Глава восьмаяТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ

8.1. Почему тепловые насосы не прижились для теплоснабжения

Гранулы Солнца, о которых шла речь в конце предыдущей главы, являясь по существу как бы своеобразными вихревыми трубами, не просто переносят тепло от внутренних областей Солнца к его фотослою, как о них думали астрономы, считая их проявлениями только конвекционного процесса, а перерабатывают среднетемпературное тепло в высокотемпературное. Даже если мы ошибаемся, и в гранулах не идут термоядерные реакции с выделением дополнительного тепла, а все оно рождается только в глубоких недрах Солнца, как об этом думают астрофизики, то все равно в гранулах, как в вихревых трубах, осуществляется разделение газов на высокотемпературный и низкотемпературный потоки. При этом последний сбрасывается вниз, в глубины Солнца, а высокотемпературный поток высвечивает излучений больше, чем мог бы высветить весь среднетемпературный газ, поступающий в гранулу из недр Солнца, потому что по закону Стефана-Больцмана интенсивность излучения пропорциональна аж четвертой степени от температуры излучателя. Так, если температура высокотемпературного потока в 2 раза выше, чем исходного среднетемпературного, то он может высветить в 8 раз больше энергии, чем весь среднетемпературный, масса которого в 2 раза больше.
Но к тепловому излучению в вихре гранулы добавляется еще и индуцированное излучение, о котором мы говорили в разделе 7.3, поэтому солнечная гранула высвечивает энергии еще больше, и свет получается как от еще более горячего тела. Гранула как бы трансформирует среднетемпературное тепло недр Солнца в высокотемпературное излучение его поверхности.
Подобные процессы осуществляются не только в недрах Солнца.
Устройства, трансформирующие низкотемпературное тепло в высокотемпературное, уже более ста лет назад изобретены тем же У. Томсоном, который постулировал второе начало термодинамики. Эти устройства еще называют "тепловыми насосами", поскольку они позволяют как бы "перекачивать" тепло из низкотемпературного источника в высокотемпературный.
На первый взгляд такая передача тепла невозможна и противоречит самому же принципу Томсона, ибо мы привыкли к тому, что в окружающей нас природе тепло распространяется только от более нагретого тела к менее нагретому и не может само по себе переходить от менее нагретого к более нагретому (Р. Клаузиус, 1850 г). На самом же деле никакого противоречия нет, ибо в сумме энтропия системы (источника тепла, приемника тепла и теплопередающего устройства вместе с окружающей его средой, в которую рассеиваются потери тепла) возрастает.
Да, тепловой насос, как и всякий другой насос, затрачивает энергию на свою работу и рассеивает эту энергию в окружающей среде в виде тепла. И хотя затраты энергии на работу теплового насоса обычно в несколько раз меньше той тепловой энергии, которую "перекачивает" насос, но они существуют. Потому-то и невозможен "вечный двигатель" второго рода -устройство, которое целиком превращало бы в полезную работу всю теплоту, получаемую от какого-либо источника, например от реки или моря.

Рис. 8.1. Схема теплового насоса [87].

Казалось бы, что тепловой насос - это техническая диковинка, которую редко увидишь. На самом же деле с тепловыми насосами знаком даже каждый ребенок, ибо обычный домашний холодильник - это тоже тепловой насос. Он "выкачивает" тепло из морозильной камеры и отдает его трубчатой решетке - радиатору за задней стенкой холодильника, которая от этого становится теплой, а иногда даже горячей. Охлаждая морозильную камеру, холодильник согревает комнату, в которой установлен, так что при холодной погоде домашний холодильник полезен еще и тем, что одновременно служит дополнительным источником тепла для комнаты. Но это тепло получается исключительно за счет превращения в него электроэнергии, потребляемой холодильником.
А вот если морозильную камеру холодильника погрузить в реку, то холодильник начнет охлаждать воду реки, омывающую морозильную камеру. И тут происходит "чудо": в радиаторе холодильника начинает выделяться тепловой энергии гораздо больше, чем потребляет электрический мотор холодильника от розетки. На первый взгляд КПД устройства становится больше 100%!
На самом же деле никакого нарушения закона сохранения энергии не происходит: к энергии, вкладываемой двигателем компрессора в систему (а в конечном счете в радиатор), добавляется тепловая энергия, отбираемая морозильной камерой от воды реки, которая согревает морозильную камеру, не позволяя ей замерзнуть. Система холодильника начинает "перекачивать" тепло из реки в радиатор. Перекачивает, даже если вода в реке очень холодная, а радиатор в комнате горячий. То есть, как говорят теплотехники, переносит энергию от низкопотенциального источника тепла к высокопотенциальному. Так наш холодильник, предназначавшийся для охлаждения продуктов в морозильной камере, превращается в тепловой насос, согревающий комнату теплом реки даже зимой, когда река покрыта льдом.
Схема такого простейшего теплового насоса приведена на рис. 8.1. [87].
Эффективность работы этой схемы характеризуется коэффициентом преобразования теплоты или отопительным коэффициентом

