Павел Ощепков - Жизнь и мечта

Конечно, в созданных пока установках для осуществления процесса перекачки тепла используется механическая или электрическая энергия, подводимая к насосу, и поэтому такие машины нельзя еще считать устройствами самоорганизованного перераспределения энергии. Но по своему характеру они являются как бы первой ступенью на пути к практической концентрации энергии.

В самом деле. По приведенному выше соотношению к. п. д. для тепловых насосов значительно больше единицы. В случае перекачки таким насосом тепловой энергии от тел с температурой 290° К к телу с температурой, например, 300° К, т. е. с перепадом температуры в сторону ее повышения в 10°, теоретический к. п. д. по этой формуле получается равным 30. Это означает, что в идеальном случае 1 кВт*ч, затраченный на приведение машины в действие, может обеспечить выделение тепловой энергии в 30 раз больше, чем было затрачено на осуществление этого процесса. Тепловой энергии выделится в этом случае 30 кВт*ч (при соответствующем, конечно, пересчете калорий на ватты).

Однако ведь эта энергия возникла не сверхъестественным чудом, не «из ничего», а путем отнятия именно данного количества энергии от воды, из окружающего воздуха и т. п. В этом нет никакого чуда. Только близорукий может не видеть, что и здесь соблюдается закон сохранения энергии. Здесь все законы остаются на месте и строго выполняются. Но энергия, отнятая от окружающего пространства, до этого считалась совершенно потерянной, «мертвой», обесцененной, рассеянной. И если ее удается вторично использовать, например, для обогрева жилища, для подогрева воды или для других потребностей человека, то разве это не сосредоточение рассеянной энергии, не концентрация ее?

Главный электрик города Норвича (Англия) Дж. Самнер в статье «Новый способ отопления холодной водой», помещенной в «Британском союзнике» за 1947 г., так описывает применение тепловых насосов:

278

«В трех местах земного шара — Норвиче (Англия), в Цюрихе (Швейцария) и в Индиане (Америка) — есть здания, которые отапливаются холодом рек и озер.

В Норвиче и Цюрихе источником тепла является холодная вода из реки, протекающей около отапливаемого здания. В Америке в качестве источника тепла с низкой температурой используется земля.

Как может быть осуществлено это на первый взгляд противоречащее законам физики явление — получение тепла из холодной воды?

Тепловой насос извлекает тепло из реки, озера или воздуха. Затем он концентрирует это тепло, повышает температуру до уровня, достаточного для обогревания комнатных радиаторов» (подчеркнуто мною.— Я. О.).

Говоря об опыте работы цюрихской районной отопительной системы, извлекающей тепло из реки Лиммат, Самнер пишет: «Хотя эта установка подвергалась жестокой критике еще во время монтажа, результат ее работы превзошел ожидания проектировщиков. В течение двух зимних сезонов тепловая энергия, подаваемая в дома, в 4,6 раза превышала эквивалентное количество электроэнергии, потребляемой компрессором и водяным насосом».

Как видно из цитируемой статьи, ни термин «концентрация», ни эффективность выше 100% автора статьи не удивляют.

Эксперимент, проведенный в Норвиче, также дает положительный эффект. Обычно на один отопительный сезон там требовалось 195 т угля. Для работы теплового насоса потребовалось 189000 единиц электроэнергии, или 107 т угля, сжигаемого на электростанции. Таким образом, была получена экономия 88 т угля, или более 40%.

Внешний вид такой установки представлен на вкладке.

МЫ ИДЕМ НЕ К ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМУ КРИЗИСУ, А К ИЗОБИЛИЮ ЭНЕРГИИ

Конечно, эти установки еще несовершенны, они требуют больших капитальных затрат, они громоздки. Но что начиналось в технике сразу же с окончательного результата?

279

Для нас же важно в этом примере то, что с помощью подобных устройств можно извлекать энергию из окружающей среды сверх той энергии, которая затрачивается на перекачку. Не думаю, чтобы полученные таким образом дополнительные калории тепла были лишними.

Указанные опыты интересны еще и потому, что они помогают осмысливать идею концентрации энергии. Да и сами они являются как бы первым шагом на этом пути. (Интересно отметить, что еще в 1852 г. один из основателей термодинамики и кинетической теории газов, английский физик У. Томсон (лорд Кельвин) выступил со статьей[11] об экономии топлива при нагревании помещения воздухом за счет использования тепловых машин в обратном цикле.)

