Александр Проценко - Энергетика сегодня и завтра
Скорее, почти совсем не эту. Резец сминает металл, крошит его, тратит энергию на трение. Хотя исследовательско-конструкторская мысль всячески стремится улучшить процессы резания, они еще очень далеки от совершенства. Поэтому там, где это возможно, применяются и другие методы обработки металла — электроискровой, штамповка деталей из порошков, прокатка.
А потери в электроприводе станка можно уменьшить путем создания более эффективных электродвигателей, шестеренчатых пар, подшипников, смазочных материалов.
Теперь обратимся к самому главному источнику потерь — конденсатору турбины. Более шестидесяти процентов тепла, содержащегося в перегретом паре, не переводится в энергию вращающегося ротора турбины, а выбрасывается здесь в виде тепла при температуре 30–35 градусов. Такое большое рассеяние энергии в пространстве обусловлено основными законами термодинамики.
Более четырех с половиной веков прошло с тех пор, как гениальный мыслитель, художник, инженер Леонардо да Винчи, по сути дела, сформулировал первое начало термодинамики — закон сохранения энергии. Некоторое время тому назад в национальной библиотеке Мадрида были обнаружены две его неизвестные ранее рукописи. Одна из них начинается с вывода о бессмысленности вечного двигателя: «Стремление создать вечное колесо — источник вечного движения — можно назвать одним из бесполезных заблуждений человека. На протяжении многих столетий все, кто занимался вопросами гидравлики, военными машинами и прочим, тратили много времени и денег на поиски вечного двигателя. Но с ними происходило то же, что и с алхимиками: всегда находилась какая-нибудь мелочь, которая якобы мешала успеху опыта. Моя небольшая работа принесет им пользу: им не придется больше спасаться бегством от королей и правителей, не выполнив своих обещаний».
Но не хотели изобретатели внять смыслу слов Леонардо да Винчи. Ведь все на земле вечно: моря, океаны, ветры, реки. Почему бы не быть и вечному двигателю? И появлялись новые и новые проекты.
Через сто лет голландец Симон Стевин написал трактат «Начало равновесия», где высказывалась мысль о невозможности вечного движения. И опять — глас вопиющего в пустыне. Лишь в 1770 году Парижская академия наук постановила не рассматривать проекты вечных двигателей.
Атаки на первый закон термодинамики продолжались еще почти два столетия. Пожалуй, они сошли на нет в основном потому, что внимание неуемных ниспровергателей переключилось на второй закон термодинамики. А ведь и он был сформулирован довольно давно.
В 1824 году лейтенант французского генерального штаба Сади Карно, сын математика Лазаря Карно, издал труд под названием «Размышление о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу».
В этой работе С. Карно доказывал: «Движущая сила тепла не зависит от агентов, взятых для ее развития, ее количество исключительно определяется температурами тел, между которыми в конечном счете и происходит перенос теплорода».
Согласно второму закону термодинамики теплота — это особая форма энергии, и самопроизвольное превращение ее в другие формы невозможно, для этого обязательно нужны какие-либо рабочие тела.
Давайте рассмотрим любой цикл превращения тепла в механическую энергию. В качестве рабочего тела возьмем аммиак, который в теплообменнике разогревается до 127 градусов. Пар направляется в турбину и вращает ее. Затем отработанный пар с температурой 27 градусов переводится в жидкое состояние, отдавая тепло в конденсаторе в окружающую среду. Жидкий аммиак насосом перекачивается в теплообменник-нагреватель. Цикл повторяется снова. Каков же его КПД?
Еще С. Карно определил: в идеальном цикле доля потерянного тепла равна отношению минимальной температуры цикла (выраженной в градусах Кельвина, которые отсчитываются от абсолютного нуля, то есть от минус 273 градуса по шкале Цельсия) к максимальной. В нашем случае это отношение (273 + 27)/(273+127) = 300/400 = 0,75 Если доля потерянного тепла равна 0,75, то оставшаяся четверть перешла в механическою работу. Это и есть максимальный теоретический КПД такого цикла. Реальный же из-за дополнительных потерь еще ниже и составляет не больше 15 процентов.
Единственный путь увеличения КПД — это повышение максимальной температуры. Если она будет 527 градусов, то доля потерь составит всего 300/800 = 0.38. Значит, идеальный КПД: 1–0,38 = 0,62, а реальный поднимется до 35–38 процентов. Примерно таков КПД в современных конденсационных станциях, использующих в качестве рабочего тела воду.
