Техника - молодёжи 1983-11, страница 31

ГЛАВНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ РАБОТ ЭНИНа — ТЕПЛОВОЙ НАСОС

Возьмем обычный домашний холодильник. Куда девается тепловая энергия, поступающая к его охлажденной части? Она в соответствии с законом сохранения энергии выделяется на обратной стороне холодильника вместе с тепловой энергией, возникающей в процессе функционирования механизма холодильника и равной энергии, потребляемой холодильником. Другими словами, поглощенная холодильной камерой тепловая энергия выделяется сверх энергии, потребляемой холодильником и сбрасываемой в конечном счете в виде теплоты. Как видим, эта «даровая» прибавка к тепловой энергии становится возможной лишь благодаря тому, что она «сама собою» стекла к холодильной камере из окружающей среды. Именно на этом принципе и работает тепловой насос, отличающийся от холодильника тем, что его охлажденная часть не изолируется от окружающей среды, а, наоборот, рассчитывается на широкий контакт с нею: оформляется в виде змеевика или батареи и вводится в воду реки или в наружный воздух с тем, чтобы как можно больше «даровых» калорий стекло к этой охлажденной части из окружающей среды. Тепловой насос — это устройство для переноса тепловой энергии от тепло-датчика с низкой температурой (к примеру, озерная вода или наружный воздух зимой) к теплоприемни-ку с высокой температурой.

Существует немало научных работ, в которых подтверждается и обосновывается необычное свойство тепловых насосов. Но, несмотря на это, в научных организациях, за исключением ЭНИНа, слишком мало делается для того, чтобы всерьез на современном уровне заняться теоретическим объяснением и изысканиями перспектив широкого использования тепловых насосов в народном хозяйстве.

К примеру, еще даже не обоснована физико-математическими методами правомерность применения обращенной формулы С. Карно для расчета коэффициента преобразования энергии в тепловом насосе (t)=Ti/Ti—Т₂, где Т, и Т₂ — соответственно начальная и конечная температура рабочего тела). Просто-напросто порешили: поскольку, по У. Томсону, «тепловой насос есть обращенная тепловая машина», то, следовательно, к нему можно применить обращенную формулу С. Карно. А ведь данное определение теплового насоса, сформулированное еще в век господства тепловых машин, фактически уже неприменимо, к примеру, к полу

проводниковым тепловым насосам. Даже к современным компрессионным тепловым насосам оно неприменимо без натяжек. В результате и эта формула, могущая давать значения rj, в десятки и сотни раз превосходящие единицу, никак не вписывается в физическую картину процессов, имеющих место в тепловом насосе. Поясним это.

Обратимся к схеме одного из типов теплового насоса (рис. 3). Здесь теплота будет «сама собою» стекать из окружающей среды к охлажденной детали 4 насоса. Но поскольку охлаждение этой детали осуществляется за счет энергии (W), затрагиваемой на функционирование насоса (генерацию «холода», при которой, как твердо установлено, коэффициент преобразования энергии не может превосходить единицы), то, следовательно, и количество теплоты (Qi), стекающей к детали 4 и стремящейся

Рис. 3. Принципиальная схема теплового насоса, основанного на эффекте Пельтье. Имеется цепь, питаемая от источника (1) и включающая в себя два разных типа проводников. При переходе электронов из проводника (2) с меньшей средней энергией свободных электронов в проводник (3) с большей средней энергией свободных электронов они повышают свою энергию, отбирая ее у кристаллической решетки спая (4), температура которого при этом понижается. И наоборот, при переходе электронов из проводника (3) с большей средней энергией .свободных электронов в проводник (2) с меньшей средней энергией свободных электронов они отдают излишек своей энергии кристаллической решетке спая (5), и его температура от этого повышается.

Холодный спай (4) вынесен на наружный воздух. Поскольку температура спая ниже наружной температуры, со стороны воздуха, к спаю устремляется поток теплоты, которая выделяется на спае (5) в дополнение к выделяющейся на этом же спае теплоте, эквивалентной энергии, потребляемой тепловым насосом от источника (1). Таким образом обогреваемое помещение получает от теплового насоса больше энергии, чем ее затрачивается на функционирование самого теплового насоса. Описанный тепловой эффект увеличивается, если используются полупроводники. Комнатный воздух, закачиваемый вентилятором (6) в трубу (7), омывает горячий спай (5) и выходит из нижнего конца трубы нагретым.

скомпенсировать понижение ее температуры, не может превосходить W. Таким образом, при всех условиях должно соблюдаться неравенство Qi < W. Фактически же, поскольку теплота Qi не полностью компенсирует снижение температуры охлажденной детали (деталь эта во время функционирования насоса остается холодной), Qi никогда не равно W. Так как по установившимся представлениям количество выдаваемой насосом на детали б теплоты Q₂ является суммой Qi+W, то, учитывая выписанные выше неравенства, можно написать Q₂ = Qi+W или Q₂<2W, и, следовательно, ri<2.

Оговоримся, что здесь мы не ставили перед собой задачу решить «неясный вопрос», а лишь показали проблему. Тем не менее остается, видимо, бесспорным, что тепловые насосы дают значительный энергетический выигрыш, и потому в наши дни в связи с угрозами энергетического кризиса они находятся в центре внимания зарубежных исследователей и промышленных фирм. В настоящее время в США, Западной Европе и Японии функционируют миллионы отопительных теплонасосных установок для зданий и тысячи промышленных установок, поставляющих предприятиям технологическое тепло. По оценкам западных специалистов, в ближайшие одно-два десятилетия ожидается возрастание количества используемых тепловых насосов в 10 раз, и к 2000 году их суммарная мощность достигнет 50— 150 млн. кВт.

Остается лишь добавить, что в области тепловых насосов еще предстоят работы по теоретическим исследованиям проб~емы, по повышению эффективности и надежности самих насосов (они пока недостаточно конку рентоспгибны) и, конечно же, по разработке экономичных способов превращения выдаваемой ими теплоты в электрическую энергию.

Из этого краткого перечня направлений работ ЭНИНа видно, насколько серьезны стоящие перед ним проблемы. Но они только вдохновляют коллектив энтузиастов, чего никак нельзя оказать о других проблемах так называемого организационного порядка. У института нет экспериментальной базы, остаются непреодоленными и трудности с публикацией его трудов. Тем не менее работы ЭНИНа расширяются и углубляются, ибо все «эниновцы» вслед за их вдохновителем К. Э. Циолковским, поставившим проблему энергетической инверсии еще в 1914 году в работе «Второе начало термодинамики», представляют себе, «как прекрасно будет достигнутое!».

29