Удивляться тому, что коэффициент полезного действия в этом случае много больше единицы, не приходится по той простой причине, что в действительности подводимая к тепловому насосу энергия расходуется не столько на преобразование ее в другой вид энергии (в данном случае в тепло), сколько на транспортировку тепловой энергии от одного тела к другому. И в том, что энергии перемещается больше, чем затрачивается, ничего удивительного нет. Элементарно это можно показать хотя бы на таком простом примере, как железнодорожный состав, груженный углем, перемещаемый тоже при помощи угля. Если бы паровоз (или другая тепловая машина) потреблял топлива больше, чем он может перевезти его, то, очевидно, не было бы никакого смысла в таких перевозках. На транспортировку топлива затрачивается, конечно, много меньше, чем его перевозится. Это всем хорошо известно. Известно и то, что эшелон угля можно передвинуть на короткое расстояние энергией, заключенной в одной лопате угля.

Существуют электрические тепловые насосы, основанные на использовании эффекта Пельтье. В них коэффициент переноса тепловой энергии также может быть много больше единицы.

280

При рассмотрении процессов, происходящих в тепловых насосах, надо отдавать себе ясный отчет в том, что машины подобного рода (например, холодильники) сами не поглощают, не сосредоточивают в себе энергии. Невозможно представить себе процесс, при котором введение энергии любого вида в данный объем вело бы к понижению температуры в этом объеме. Понижение температуры в заданном объеме не может означать ничего другого, как эвакуацию из него имеющейся тепловой энергии. Вся энергия, которую мы вводим в такие устройства, в конечном счете выделяется вне холодильника, вне машины. Поэтому, если такая машина работает на «тепло», ее к. п. д. принципиально не может быть меньше 100%, он обязательно будет выше 100%. Получение к. п. д. в этом случае ниже 100% означало бы бесследное исчезновение энергии, что противоестественно, так как энергия неуничтожима.

Наличие объема с пониженной температурой свидетельствует о том, что из него взято какое-то количество тепловой энергии. Это-то ее количество и идет на выделение тепла сверх 100%. Когда будет найден достаточно эффективный способ прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, эта избыточная тепловая энергия или хотя бы часть ее может быть включена вновь в активный процесс путем регенерации.

Принцип регенерации осуществим и в системе «тепло — электричество, электричество — тепло» при условии, что питающей средой служит тепловой резервуар окружающего пространства. Создание термоэлектрического колебательного контура вполне мыслимо.

Осуществление такой системы могло бы привести к поразительным результатам. Ее можно было бы простым переключением перевести либо на генерирование тепла, либо на генерирование холода: зимой отапливаться холодом наружного воздуха, а летом охлаждаться наружным теплом. За счет энергии окружающего пространства можно будет шить одежду, готовить пищу, отапливать оранжереи с тропическими растениями, питать энергией транспорт, станки, водить автомобили и т. д.

Чтобы подойти к решению проблемы использования рассеянной тепловой энергии окружающего пространства путем нового ее сосредоточения, необходимо осуществить прежде всего два взаимодействующих процесса.

Один из этих процессов должен быть направлен на создание и непрерывное поддержание в заданной зоне пространства пониженных температур. Это может быть достигнуто только непрерывным перемещением определенного количества тепловой энергии из этой зоны за ее пределы. Процесс должен осуществляться с коэффициентом преобразования много больше единицы и с высокой скоростью.

281

Другой процесс должен быть направлен на непрерывное преобразование полученной дополнительной тепловой энергии в иной вид энергии, в котором она могла бы быть вновь использована на поддержание первого процесса. Если считать, что энергия, первоначально затрачиваемая на осуществление первого процесса, в дальнейшем цикле обращения полностью утилизируется для какой-либо конкретной цели, то взаимодействие указанных двух процессов должно удовлетворять условию:

Или в более общем случае оно удовлетворяет такому соотношению:

(ij — а) —ч1>1.

Здесь г — коэффициент преобразования в первом процессе, характеризующий отношение полного количества полученной тепловой энергии к затраченной энергии в эквивалентном исчислении; гI — коэффициент преобразования во втором процессе, характеризующий процесс преобразования тепловой энергии в энергию другого вида, в котором она вновь может быть обращена на поддержание первого процесса; а означает долю практически используемой тепловой энергии. Если а=1, то величина т) — а означает не что иное, как количество тепловой энергии, дополнительно полученное за счет энергии окружающего пространства.