дорого ли это обойдется. Не дешевле ли обогреваться привычным способом, сжигая органическое или ядерное топливо?
Чтобы ответить на этот вопрос, придется проделать нужные вычисления. Цикл у нас обратный, значит, и считать нужно наоборот. Раньше отношение температур было равно отношению потерянной энергии, отданной окружающей среде, к подведенной. Теперь же отношение максимальной температуры к минимальной выражает отношение тепла, подведенного в жилое помещение и забранного у окружающей среды. Для температур 65 градусов и 2 градуса оно равно (273 + 65)/(273+2) = 338/275 = 1,25. Тепла для обогрева помещения получилось на четверть более, чем мы его забрали от окружающей среды. Эта разница и есть та работа, которую мы должны были проделать, чтобы передать тепловую энергию от тела с меньшей температурой к нагреваемому воздуху жилых помещений. В реальных условиях данную работу совершает электромотор, вращающий вал компрессора.
Подобный тепловой насос, перекачивающий тепло окружающей среды на более высокий уровень, использует для обогрева помещений в конечном счете электроэнергию. Не лучше ли обогревать помещения непосредственно с помощью электрокаминов? Оказывается, пет.
Тепловые насосы при тех же результатах расходуют электричества вдвое меньше.
В наше время тепловые насосы получили очень широкое распространение. Сейчас их миллионы. Несколько лет назад в мире был настоящий "насосный бум". Особенно выгодны они там, где для отопления использовалась электроэнергия или ценное жидкое топливо, - в США, Великобритании.
В нашей стране, отличающейся широкоразвитой сетью централизованного теплоснабжения, конкурентоспособность тепловых насосов ниже. Ведь во многих городах и микрорайонах больших городов для отопления используется пар, отбираемый из последних ступеней турбогенераторов. Он отдал уже почти всю энергию на вращение ротора турбины, и его все равно предстоит выбросить в конденсатор, где он отдаст тепло окружающей среде.
Поэтому гораздо выгоднее термодинамически отобрать его у турбины и использовать для обогрева жилищ.
Но в нашей стране много районов, где нет централизованного теплоснабжения от ТЭЦ и могут оказаться эффективными тепловые насосы например, если вблизи жилищ есть теплые сбросные воды заводов, фабрик, коммунально-бытовых предприятий. Температурный потенциал сбрасываемого тепла может оказаться недостаточным для жилищ, но тепловому насосу гораздо легче "перекачать" теплую воду на уровень, необходимый для отопления. Слово "легче" здесь означает, что для такой "перекачки" тепла потребуется меньше электроэнергии, чем на нагрев воды до температуры, необходимой в отопительной системе жилья.
Илп возьмем ситуацию, когда есть дешевая электроэнергия. Такой она бывает, например, ночью. Тепловой насос в это время может "накачать" в аккумуляторные баки массу горячей воды, достаточную для отопления в течение дня. С помощью дешевой ночной (подпиковой)
электроэнергии уже отапливают сельскохозяйственные объекты в Прибалтийских республиках, правда, в небольших количествах. Применение тепловых насосов позволит расширить масштабы применения подпиковой электроэнергии в том регионе, где органическое топливо очень дорого.
Нестандартно, гибко, с учетом всех местных условий должна определяться энергетическая тактика и стратегия для разных районов страны. У меня перед глазами - Якутия и Магаданская область, где совсем недавно я побывал в служебной командировке. Пришлось как раз разбираться с одним из вопросов энергоснабжения.
В этом регионе много полезных ископаемых. По всей территории рассеяны горнодобывающие предприятия.
Наиболее интенсивная работа у них летом, когда легче справиться с вечной мерзлотой. Такие районы часто имеют вывернутый график нагрузок: летом электроэнергии потребляется больше, чем зимой.
Сотни мелких котельных дымят всю долгую зиму, обеспечивая отопление жилых домов. Котельные невелики по размерам, и обслуживающего персонала требуется предостаточно - ведь в качестве топлива используется уголь, смерзающийся зимой в твердые глыбы. Более того, уголь нужно доставлять автомашинами по горным трактам иногда за многие сотни километров. И снова нужны автоводители и служащие автопредприятий, а обустройство каждого нового человека на Севере стоит очень дорого и влечет, в свою очередь, дополнительные затраты энергии. Кроме того, автотранспорт нуждается в дизельном топливе, а он здесь особенно дорог. Видите, какая длинная энергодорогостоящая цепочка вытянулась для спасения от зимней стужи. Нет ли способа дешевле?
