Виктор Бродянский - Вечный двигатель — прежде и теперь. От утопии — к науке, от науки — к утопии

Займемся этим и рассмотрим работу теплового насоса посредством составления и анализа его эксергетического баланса. В такой баланс, так же как и в энергетический, должны входить три члена, соответствующих энергетическим потокам. Однако один из них будет равен нулю, поскольку эксергия потока теплоты Q О.С. , отбираемой из окружающей среды при T О.С., равна нулю (по формуле Карно). Следовательно, в систему эксергия поступает только с электроэнергией (заштрихованная полоса соответствует эксергии); подсчитать ее легко, поскольку высокоорганизованная электрическая энергия полностью работоспособна. Значит, поступающая эксергия E’ = 2 кВт.

Отводимая эксергия представляет собой эксергию отводимой теплоты Q Г; она равна Е" = 4∙(323-263)/323 = 0,929 кВт. Остальная эксергия Е' — Е" = 2 — 0,929 = 1,071 кВт потеряна вследствие необратимости. Эксергетический КПД теплового насоса составит

η е= 0 929/2 = 0,46, или 46%.

Соответствующая эксергетическая диаграмма показана на рис. 4.5, б. Из нее видно, что эксергетический баланс дает наиболее полную информацию об энергетических превращениях в системе. Он показывает, сколько полезной, работоспособной энергии затрачено, сколько получено и сколько потеряно вследствие необратимости, вызванной термодинамическим несовершенством процесса. КПД показывает (в отличие от теплового коэффициента) степень приближения процесса к идеальному: только 46% подведенной эксергии «пошли в дело». Остальные 54% потеряны. Несмотря на то, что КПД существенно меньше 100%, такой нагрев более эффективен, чем непосредственное электрическое или печное отопление; отсюда и стремление к использованию теплоты от теплоэлектроцентралей (ТЭЦ) и теплонасосных установок (ТНУ).

Посмотрим, «сколько стоит» в энергетическом смысле теплота при получении ее разными путями. Приведем такой расчет для тех же условий ( T О.С.= —10 °С, температура отопительного прибора Т Г = 50° С) применительно к электропечи. При затрате электроэнергии (т. е. эксергии) 1 кВт она даст, естественно, 1 кВт теплоты, Q = 1. Отсюда эксергия теплоты будет 1∙(323-263)/323 = 0,186 кВт. Следовательно, КПД электропечи η е= 18,6%. Такой же примерно КПД будет иметь и обыкновенная печь, так как эксергия топлива (например, угля) практически равна теплоте, которая в идеальном процессе горения может быть из него получена. Таким образом, из 1 кВт теплоты, так же как и в электропечи, будет получено 0,186 кВт эксергии теплоты. КПД отопления с ТЭЦ составляет около 40-45%, т.е. примерно такой же, как и у ТНУ.

Подсчитаем в заключение, сколько теплоты Q для отопления при этих условиях (T Г= 50°С) сможет дать 1 кВт электроэнергии в идеальном тепловом насосе. При η е= 1 (т. е. 100%) эксергия полученной теплоты будет равна 1 кВт. Получим

1 — Q = (323 – 263)/323, отсюда Q = 1/0,186 = 5, 38 кВт.

Вот сколько теплоты может дать идеальный тепловой насос!

Рассмотрение теплового насоса, проведенное выше, показывает, что это очень хорошее и полезное на своем месте устройство. Однако нет никаких оснований считать, что он обладает чудесными свойствами. Тепловой насос приносит пользу, но, как всякая реальная установка, увеличивает энтропию, превращая более упорядоченную, организованную электроэнергию и менее организованную теплоту Q О.С.в еще менее организованный тепловой поток с большей энтропией. Никакой «концентрации» (если понимать ее как повышение качества энергии) поэтому он не производит. Тепловой коэффициент μ у него всегда больше единицы, но никакого чуда в этом нет, μ — это не КПД. Легко показать, что μ может иметь намного большие значения, чем 2 или 3, рассмотрев его изменение при разных внешних условиях.

Возьмем для примера тепловой насос с высоким, но вполне достижимым КПД η е= 0,5 и подсчитаем его тепловой коэффициент при разных значениях верхней температуры T 2и при Т О.С.= 293 К (20 °С). Примем значения T 2равными 25, 50, 100, 150, 200 и 250 °С (по шкале Кельвина соответственно 298, 323, 373, 423, 473 и 523 К). Тогда при затрате мощности N = 1 кВт мы получим на верхнем уровне при выбранном КПД эксергию теплоты Eq = 0,5 кВт. Отсюда можно определить Q Г, пользуясь известным соотношением

L = Eq – Q Г∙ (T Г– T О.С.)/ T Г.

откуда

Q Г= Eq ∙ T Г/ (T Г– T О.С.)= 0,5∙ T Г/ (T Г– 293.).

Тепловой коэффициент μ = Q Г/N.

Расчеты μ дают:

Отсюда видно, что значения μ даже для реальной машины (не говоря уже об этих значениях для идеальной машины, указанных в скобках) могут достигать в соответствующих температурных интервалах 200-300 (или, если считать, как делают некоторые, в процентах, 20000-30000%). Действительно чудо! Есть от чего прийти в восторг. Затратил 1 кВт, а получил 290!