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 вшпо 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 расширительдроссель (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.
Тепловые насосы при тех же результатах расходуют электричества вдвое меньше.
В наше время тепловые насосы получили очень широкое распространение. Сейчас их миллионы. Несколько лет назад в мире был настоящий "насосный бум". Особенно выгодны они там, где для отопления использовалась электроэнергия или ценное жидкое топливо, - в США, Великобритании.
В нашей стране, отличающейся широкоразвитой сетью централизованного теплоснабжения, конкурентоспособность тепловых насосов ниже. Ведь во многих городах и микрорайонах больших городов для отопления используется пар, отбираемый из последних ступеней турбогенераторов. Он отдал уже почти всю энергию на вращение ротора турбины, и его все равно предстоит выбросить в конденсатор, где он отдаст тепло окружающей среде.
Поэтому гораздо выгоднее термодинамически отобрать его у турбины и использовать для обогрева жилищ.
Но в нашей стране много районов, где нет централизованного теплоснабжения от ТЭЦ и могут оказаться эффективными тепловые насосы например, если вблизи жилищ есть теплые сбросные воды заводов, фабрик, коммунально-бытовых предприятий. Температурный потенциал сбрасываемого тепла может оказаться недостаточным для жилищ, но тепловому насосу гораздо легче "перекачать" теплую воду на уровень, необходимый для отопления. Слово "легче" здесь означает, что для такой "перекачки" тепла потребуется меньше электроэнергии, чем на нагрев воды до температуры, необходимой в отопительной системе жилья.
Илп возьмем ситуацию, когда есть дешевая электроэнергия. Такой она бывает, например, ночью. Тепловой насос в это время может "накачать" в аккумуляторные баки массу горячей воды, достаточную для отопления в течение дня. С помощью дешевой ночной (подпиковой)
электроэнергии уже отапливают сельскохозяйственные объекты в Прибалтийских республиках, правда, в небольших количествах. Применение тепловых насосов позволит расширить масштабы применения подпиковой электроэнергии в том регионе, где органическое топливо очень дорого.
Нестандартно, гибко, с учетом всех местных условий должна определяться энергетическая тактика и стратегия для разных районов страны. У меня перед глазами - Якутия и Магаданская область, где совсем недавно я побывал в служебной командировке. Пришлось как раз разбираться с одним из вопросов энергоснабжения.
В этом регионе много полезных ископаемых. По всей территории рассеяны горнодобывающие предприятия.
Наиболее интенсивная работа у них летом, когда легче справиться с вечной мерзлотой. Такие районы часто имеют вывернутый график нагрузок: летом электроэнергии потребляется больше, чем зимой.
Сотни мелких котельных дымят всю долгую зиму, обеспечивая отопление жилых домов. Котельные невелики по размерам, и обслуживающего персонала требуется предостаточно - ведь в качестве топлива используется уголь, смерзающийся зимой в твердые глыбы. Более того, уголь нужно доставлять автомашинами по горным трактам иногда за многие сотни километров. И снова нужны автоводители и служащие автопредприятий, а обустройство каждого нового человека на Севере стоит очень дорого и влечет, в свою очередь, дополнительные затраты энергии. Кроме того, автотранспорт нуждается в дизельном топливе, а он здесь особенно дорог. Видите, какая длинная энергодорогостоящая цепочка вытянулась для спасения от зимней стужи. Нет ли способа дешевле?
Ответ напрашивается сам собой - тепловые насосы.
И здесь мы сталкиваемся с парадоксальной ситуацией.
Руководители, отвечающие за электроснабжение, почти ритуально и с негодованием твердят о "термодинамическом безобразии" использования электроэнергии для отопления.
Но обратите внимание, ведь электроэнергия в этом случае нужна для обогрева ночью, когда она в избытко, а не днем; зимой, а не летом, когда ее потребление возрастает. И дальше: ведь можно будет отказаться при таком (электрическом) способе отопления от части автотранспорта, расхода дизельного топлива, уменьшить количество обслуживающего персонала.
Бернард Шоу сделал правильное наблюдение: "Как только захочется поверить во что-нибудь, сразу видишь все аргументы за и становишься слеп ко всем аргументам против". Не хотелось бы выглядеть слишком увлеченным.
Но пусть и оппоненты проявят объективность. Наверное, если бы они ведали не только электроэнергией, но отвечали бы и за тепло, их точка зрения не страдала бы ведомственной ограниченностью.
Как же обстоят дела с тепловыми насосами в нашей стране?
