Бродянский В.М. От твердой воды до жидкого гелия (история холода)

Перспективы развития низкотемпературной техники

Итак, что можно сказать о ближайших перспективах развития низкотемпературной техники и технологии? Если оставить в стороне конструктивные улучшения техники, которые будут происходить постоянно, но дают сравнительно небольшой эффект, а обратиться к фундаментальным, то нужно назвать четыре. (Напомним, что термин «техника» охватывает все то, посредством чего достигается нужный результат; термин "технология" – все способы, которыми он достигается. Первый связан с вопросом «чем?», второй – «как»?)

1. Использование текучих рабочих тел с новыми полезными теплофизическими свойствами, в том числе смесей жидкостей в метастабильном состоянии2 и двухфазном (типа "шуги"). (Имеются в виду переохлажденные жидкости, т.е. охлажденные ниже температуры затвердевания, но остающиеся жидкостями - см. гл. 7.)

2. Применение новых способов сжатия, расширения и транспортировки рабочих тел в электрическом и магнитном полях.

З. Использование вторичных и других низкотемпературных энергетических ресурсов для привода (основного или вспомогательного) оборудования низкотемпературных систем.

4. Использование электрокалорического и магнитокалорического (ЭК и МК) эффектов на основе поиска новых диэлектриков и магнетиков, а также высокотемпературной сверхпроводимости.

Прогнозировать новые приложения низкотемпературной техники в разных технологиях - это еще более трудная задача; их число очень велико. Единственное, что следует при этом отметить – это тенденция ко все большему выходу криотехнологий за пределы области их известных применений: пищевой, медицинской, биологической, а также радиоэлектронной. Здесь можно выделить два новых направления – криохимию и криоэнергетику. Криохимия возникла в связи с открытием своеобразных химических реакций, активно протекающих при низких температурах. Это открывает большие возможности создания новых веществ и материалов.

Интерес к криоэнергетике возник в связи с неизбежным в перспективе освоением полярных областей на Земле и необходимостью освоения ближнего космоса, в частности поверхности Луны. Использование низких температур окружающей среды в этих условиях дает возможность создания достаточно эффективной и, главное, экологически чистой энергетики:

Необходимо в заключение уделить внимание несколько неожиданному, но очень важному направлению низкотемпературной техники – использованию ее не для охлаждения, а для нагревания различных объектов при температурах 80-1500?С и выше. Этот, на первый взгляд противоречащий нормальной логике перенос: техника, специально созданная для производства холода, используется для диаметрально противоположной ее назначению цели, да еще в несвойственной ей температурной области.

Возникает, естественно, два классических вопроса: каким образом это стало возможно и зачем это нужно?

Ответ на первый вопрос будет дан ниже; предварительно можно лишь отметить, что поскольку перенос технических идей из "горячей' области в "холодную" осуществляется успешно3, то обратный процесс тоже не исключается. (Вспомним, например, турбодетандер Капицы, родившейся от "теплых" паровой и водяной турбин (см. п. 8.1), или столь же "холодный" регенератор Френкля (п. 8.1), происходящий от горячих регенераторов металлургических печей. Да и сама парокомпрессионная холодильная установка – это, по существу, паровая машина, пущенная "наоборот".)

Однако, кроме возможности, надо принимать во внимание и целесообразность. Ведь гораздо проще производить нагрев старым, известным тысячи лет классическим способом – непосредственным сжиганием топлива! Однако оказывается, что этот простой путь далеко не всегда хорош как с экономической, так и с экологической точек зрения.

Известно, что современная энергетика в основном базируется, несмотря на появление атомных электростанций, на сжигании ископаемого органического топлива (угля, нефти и газа). Настоятельная необходимость его экономии очевидна. Дело не только в истощении запасов и возрастающей стоимости добычи. Не меньшее значение имеет и настоятельная необходимость замедлить, а затем и радикально снизить негативное воздействие энергетики на окружающую среду.

Работу в этом направлении можно вести как с "головы" энергетики (производство энергии из природных источников), так и со стороны "хвоста" (использование произведенной энергии). Когда говорят об энергетике, обычно основное внимание обращают на "голову" – производство электроэнергии. Находящиеся на "хвосте" потребители пользуются гораздо меньшим вниманием. Между тем, каждый 1 кВт·ч электроэнергии, используемый в конце энергетической цепи, стоит намного больше, чем в ее "голове". Действительно, если, например, КПД электростанции составляет 35%, системы электропередачи – 96%, а холодильника – 15%, то общий КПД всей цепочки преобразования энергии η=0,35·0,96·0,15=0,05, или 5%. (Напомним, что КПД – коэффициент полезного действия любого устройства преобразования энергии – это отношение действительного энергетического эффекта его работы к тому, который был бы получен, если бы оно было идеальным. Для тепловых и холодильных установок идеальным образцом служит цикл Карно - см. "первый научный комментарий", п. 2.2.) Это означает, что 1 кВт·ч электроэнергии, сэкономленный в холодильнике, даст экономию энергии в "голове", равную 1/0,05=20 кВт·ч! В денежном выражении разница будет еще больше, так как эксплуатационные затраты делаются не только вначале (на топливо), но и на всех этапах преобразования энергии.