Кот = q1/q0= (q0 + q2)/q0. (8.1)

Здесь q2 - количество теплоты, отбираемое от низкопотенциального источника тепла (реки);
q0 - количество теплоты, сообщаемое рабочему телу теплового насоса компрессором;
q1 - количество теплоты, отдаваемое рабочим телом насоса высокопотенциальному потребителю (радиатору).
Понятно, что отопительный коэффициент Кт больше единицы. В холодильной технике отношение

(8.2)

называют холодильным коэффициентом. (Здесь Т1, Т2 - температуры в градусах Кельвина в точках, указанных на рис. 8.1.)
С учетом формулы (8.2) получим из (8.1) еще одно выражение для отопительного коэффициента

(8.3)

Для примера рассчитаем эффективность работы теплового насоса для обогрева жилого помещения теплом реки зимой, когда вода подо льдом реки имеет температуру Т2 всего 3°С. Батареи водяного отопления в помещении должны иметь температуру Т1 = 70°С, то есть быть не очень горячими, чтобы не обжечь руку, но и достаточно теплыми, чтобы согревать воздух в комнате. Холодильный коэффициент тогда будет = (273+3)/(70 - 3) = 4,1. А отопительный коэффициент .
Это означает, что только пятую часть тепла батареи отопления здания будут получать от компрессора теплового насоса (на что расходуется электроэнергия или дизельное топливо), а 80% тепла даст река. Выгодно? - Конечно, выгодно, особенно в наши дни, когда дизельное топливо (как и другие виды топлива) становится все дороже и дефицитнее, а электроэнергия тоже дорожает.
Выгодно не только с точки зрения экономии топлива. Выгода от использования таких систем отопления заключается еще и в том, что они не загрязняют природу продуктами сгорания, а наоборот, очищают воду рек от лишнего тепла. Ведь "тепловое загрязнете" воды рек и озер из-за сброса в них сточных вод городов и отработанных теплых вод заводов и теплоэлектростанций с каждым годом становится все заметнее. Наши реки за последние полвека стали не только грязнее, но и теплее. И летом уже приходится только мечтать о былой прохладе речной воды. Рыбам в такой воде тоже не очень нравится, а вот болезнетворные бактерии и вредные голубые водоросли развиваются интенсивно.
Тепловое загрязнете природы уже перерастает в глобальную проблему, вызывая расстройство климата на Земле. И скоро, очень скоро человечество вынуждено будет вводить квоты для стран по годовому выбросу тепла в водоемы и атмосферу, как уже ввело квоты по выбросу парниковых газов.
Так почему же тепло рек, способное заменить тысячи котельных, до сих пор не используют в широких масштабах для обогрева городов, а продолжают сжигать для этих целей тысячи тонн дефицитных угля, газа и нефти?
Или, может, в реке не хватит тепла для обогрева целого города? Давайте подсчитаем. Из всех известных людям веществ вода обладает максимальной удельной теплоемкостью - 1 ккалДлитр град.). И если бы, например, у реки Волги отбирать тепло с помощью тепловых насосов, то при среднегодовом стоке этой реки в 200 км3 охлаждение ее воды всего на один градус Цельсия давало бы 2-Ю14 ккал в год, или же в пересчете на электроэнергию, более двухсот миллионов мегаваи-часов в год. Это в 3 раза больше, чем вырабатывает весь каскад волжских гидроэлектростанций!
Спрашивается, стоило ли тогда возводить этот каскад, затопляя "рукотворными морями" плодороднейшие земли и лишая Волгу рыбы?
По большому счету, конечно, не стоило. Но возвести гидроэлектростанции было проще, чем создавать тепловые насосы такой же мощности. Лишь огромная нужда заставляла немцев в конце второй мировой войны, когда Германия оказалась отрезанной от источников нефти, срочно ставить тепловые насосы для обеспечения теплом некоторых объектов, стоявших на берегах рек. Обычные котельные, сжигающие мазут или уголь, конструктивно были проще и дешевле. Вот и жгли люди из века в век дрова, уголь, нефть, газ, пока тех хватало.
Так почему тепловой насос сложнее обычной котельной? А взгляните на конструкцию домашнего холодильника. Теплоносителем (рабочим телом) в нем служит фреон (или аммиак), который при работе холодильника в одном его узле (компрессоре) сжимается, а в другом (охлаждающей рубашке морозильной камеры) испаряется. При испарении образуется холод, ибо на испарение сжиженного газа идет тепло, изымаемое из морозильной камеры. А при сжатии и сжижении газа в компрессоре выделяется тепло, которое и отдается решетке-радиатору за задней стенкой холодильника. В случае принудительной циркуляции рабочего тела от испарителя к компрессору и происходит перенос тепла от холодной морозильной камеры к горячему радиатору.