В сущности, они есть сейчас почти в каждой квартире - ведь это наши домашние холодильники. Они перекачивают тепло из одной среды в другую за счет электроэнергии, оплачиваемой по 4 копейки за 1 киловатт-час.
Они поднимают температуру в комнатах и понижают в морозильной и холодильной камерах. Отбор тепла из холодильника происходит через теплообменники, расположенные на его задней стенке, поэтому их не всегда и замечают.
Если эти теплообменники холодильника вынести из квартиры и разместить за стеной дома, а через холодильную камеру прокачивать воздух, то получим кондиционер. На изготовлении тепловых насосов подобного типа специализируется Бакинский завод кондиционеров. Их часто можно видеть в окнах домов, особенно в южных районах страны.
Теперь сделаем еще одну операцию - развернем кондиционер наоборот. Тогда охлажденный в камере воздух будет нагреваться не в квартире, а за стенами дома. Наш кондиционер будет отбирать тепло у атмосферы и направлять его в комнату. Конечно, охладить воздух за окнами кондиционеру не удастся - его слишком много.
Что же, мы получили тепловой насос? Не совсем. Настоящий экономичный насос должен быть совершеннее.
Бытовой холодильник не обязан иметь высокий КПД - его мощность относительно невелика. Но кондиционеры и тем более тепловые насосы должны поддерживать температурный режим не в маленьких холодильных камерах, а в просторных квартирах и производственных помещениях. Им надо больше мощности, выше КПД.
Установки теряют простоту холодильников, становятся дороже и сложнее в эксплуатации. Это несколько приостанавливает нашествие тепловых насосов.
У нас в стране теплонасосные установки начали распространяться в наиболее выигрышном для них районе.
В крымско-кавказской курортной зоне даже в осенне-зимние месяцы имеется безграничный источник тепла - восьмиградусная вода Черного моря. Благодаря тепловым насосам жители Черноморского побережья могут пользоваться дешевой горячей водой.
Для обогрева и получения горячей воды можно приспособить также громадное количество холодильных установок, работающих на фермах, овощехранилищах, хладокомбинатах, в столовых, магазинах. Как же не выбрасывать, а использовать тепло, вырабатываемое в этих тепловых насосах? Требуется лишь некоторая реконструкция. Над ее оптимальными вариантами сейчас и бьются специалисты ГДР, Франции, нашей страны.
Для себя или для внуков!
Мало изобрести и создать устройства для эффективного использования различных видов энергии в промышленности, транспорте, сельском хозяйстве. Нужно еще оценить, а выгодны ли они обществу? На помощь приходит экономический анализ. Именно он позволяет определить целесообразность создания той или иной машины, масштабы внедрения новой техники, развития какоголибо направления энергетики.
Известен афоризм, приписываемый Б. Франклину:
"Я не так богат, чтобы покупать дешевые вещи". В быту мы часто руководствуемся этим принципом. Иногда предпочтем дорогую вещь, ибо она, как правило, служит дольше. Правда, приобретаем мы и дешевые вещи наподобие рабочей одежды или чего-нибудь модного. Так или иначе, интуитивно или по определенным правилам мы распределяем свой бюджет. Однако, если речь идет об очень дорогостоящей покупке, которая и служить тоже должна очень долго, решение принять непросто. Вот одна из задач с "энергетическим" уклоном.
Вам предлагают для обогрева индивидуального дома два типа отопительных установок: одна стоит 1000 рублей, а ежегодная эксплуатация будет обходиться в 50 рублей, у другой эти показатели равны соответственно 500 и 100 рублям. Какую выбрать?
Ответить сразу трудно. Учтем затраты за первые пять лет эксплуатации.
Для первой установки они составят:
1000 рублей + 50 рублей в год X 5 лет = 1250 рублей.
Для второй:
500 рублей + 100 рублей в год X 5 лет = 1000 рублей.
Значит, выбираем вторую? Не будем спешить. Выясним, а как будут выглядеть затраты через 15 лет?
Оказывается, что для первой установки полные затраты - 1750, а для второй - 2000 рублей. В этом случае нужно было бы выбрать первую, а не вторую установку.
Выбирая более дешевую, мы экономим в первоначальных затратах, но затем в будущем нашим детям и внукам придется нести больше расходов на ее эксплуатацию.
Для дорогой установки ситуация обратная. Вот откуда появилось название этого раздела: "Для себя или для внуков?"
Нет одинакового рецепта для разных экономических проблем, возникающих в нашем быту. Каждый решает эти вопросы по-своему.
