Техника - молодёжи 1958-02, страница 41

Наверное, многим покажется странным, если мы скажем, что дома жителей деревни, поселка или города, расположенных на берегу большой реки, озера или моря, зимой можно отапливать за счет тепла указанных водое-мон. Действительно, как можно нагреть помещение, скажем, до 20³ водой реки или озера, температура которой не превышает 2 — 4°?

Но ничего неправдоподобного в этом нет. Хотя из физики известно, что передача тепла от холодного тела горячему невозможна,— такой 'процесс считают противоестественным, -однако в той же физике говорится о том, что можно всегда осуществить противоестественный процесс ценою естественного.

Что это значит?

Известно, что механическая энергия, например, свободно перех -дит в тепловую. Это естественный процесс природы. Остановившийся поезд, исчезнувший звук, стихнувший ветер — все это случаи превращения механической энергии в теплоту.

Известно также, что после сильного шторма вода в море несколько нагревается. Обратно же теплота в работу сама по себе не переходит— это противоестественно. Для этого требуются специальные устройства, то есть машины, в которых получение работы из тепловой энергии покупается ценою перехода известного количества тепла с горячего тела на холодное.

Говорят, что кпд паровой турбины равен 25%. Это значит, что из 100% тепла только четвертая часть его создает работу, а три четверти расходуются на бесполезный подогрев окружающей среды.

Можно ли уменьшить эту жертву природе? Да, можно! И к этому постоянно стремятся наши энергетики. Кпд тепловой машины будет тем больше, чем выше температура греющего источника и ниже температура окружающей среды. Например, у паровой турбины, работающей на температурном перепаде от 300 до 30°, предельный кпд равен 47%, а при температурном перепаде от 500 до 30° — уже 61%. Вот почему сейчас в теплоэнергетике ведется упорная борьба за освоение турбин сверхвысоких параметров, в которых температура пара достигает 550 — 600°.

Итак, для того чтобы провести неестественный процесс, скажем — получить работу из теплоты, нужна машина и определенная жертва природе в виде естественного процесса, то есть в случае тепловых Двигателей перевод известного количестна тепла с горячего источника на холодный. Переход тепла с холодного тела на горячее также является неестественным процессом, а потому и для него потребуется машина и компенсация в виде какого-то естественного процесса.

Существует несколько способов перевода тепла с холодного тела на горячее. Мы же рассмотрим только один, наиболее распространенный из них, — компрессионный.

Как в теплосиловой установке турбина превращает тепло в работу, точно так же н тепловом насосе компрессор переводит тепло с холодного тела на горячее. Если в паровой турбине рабочим телом является водяной пар, в газовой турбине или дизеле — смесь воздуха с продуктами горения топлива, то в тепловом насосе чаще всего рабочим телом служит аммиак или смесь его с водой. Основными элементами паротурбинной установки являются турбина, котел и конденсатор. А н тепловом насосе основными элементами являются тоже котел и конденсатор, а нместо турбины — компрессор.

В паротурбинной устанонке котел обогревается топочными газами. В тепловом же насосе котел обогревается теплом водоема. И разница между ними только в температуре. Если в котле паровой турбины водяной пар нагревается до 300 и более градусов, то в котле теплового насоса пары аммиака нагреваются всего лишь до 2 — 4^е. В паротурбинной устанонке отработанный пар отдает сное тепло воде н конденсаторе, в тепловом же насосе пары аммиака также в конденсаторе отдают свое тепло отапливаемому помещению.

Да, но отапливаемому помещению нужно отдавать тепло при температуре по крайней мере не ниже 20°, а в котле аммиак нагрелся всего лишь до 2 — 4°. За счет чего же поднялась температура аммиака в конденсаторе? Оказынается этот нагрев сделал компрессор. Известно, что при сжатии пара температура его возрастает.

Но для того, чтобы сжать пар, потребуется затратить работу. Значит, работе компрессора как раз и является той данью природе, за счет которой и покупается противоестественный процесс—переход тепла из холодного нодоема в теплое помещение.

Но, может быть, затраты работы на компрессор будут так велики, что, как говорится, «овчинка не стоит выделки»?

Ответ на этот вопрос может дать только расчет. Рассмотрим же

ДОМА МОЖНО

ОТАПЛИВАТЬ ХОЛОДОМ

НЕИСЧЕРПАЕМЫЙ ИСТОЧНИК ТЕПЛА

Идея применения тепловых насосов не ново. Еще в 1920 году русский физик профессор В. А. Михельсон разработал «Проект динамического отопления», е котором подробно рассматривалась техника использования тепла низкого потенциала для теплоснабжения.

Первые опыты по использованию тепловых насосов относятся к 1924 году. Для теплового насосв требуется такое же оборудование, как и для обычной холодильной установки. Благодаря этому холодильная установка, которая летом служит для охлаждения воздуха в системе его кондиционирования, зимой может быть использована в качестве теплового насоса для отопления здания. Несколько десятков таких установок в период с 1930 по 1940 год были сооружены в США. Источником тепла низкого потенциала в этих установках являлись артезианская вода, вода от городского водопровода, наружный воздух.

Широко распространяться тепловые насосы нечали после значительного усовершенствования оборудования холодильных установок и снижения стоимости электроэнергии. Особенно широкое распространение они получили в Швейцарии, Англии и США, где число их достигает нескольких тысяч.

Основным показателем экономичности работы теплового насоса является отношение количества полезно использованного тепла к тепловому эквиваленту электрической энергии, затраченной на работу компрессора. Это отношение называют обычно отопительным коэффициентом, нлн коэффициентом преобразования теплового насоса ц. Очевидно, что чем вышв значение коэффициента преобразования, тем более экономичной может быть работа теплового насоса.

Предельное значение коэффициента трансформации теплового насоса ц ид, который может быть получен при заданной температуре «горячего» источника Ti (Т| — температура, отсчитанная от абсолютного нупя температур. Эта температура равна ti+273°, где ti — температура «горячего» источника, выраженная в градусах Цельсия) и заданной температуре «холодного» источника То, определяется по формуле:

Ti

И ИД = - —

li— 1о

Это значение может быть получено в «идеальном» процессе^ в котором не учитываются неизбежные потери в компрессоре, двигателе, теп-лообменных аппаратах, тепловых сетях. Действительные значения коэффициентов трансформации составляют примерно 50—60% от максимальных значений. Как видно из приведенного выражения, значение коэффициента трансформации резко возрастает при снижении разности температур между «горячим» и «холодным» источниками. Например, если температура воды в реке 4°С, а температура воды, которая должна быть подана в систему отопления, 95°С, то идеальный коэффициент трансформации равен 4, а действительный 2—2,5. Это значит, что на каждую единицу энергии, затраченную в виде механической работы в компрессоре, будет полезно использовано для отопления 2—2,5 единицы энергии в виде тепла. Или, затратив 1 квт-ч электроэнергии в компрессоре, можно получить около 2 тыс. больших калорий тепла. Если же этот киловатт-час электроэнергии использовать непосредственно для отопления, например, в электроплитке, то мы получим только 860 больших калорий тепла.

41