В такой схеме рабочее тело (хладагент) должно иметь температуру кипения ниже температуры воздуха в комнате. (А точнее, ниже той температуры, которую надо создавать в морозильной камере.) Поэтому в качестве рабочего тела и используют фреон или аммиак, имеющие низкие (криогенные) температуры кипения.
В первых тепловых насосах, предназначавшихся для обогрева зданий теплом рек, использовали ту же схему и тот же ядовитый аммиак. Только его там надо было гораздо больше, чем в домашнем холодильнике. А это целое криогенное хозяйство - дело сложное, опасное и дорогое. Подбрасывать дрова или уголь в топку обычной котельной гораздо проще. Вот и развивался топливно-энергетический комплекс в ущерб экологии планеты. Сейчас его развитие, как давление в паровом котле, достигло той красной черты, переступить которую будет чревато взрывом - экологической катастрофой глобальных масштабов.
Поэтому разработка мощных тепловых насосов простой конструкции имеет стратегически важное значение как для будущего энергетики планеты, так и для спасения ее экологии.
Но дело это непростое. Особенно если мы хотим не только заменить тепловыми насосами котельные, но и использовать их для производства электроэнергии вместо тепловых и гидроэлектростанций. Судите сами. Для работы турбины тепловой электростанции требуется пар. Значит, тепловой насос, если мы хотим просто заменить им топку, должен нагревать воду уже не до 70, а как минимум до 150°С. Но при этом холодильный коэффициент теплового насоса падает до величины = 276/ (150 - 3) = 1,9. А отопительный коэффициент Кт = + 1 становится всего лишь 2,9.
Получается, что треть вырабатываемой электроэнергии надо будет затрачивать на осуществление работы по сжатию рабочего тела компрессором, то есть возвращать в систему. Но КПД того же компрессора вместе с турбинами электростанции отнюдь не 100%, а где-то всего 30%. С учетом этих потерь получается, что такая электростанция едва сможет обеспечивать электроэнергией саму себя, а для внешних потребителей ее уже не останется. Вот и не проектировали такие электростанции: зачем мудрить, если проще было перегородить реку плотиной и поставить мощную турбину?!
Но на сегодняшний день такой подход устарел. Экологическая ситуация на планете неумолимо требует пересмотреть его и изыскивать новые возможности для разработки высокоэффективных тепловых насосов, способных заменить не только котельные, но и тепловые, гидравлические и даже атомные электростанции.
8.2. Попытка сыграть на зависимости теплоемкости воды от давления
В тепловых насосах в качестве рабочего тела используют, как и в холодильниках, в основном жидкости, имеющие низкую температуру кипения. Но известны и конструкции, в которых используется смесь паров с каплями жидкости. При этом "игра" по-прежнему идет за счет фазовых переходов газ-жидкость и обратно, при которых выделяется или поглощается скрытая теплота испарения рабочего тела.
А вот в [120,121 ] впервые была сделана попытка создать тепловой насос, в котором в качестве рабочего тела используется жидкость, работающая без всяких фазовых переходов. Тепловые насосы, работающие без фазовых переходов, в принципе тоже возможны. Так, если в теплообменнике, отбирающем тепло из реки, газообразное рабочее тело (например воздух) имеет температуру Т1, ниже 0°С, то оно может нагреться здесь теплом речной воды до какой-то более высокой температуры (но ниже температуры воды в реке). Если затем этот газ сжать компрессором, то за счет превращения в тепло работы компрессора, затрачиваемой на сжатие газа, газ нагреется до температуры Т 2. А в высокотемпературном теплообменнике, куда компрессор подает этот сжатый газ, происходит передача тепла от него воде охлаждающей рубашки, которая, нагревшись, может быть использована для обогрева батарей водяного отопления здания или других целей. Сдросселировав затем высокое давление сжатого рабочего газа до низкого, уменьшают его температуру до исходной величины (ниже 0°С) и вновь направляют этот газ по замкнутому контуру в низкотемпературный теплообменник, погруженный в реку.
Такие тепловые насосы тоже работоспособны, но менее эффективны, чем работающие на фазовых переходах рабочего тела. Понятно, что они могут работать только на газе, а не на жидкостях, которые практически несжимаемы.
И вот в [121] была сделана попытка перешагнуть через эту аксиому.
Гидравликами давно замечено, что вода при высоких давлениях тоже в какой-то мере подчиняется уравнению Клапейрона-Менделеева для идеального газа .