Таким образом, как с точки зрения экономии ресурсов, так и уменьшения вредных воздействий на окружающую среду, нельзя недооценивать важность усовершенствования технических объектов, замыкающих цепочку энергетических превращений. О КПД расположенных именно здесь холодильных и криогенных установок мы уже говорили. Каков этот коэффициент у отопительных устройств?

Чтобы его вычислить, нужно сравнить действительный, реальный процесс нагрева с идеальным для тех же условий. Используем для этого формулу С. Карно, переместив цикл из нижней температурной области (под Т_о.с) в верхнюю (над Т_о.с). Тогда нижняя температура Т₀ < Т_о.с должна быть заменена на Т_о.с, а верхняя "теплая", соответствующая условиям нагрева, - на Т>Т_о.с. В этом случае значение L=((Т-Т_о.с)/T)Q покажет работу, которую можно получить в идеальном процессе, используя теплоту Q при температуре Т>Т_о.с.

Таким образом, значение работы L становится мерой качества, работоспособности теплоты Q. Из формулы видно, что чем выше Т, тем она больше при данной температуре среды T_о.с. Если температура очень высока, то работоспособность, измеряемая значением L, становится близкой (а в пределе и равной) Q, поскольку значение τ=(Т-Т_о.с)/T=1-Т_о.с)/T стремится к единице. Если же температура Т будет снижаться, то ценность теплоты, измеряемой ее работоспособностью, падает и при Т=Т_о.с=293 K становится равной нулю, что видно из данных, приведенных ниже:

Т, K	3000	2000	1000	800	500	400	300	293
L/Q	0,90	0,85	0,71	0,63	0,41	0,27	0,02	0,0

Напротив, при высоких температурах энергетическая ценность теплоты очень высока, и она почти целиком может быть превращена в работу. Зная значение работоспособности (в термодинамике для нее используется термин "эксергия" [18]) теплоты Q, можно определить эффективность различных способов нагрева при разных температурах. Если речь идет, например, о металлургических процессах, где нужны температуры 1200-1500^oС (1473-1773 К), то очевидно, что прямое использование теплоты, получаемой непосредственно при сжигании топлива (в идеале здесь τ→1) выгодно, поскольку τ горячего металла составляет 0,8-0,84. Однако для отопления и других процессов, где нужны температуры 80-150^oС (353-423 К), ситуация выглядит иначе.

Соответствующее значение τ находится в пределах от 0,31 до 0,17. Это означает, что большая часть (60-80 %) работоспособности теплоты, которую можно было бы использовать для производства работы или электроэнергии, теряется бесполезно при ее переходе с верхнего уровня на нижний. Соответственно КПД таких процессов, когда, например, вода или воздух помещения нагреваются прямым сжиганием топлива или электроэнергией (у которой τ = 1) очень низок и не превышает 20%. При современной энергетической и экологической ситуации такая варварская трата работоспособности топлива в крупном масштабе недопустима.

Еще в прошлом веке некоторые выдающиеся научные деятели обратили внимание на это обстоятельство. Были намечены два пути решения задачи, но начало их реализаций было положено только в 20-х годах нашего века.

Первый из них – теплофикация - основан на том, чти турбины электростанций расширяют пар не до давления, соответствующего температуре окружающей среды Т_о.с, как это делается на конденсационных электростанциях, а до некоторого промежуточного давления. При этом еще достаточно горячий пар может использоваться для отопления или других нужд либо непосредственно, либо нагревая воду. В результате такие станции (теплоэлектроцентрали) используют верхнюю часть перепада температур, которая бы терялась при непосредственном нагреве для получения работы, превращаемой в электро-энергию, а нижнюю его часть – для нагрева при промежуточной температуре Тн. Отдаваемая при этом работа несколько уменьшается, но зато нагрев осуществляется экономично – использованием отработанной низкотемпературной теплоты. Таким образом, весь интервал температур разбивается на две части – верхнюю от Т до Т_н, которая используется для работы; и нижнюю – от Т_н до Т_о.с – для получения теплоты. Потеря работоспособности в интервале от Т до Т_н, связанная с непосредственным нагревом потребителя, исключается, и расход топлива на цели обогрева снижается более чем вдвое.

