Отводимая эксергия представляет собой эксергию отводимой теплоты QГ; 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
ηе = 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 (TО.С. = —10 °С, температура отопительного прибора ТГ = 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 ηе = 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 (TГ = 50°С) сможет дать 1 кВт электроэнергии в идеальном тепловом насосе. При ηе = 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 QО.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 ηе = 0,5 и подсчитаем его тепловой коэффициент при разных значениях верхней температуры T2 и при ТО.С. = 293 К (20 °С). Примем значения T2 равными 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 QГ, пользуясь известным соотношением
L = Eq – QГ ∙ (TГ – TО.С.)/ TГ.
откуда
QГ = Eq ∙ TГ / (TГ – TО.С.)= 0,5∙ TГ / (TГ – 293.).
Тепловой коэффициент μ = QГ/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!
Однако прежде чем бить в литавры, посмотрим, какая это теплота. Она характеризуется температурой всего на 5°С выше окружающей среды. Ее коэффициент работоспособности меньше 0,002; это означает, что если такой теплоты мы имеем на «тепловой рубль», то его настоящая стоимость в валюте полностью организованной энергии — в работе — меньше 0,2 коп. По мере «улучшения» теплоты, повышения ее температуры ТГ ее качество растет, а значение μ сильно падает.
Таким образом, большие числа μ, свидетельствуют не о чудесном извлечении «тепловой энергии» из окружающей среды, а лишь о том, что получаемая теплота очень низкого качества.
Тем не менее ажиотаж вокруг теплового насоса, основанный на больших значениях коэффициента преобразования, не проходит. Примером может служить статья Г. Лихошерстных «В поисках энергии» [3.10], который, опираясь на «необычные свойства» тепловых насосов, дающих КПД, «в десятки и сотни раз превосходящие единицу», выдвинул оригинальную энергетическую идею. Он считает необходимым провести работы не только по «теоретическим исследованиям проблемы», но и «конечно же, по разработке экономичных способов превращения выдаваемой ими теплоты в электрическую энергию». Другими словами, он предлагает превращать в электроэнергию ту самую низкокачественную теплоту, о которой мы говорили выше.
Посмотрим, к чему привела бы реализация этого предложения.
На тепловых электростанциях получают электроэнергию с КПД примерно 40%. Далее эта электроэнергия должна в тепловом насосе преобразоваться в теплоту. Возьмем для насоса высокий КПД — 0,5. Затем используем эту теплоту для получения электроэнергии. Примем КПД такого преобразования тоже достаточно высоким — 0,4 (40%).
В результате конечная электроэнергия по способу Лихошерстных будет получаться с КПД 0,4 ∙ 0,5 ∙ 0,4 = 0,08, или 8%, т. е. в 5 раз худшим, чем просто на электростанции!
Вот к чему приводит тезис «теплота есть теплота независимо от температуры».
Рис. 4.6. «Высокоэффективная система» получения электроэнергии, аналогичная схеме с тепловым насосом В журнале «Изобретатель и рационализатор» была помещена в разделе «перпетомобиль» карикатура, показанная на рис. 4.6. Если сравнить только что описанную идею со схемой, изображенной на ней художником, то бросается в глаза их удивительное сходство; нужно только заменить электроплитку на тепловой насос. Едва ли автор рисунка мог подумать, что найдутся люди, всерьез предлагающие такую идею.
На примере теплового насоса можно видеть, к чему приводит непонимание второго закона термодинамики. Он, конечно, мешает «свободному творчеству», и у изобретателей ppm-2 нет более пламенного желания, чем добиться его исчезновения. Поскольку это не удалось, остается мечтать. Именно так поступил канд. техн. наук Н. Заев, опубликовав статью под названием «Энергетические искушения» [3.5] и обрисовав перспективы энергетики «за барьером XX века». Прежде чем перейти в следующей главе к рассмотрению современных ppm-2, стоит процитировать отрывки из этой статьи, представляющей некоторый «антитермодинамический манифест» «Только у букинистов можно купить обветшавшие тома нашей термодинамики. Она осталась не у дел. По мере развития термодинамики настоящей, прежние курсы сначала перестали читать, а потом и издавать. Настоящая термодинамика элементарно объясняет то, что в прежние времена обосновывали нагромождением начал, теорем, формул… Нет больше энтропии, энтальпий, эксергий и тому подобных загадочно звучащих терминов…».
Этот набор негативных лозунгов сводится по существу к призыву свободы от науки: даешь такую термодинамику, которая «элементарно объясняет» все, что надо, без всяких там «начал, теорем, формул».
Но поскольку новой «элементарно объясняющей» термодинамики пока нет, а старая существует не только у букинистов, мы перейдем к рассмотрению истории и современных проектов ppm-2 на основе существующей термодинамики.
Однако перед этим было бы полезно уделить некоторое внимание выяснению вопроса, который неизбежно возникает при рассмотрении последнего этапа истории ppm, — почему все же изобретают ppm-2? Мы перебрали в гл. 3 и 4 все доводы сторонников «энергоинверсии» — и философские, и космологические, и биологические, и технические… Весь материал, приведенный в этих главах, однозначно показывает, что нет ни единого довода или факта, который всерьез может быть принят как доказательство возможности существования ppm-2. И тем не менее упорные попытки обосновать и создать ppm-2 продолжаются. Выдвигаются, как мы увидим дальше, и новые теоретические концепции с мудреными названиями вроде «структуры Прометея» или даже «структуры Хоттабыча», создаются новые проекты… При мало-мальски серьезном анализе оказывается, что все они основаны на тех же ошибках, о которых уже подробно говорилось. В чем же дело?