Рис. 8.2. Схема теплового насоса со сжимаемой водой в качестве рабочего тела [121].

Только вместо универсальной газовой постоянной в нем надо брать другой коэффициент. Поэтому некоторые из них (например, профессор З.Ф. Немцев из Нижнего Новгорода на X Международном симпозиуме "Перестройка естествознания") иногда даже утверждают, что при повышении давления воды P над ней совершается работа dE~VdP, хотя объем воды V практически не изменяется.
А еще давно известно, что удельная теплоемкость воды Cv несколько уменьшается с ростом ее давления Р. Это уменьшение совсем небольшое. Так, с увеличением давления от 1 до 200 атм при 20°С величина Cv уменьшается от 4,183 до 4,141(кДжДкгград.) [122].
На этом уменьшении удельной теплоемкости воды при ее сжатии и решили сыграть авторы изобретений [120,121] из Научно-исследовательского и опытно-конструкторского института автоматизации черной металлургии СССР. В предложенном ими устройстве (см. рис. 8.2) в толстостенном полом стальном шаре 1, заполненном водой, находится теплообменник-змеевик 4, соединенный трубопроводами с потребителем тепла - батареей водяного отопления 5. Вода же, заполняющая шар 1, циркулирует по трубопроводам, соединяющим его с низкотемпературным теплообменником 1, погруженным в реку, из которой отбирают тепло. Давление воды в шаре 1 периодически повышают с помощью насоса 2 до величин, превышающих 1000 атм, а затем, прокачав воду через змеевик 4 и радиатор 5, перекрывают вентиль 3, сбрасывают давление в шаре 1 до исходного и открывают вентиль 6.
Авторы изобретения полагали, что при повышении давления в шаре 1 до столь больших величин (на что из-за малой сжимаемости воды требуется совсем немного энергии) теплоемкость воды упадет настолько, что температура воды в шаре в результате этого поднимется на значительную величину и будет нагревать воду в змеевике 4, а та - теплообменник 5.
Предполагалась циклическая работа устройства, когда при высоком давлении в шаре 1 происходит отдача тепла из него потребителю 5, а после понижения давления в шаре 1 до нормального, когда теплоемкость воды в нем возрастет, а температура уменьшится, происходит прием тепла водой шара от реки с помощью теплообменника 7.
Но достаточно произвести простой расчет с использованием имеющихся в справочниках и другой литературе экспериментальных величин удельной теплоемкости воды при высоких и сверхвысоких давлениях, чтобы увидеть, что такая "игра", как говорится, "не стоит свеч". Так, по данным, например [123], при сжатии воды до 4 тысяч атм ее удельная теплоемкость при 20-30°С уменьшается только до величины Cv2 = 3,5Дж/(г трад.) И если начальная температура воды 7, была 20°С, то после сжатия воды до такого давления ее температура возрастет до Т2 =Т, - Сv1 /Cv2 = 24°С. Понятно, что ни о каком ощутимом нагреве воды, а тем более об использовании ее тепла путем теплообмена, и речи быть не может.
Тем не менее, эта попытка авторов работ [120, 121] была полезна тем, что стимулировала исследователей и конструкторов начать думать о возможностях использования воды и других жидкостей в качестве рабочего тела тепловых насосов, функционирующих без фазовых переходов.