Знание-сила, 2005 № 01 (931) - [6]
Второе начало запрещает создание концентраторов, аккумулирующих энергию флуктуаций в системах с установившимся тепловым равновесием и флуктуаций на уровне тепловых шумов, когда флуктуации молекулярной структуры самих концентраторов такого же порядка величины. Как же тогда быть с «тепловыми насосами», отапливающими помещения как раз за счет «высасывания» равновесного (молекулярного) тепла окружающей среды? Такие установки с мощностью в несколько киловатт уже созданы.
Чтобы получить представление о том, как действует тепловой насос, вспомним известную еще со школы паровую машину. Если забыть о конструктивных особенностях, то, с принципиальной точки зрения, паровая машина и тепловой насос различаются тем, какая температура выше — при расширении или в процессе сжатия пара в рабочем цилиндре. Тепловой насос при каждом цикле, включающем расширение и сжатие, часть энергии внешней среды, содержащейся в расширившемся газе, оставляет в рабочем цилиндре как бесплатную добавку к теплу, в которое трансформировалась энергия внешнего двигателя.
Теорию паровой машины и ее зеркального отражения — теплового насоса — 175 лет назад создал французский инженер Сади Карно. Эти два режима часто называют прямым и обратным циклами Карно. Сегодня существует огромное количество конструкций тепловых машин, и все они подчиняются этой теории, которая говорит, что эффективность машины, ее КПД тем выше, чем больше разность температур, при которых происходят расширение и сжатие в рабочем объеме. А вот тепловой насос работает с наибольшим КПД, то есть с максимальным переносом тепла при наименьшей затрате энергии приводящего его в действие двигателя, когда разность температур расширения и сжатия минимштьна и обе они достаточно высоки. Такие условия — в тропиках, где тепловой насос мало полезен. Там важнее обратный процесс — охлаждение помещений. Однако и в холодном климате, для которого характерны большие перепады температур, тепловые насосы, тем не менее, могут быть весьма эффективны. Если для жилых помещений нужна температура в 20 градусов, то для многих подсобных помещений — гаражей, складов — вполне достаточно 5—10 градусов, а для овощехранилищ — всего лишь несколько градусов выше нуля. Для такого низкотемпературного обогрева, особенно в условиях не слишком холодных зим, вполне пригодны тепловые насосы.
Изатекая из окружающей среды рассеянное там тепло, тепловые насосы увеличивают наши энергоресурсы. При этом возвращается и однажды уже отработанное тепло. Казалось бы, это позволяет создать нескончаемый круговорот энергии — своеобразный маятник, когда сброшенное при работе паровой машины тепло вновь возвращается тепловым насосом, и все это повторяется раз за разом. Однако, как и механический маятник, такой закольцованный процесс будет постепенно затухать, поскольку благодаря трению и другим диссипативным процессам часть тепла будет уходить из кольца, рассеиваться в окружающей среде, и для ее компенсации, чтобы безостановочно работал мотор, приводящий в действие тепловой насос, необходим приток энергии со стороны. Увеличивая энергоресурсы, тепловые насосы, тем не менее, не спасают Мир от энергетического «увядания».
Недавно одного из авторов пригласили на демонстрацию очень простого по своей конструкции устройства, разделявшего засасываемый с улицы холодный воздух на две струи холодную, которая выпускалась наружу, и теплую, обогревавшую небольшой дачный домик. Это так называемая вихревая труба, изобретенная французским инженером Ранке. Небольшой компрессор вдувает тонкую струю наружного воздуха по касательной к внутренней поверхности трубы (рис. 2). Периферическая, близкая к стенкам вихреобразно вращающаяся часть струи нагревается и через узкую щель между трубой и конусообразной пробкой выходит в обогреваемое помещение. В обратном направлении течет и сквозь небольшое отверстие выхолит наружу охлажденный поток воздуха. Разогрев периферической струи можно приписать трению о стенки и на границе при встрече с центральным воздушным потоком. Труднее объяснить, почему понижается температура потока. Предложено несколько гипотез, но общепринятой теории пока нет. Однако установка растает и действительно обогревает помещение, хотя экономическая выгода от такого способа обогрева незначительна.
Есть случаи, когда тепловой насос может дать ощутимый экономический эффект. На тепловых и атомных электростанциях происходит сброс огромных масс воды, использованных для охлаждения системы. Ее температура — около 25 градусов по Цельсию — достаточно высока, чтобы попытаться утилизировать ее с помощью тепловых насосов. Конечно, КГ1Д мал, но благодаря очень большому объему сбрасываемой воды это может оказаться экономически оправданным, особенно если принять во внимание экологические соображения.
Рис. 2.
Вихревая трубе Ранке. Заначиваемый в трубу воздух (или жидкость) расщепляется на две струи — вихревую периферическую и движущуюся е обратном направлении ламинарную. Из узкой кольцевой щели выходит нагретый воздух; из отверстия в заслонке на противоположном конце трубы — охлажденный.