Ответ напрашивается сам собой - тепловые насосы.
И здесь мы сталкиваемся с парадоксальной ситуацией.
Руководители, отвечающие за электроснабжение, почти ритуально и с негодованием твердят о "термодинамическом безобразии" использования электроэнергии для отопления.
Но обратите внимание, ведь электроэнергия в этом случае нужна для обогрева ночью, когда она в избытко, а не днем; зимой, а не летом, когда ее потребление возрастает. И дальше: ведь можно будет отказаться при таком (электрическом) способе отопления от части автотранспорта, расхода дизельного топлива, уменьшить количество обслуживающего персонала.
Бернард Шоу сделал правильное наблюдение: "Как только захочется поверить во что-нибудь, сразу видишь все аргументы за и становишься слеп ко всем аргументам против". Не хотелось бы выглядеть слишком увлеченным.
Но пусть и оппоненты проявят объективность. Наверное, если бы они ведали не только электроэнергией, но отвечали бы и за тепло, их точка зрения не страдала бы ведомственной ограниченностью.
Как же обстоят дела с тепловыми насосами в нашей стране?
В сущности, они есть сейчас почти в каждой квартире - ведь это наши домашние холодильники. Они перекачивают тепло из одной среды в другую за счет электроэнергии, оплачиваемой по 4 копейки за 1 киловатт-час.
Они поднимают температуру в комнатах и понижают в морозильной и холодильной камерах. Отбор тепла из холодильника происходит через теплообменники, расположенные на его задней стенке, поэтому их не всегда и замечают.
Если эти теплообменники холодильника вынести из квартиры и разместить за стеной дома, а через холодильную камеру прокачивать воздух, то получим кондиционер. На изготовлении тепловых насосов подобного типа специализируется Бакинский завод кондиционеров. Их часто можно видеть в окнах домов, особенно в южных районах страны.
Теперь сделаем еще одну операцию - развернем кондиционер наоборот. Тогда охлажденный в камере воздух будет нагреваться не в квартире, а за стенами дома. Наш кондиционер будет отбирать тепло у атмосферы и направлять его в комнату. Конечно, охладить воздух за окнами кондиционеру не удастся - его слишком много.
Что же, мы получили тепловой насос? Не совсем. Настоящий экономичный насос должен быть совершеннее.
Бытовой холодильник не обязан иметь высокий КПД - его мощность относительно невелика. Но кондиционеры и тем более тепловые насосы должны поддерживать температурный режим не в маленьких холодильных камерах, а в просторных квартирах и производственных помещениях. Им надо больше мощности, выше КПД.
Установки теряют простоту холодильников, становятся дороже и сложнее в эксплуатации. Это несколько приостанавливает нашествие тепловых насосов.
У нас в стране теплонасосные установки начали распространяться в наиболее выигрышном для них районе.
В крымско-кавказской курортной зоне даже в осенне-зимние месяцы имеется безграничный источник тепла - восьмиградусная вода Черного моря. Благодаря тепловым насосам жители Черноморского побережья могут пользоваться дешевой горячей водой.
Для обогрева и получения горячей воды можно приспособить также громадное количество холодильных установок, работающих на фермах, овощехранилищах, хладокомбинатах, в столовых, магазинах. Как же не выбрасывать, а использовать тепло, вырабатываемое в этих тепловых насосах? Требуется лишь некоторая реконструкция. Над ее оптимальными вариантами сейчас и бьются специалисты ГДР, Франции, нашей страны.
Для себя или для внуков!
Мало изобрести и создать устройства для эффективного использования различных видов энергии в промышленности, транспорте, сельском хозяйстве. Нужно еще оценить, а выгодны ли они обществу? На помощь приходит экономический анализ. Именно он позволяет определить целесообразность создания той или иной машины, масштабы внедрения новой техники, развития какоголибо направления энергетики.
Известен афоризм, приписываемый Б. Франклину:
"Я не так богат, чтобы покупать дешевые вещи". В быту мы часто руководствуемся этим принципом. Иногда предпочтем дорогую вещь, ибо она, как правило, служит дольше. Правда, приобретаем мы и дешевые вещи наподобие рабочей одежды или чего-нибудь модного. Так или иначе, интуитивно или по определенным правилам мы распределяем свой бюджет. Однако, если речь идет об очень дорогостоящей покупке, которая и служить тоже должна очень долго, решение принять непросто. Вот одна из задач с "энергетическим" уклоном.