Такой широко распространенный в нашей стране путь решения задачи отопления и нагрева – теплофикация – имеет и некоторые недостатки. Первый из них состоит в том, что производство теплоты тесно связано с выработкой электроэнергии, а соотношения в их потреблении существенно меняются как по сезонам, так и в течение суток. Второй связан с транспортированием горячей воды на большие расстояния по теплоизолированным трубам, что приводит к относительно большим затратам на их прокладку, ремонт и обслуживание.

Второй способ экономичного нагрева осуществляется не "сверху вниз" (от Т до Т_н), как на ТЭЦ, а наоборот, "снизу вверх" (от Т_о.с до Т_н) на базе принципов холодильной техники. В. Томсон-Кельвин взглянул на парокомпрессионную холодильную установку в несколько неожиданном для своих современников (и не только для них) аспекте. Ведь ее назначение – забирать теплоту на низком уровне Т₀ и отдавать на более высоком Т_о.с>>Т₀. Что, если ее "передвинуть" вверх по температурам?

Тогда нижним уровнем станет Т_о.с, а верхним - Т_н> Т_о.с. В этом случае холодильная установка будет непрерывно "качать" бесплатную теплоту из окружающей среды (воды, воздуха или грунта) – на уровень Тг, , нужный для отопления и других целей, связанных с нагревом. Получится некий "тепловой насос". Энергия будет затрачиваться только на "перекачку" теплоты снизу вверх.

Выгодно ли это? Взглянем на рис. 2.9 и представим с его помощью процесс работы теплового насоса. Отличие от холодильной установки будет состоять только в том, что температуры сдвинутся вверх: Т₀ будет заменена на Т_о.с, а Т_о.с на Т_г. Тогда отрезок ав будет соответствовать теплоте Q_о.с отбираемой из окружающей среды при То.с, а отрезок cd теплоте Q_г, отдаваемой потребителю на уровне Тг; работа, нужная для этого, будет равна L (отрезок md). Очевидно, что произведенная теплота Q_г=L+Q_о.с будет больше как даровой теплоты, отобранной из окружающей среды, так и затраченной работы L. Отношение μ= Q_г/L =(L+Q_о.с.)/L называется коэффициентом преобразования теплового насоса; он всегда больше единицы. Если, например, Т= 293 K (20^oС), а Т_г= 353 K (80^oС), то Q_г/Q_о.с=T_г/T_о.с=353/253=1,2. Следовательно, единица бесплатной теплоты из окружающей среды дала 1,2 единицы отопительной теплоты посредством затраты только 0,2 единиц работы! Коэффициент преобразования здесь составит μ = 1,2/0,2 = 6.

Это значение относится, разумеется, к идеальному случаю (цикл Карно). В реальных условиях при КПД теплового насоса η = 0,35÷0,4, μ = 2,1÷2,4.

Но и при таких показателях тепловой насос остается энергетически выгодным. Ведь получение такого же результата прямым электрическим или огневым нагревом потребовало бы затраты в 2,1-2,4 раза больше. В реальных условиях, когда часть теплоты теряется, эта разница еще возрастает. Выгода очевидна!

Тепловые насосы постоянно совершенствуются и находят все большее применение для отопления отдельных зданий, микрорайонов, ферм и т.д. Они дают наряду с теплофикацией большую экономию топлива.

Особенно эффективны они тогда, когда в качестве источника теплоты используются сточные воды, более теплые, чем окружающая среда. Тогда µ будет еще выше. Так, холодильная техника показала свои возможности в новой, "теплой" области, где, казалось бы, ее применение не имеет смысла.

Как это часто бывает при увеличении техническими новинками, находятся изобретатели – энтузиасты, идеи которых переходят границы реально возможного. Так произошло и с тепловыми насосами. Восхищенные тем фактом, что теплового насоса выше единицы (т.е: превышает 100 %) они решили, что это прообраз вечного двигателя, работающего "за счет неограниченного количества теплоты окружающей среды" и имею-щего КПД больше 100 % [7, 18]. Это, разумеется, ошибка, основанная на непонимании того простого факта, что µ - это совсем не КПД, который, как мы видели, не превышает 40%. Но, если бы даже он был 100%, из теплоты, даваемой тепловым насосом, можно было бы получить лишь ровно столько же работы, сколько было затрачено на его привод. Однако, если даже отбросить эти "ненаучно фантастические" идеи, тепловой насос - тепловое детище холодильной техники - входит в современную энергетику как ее существенно важный элемент.

Обо всем, что описано в этой книге, можно было бы рассказать еще много интересного и поучительного. К сожалению, она всего этого вместить не может. Что касается перспектив, то время покажет, как и какие направления низкотемпературной техники будут развиваться на пользу людям в оставшиеся годы ХХ в. и в дальнейшем.

Следующая страница: Указатель имён