Конечно, можно добиваться и более высокого КПД.
Однако рост его с дальнейшим повышением температуры замедляется. Подъем температурного максимума еще на 100 градусов даст повышение КПД только на 3 процента. К тому же установка сильно усложнится, придется применять дорогостоящие материалы. По сути дела, 35–38 процентов — это предельный КПД для электростанций с паровыми турбинами.
Столь суровое ограничение побуждает некоторых «изобретателей» как-то обойти второй закон термодинамики.
Известны многочисленные прожекты вечного двигателя второго рода. В отличие от «старых» вечных двигателей для их работы нужна энергия. Но черпать ее предлагают просто из окружающей среды, не производя механическую работу, не организуя потоки тепла от более нагретого тела к холодному. Соответственно никуда не сбрасывается тепло.
Второй закон термодинамики отвергает возможность создания такого двигателя. Как уже отмечалось, доля теряющегося тепла в цикле Карно равна отношению минимальной температуры цикла к максимальной. Но если мы хотим черпать энергию из окружающей среды, не сбрасывая ее, то максимальная температура становится равной минимальной. Следовательно, налицо нулевой КПД.
Хотелось бы сделать небольшое отступление и рассеять одно ложное впечатление, если оно нечаянно возникло. Автор совсем не хотел сказать, что все сложившееся в понимании природы нужно принимать на веру и ни в чем не сомневаться. В сомнениях, неведении есть и хорошая сторона — они дарят неизменную радость открытия. Нельзя терять ощущение своего невежества и менять радость поиска на догму. Сократ слыл мудрецом не потому, что знал все, а потому, что и в самом зрелом возрасте знал, что ничего не знает. И все же, изобретая или шагая к открытию, нужно уважать законы природы.
Значит, нельзя черпать энергию из воздуха, воды, земли вокруг нас? Нет, закон не так суров. Тепло окружающей среды можно утилизовать, но не даром. Для этого нужно произвести работу.
Например, что изменится, если рассмотренный выше цикл с аммиаком провести наоборот? Вот как он тогда будет выглядеть.
Если ранее в теплообменнике-нагревателе мы разогревали аммиак, то теперь подадим в него аммиак, уже разогретый до температуры 65 градусов, и охладим, передав тепло, например, воздуху помещения. Охлажденный до 20 градусов аммиак пропустим через расширитель-дроссель (ранее это был насос). Давление снизится, аммиак охладится до 2 градусов и перейдет в полужидкое состояние. Затем в испарителе (в прямой схеме это был конденсатор) подведем тепло извне из окружающей среды и испарим жидкость. Полученный газ сожмем в компрессоре (ранее это была турбина). Подогретый при сжатии до 65 градусов газ снова направим в теплообменник и тем самым замкнем цикл.
Что же дало нам обращение обычного термодинамического цикла, широко используемого в энергетике? В испарителе мы забрали тепло у окружающей среды при температуре около двух градусов, соответствующей холодному времени года. С помощью другого теплообменника при 65 градусах подогревался воздух в помещении. Значит, можно обогревать жилые дома теплом окружающей среды, которого много, очень много и в воздухе, и в воде рек, озер, морей? Весь вопрос в том, дорого ли это обойдется. Не дешевле ли обогреваться привычным способом, сжигая органическое или ядерное топливо?
Чтобы ответить на этот вопрос, придется проделать нужные вычисления. Цикл у нас обратный, значит, и считать нужно наоборот. Раньше отношение температур было равно отношению потерянной энергии, отданной окружающей среде, к подведенной. Теперь же отношение максимальной температуры к минимальной выражает отношение тепла, подведенного в жилое помещение и забранного у окружающей среды. Для температур 65 градусов и 2 градуса оно равно (273 + 65)/(273+2) = 338/275 = 1,25. Тепла для обогрева помещения получилось на четверть более, чем мы его забрали от окружающей среды. Эта разница и есть та работа, которую мы должны были проделать, чтобы передать тепловую энергию от тела с меньшей температурой к нагреваемому воздуху жилых помещений. В реальных условиях данную работу совершает электромотор, вращающий вал компрессора.
Подобный тепловой насос, перекачивающий тепло окружающей среды на более высокий уровень, использует для обогрева помещений в конечном счете электроэнергию. Не лучше ли обогревать помещения непосредственно с помощью электрокаминов? Оказывается, пет.