В энергетике же без таких рецептов не обойтись. Всю важность выбора наиболее выгодного варианта осознала еще комиссия по разработке плана ГОЭЛРО. Вот что записано в одном из ее протоколов: "Очень важно для будущей работы ГОЭЛРО раз и навсегда определить, что нам выгоднее: большие первоначальные затраты и дешевая эксплуатация станции или меньшие капиталовложения и дорогая эксплуатация".
Многочисленные исследования, проведенные энергетиками и экономистами, позволили выработать такую рекомендацию: капиталовложения нужно соизмерять с ежегодными эксплуатационными затратами с помощью специального коэффициента эффективности капиталовложений. Используя его, мы получим так называемые приведенные затраты.
Для новой техники коэффициент эффективности равен 0,15. Тогда задача, поставленная нами в начале э ого раздела, решается следующим образом.
Приведенные затраты для первой устань ки составят:
1000 X 0,15 + 50 = 200 рублей.
Для второй - меньше - 500 X 0,15 + 100 = 175 рублей.
Значит, вторую и нужно выбирать.
Вроде бы просто и понятно, но откуда мы взяли 0,15 - коэффициент эффективности капиталовложений?
Теоретически он должен вытекать из оптимального плана развития народного хозяйства на длительный период. Однако на самом деле его приходится определять экспериментальным путем на основе опыта создания, эксплуатации и проектирования энергетических объектов и оценки той роли, которую они играют в народном хозяйстве.
Нагляднее обратная величина этого коэффициента - срок окупаемости капиталовложений. Значение 0,15 - соответствует примерно 6 годам. Пока еще нет единой точки зрения, каковы должны быть сроки окупаемости для разных отраслей. По мнению одних экономистов, он один и тот же для всех отраслей, другие же допускают разброс от 4 до 12 лет. Сравнение экономической эффективности различных вариантов энергетических установок и стратегий страдает и от других недостатков, и поэтому привлекаются сопоставления также по величине трудовых затрат, по воздействию на окружающую среду, по необходимым масштабам развития производства в смежных областях и т. п.
В последние годы развивается еще один метод сравнения, который получил название энергетический неттоанализ. Он позволяет определить, сколько энергии должно быть затрачено на создание вещей, оборудования, домов. Подсчитывая энергетические затраты при возведении, например, энергетической станции, мы выявляем с помощью нетто-анализа, сколько чистой энергии будет в результате направлено в народное хозяйство. Для этого из всей затраченной энергии вычитаются энергетические расходы на строительство станции, изготовление оборудования и материалов, последующую эксплуатацию станции.
Вот мы и начали выяснять, куда исчезает или где используется энергия, производимая различными энергетическими установками.
Очень часто в научно-технической литературе по экономике встречаются такие фразы: "Доля энергетических затрат составляет 20 процентов". А что входит в оставшуюся энергетическую долю? Это - сырье, материалы и оборудование, поступившее на предприятие со стороны.
Это и труд людей.
Например, при изготовлении автомобиля тратится электроэнергия на привод станков и транспортеров, на сварку, электронагрев и компрессоры, вырабатывающие сжатый воздух. Тепло разного потенциала расходуется в кузнечных термических цехах, при отоплении и вентиляции. Все остальное прибывает со стороны. Так, тонколистовой металл привозят с металлургического завода, и потому в энергетических затратах на создание автомобиля он не учитывается.
А ведь на самом деле и этот лист металла - "сплошная" энергия. Проследим путь его создания. На прокатном стане из толстолистового металла был получен тонкий лист, а еще раньше на другом стане стальную заготовку прокатали в толстый лист. При этом тратилась энергия на двигатели прокатного стана, подогрев заготовок, общецеховое освещение, вентиляцию. Стальная заготовка пришла из мартеновского цеха, где в печи расходовалась электроэнергия, кислород для переплавки чугуна. Энергия тратилась и на этапах, предшествовавших загрузке руды в доменную печь, начиная с добычи исходного сырья, которая тоже не обошлась без энергоемких взрывных и экскаваторных работ.
А ведь мы пренебрегли такими боковыми ответвлениями энергетической цепочки, как прокатные станы, транспорт для перевозки, мартеновские и доменные печи, шахты, экскаваторы, которые внесли свой "вклад" в создание тонкого металлического листа для автомобиля.
Проследим, как создавалось любое оборудование от экскаватора до мартена и доменной печи, и убедимся, аналогично случаю с тонколистовым материалом, что источником всего является энергия.
Значит, любой изготовленный нами предмет - это как бы "материализованная" энергия. Конечно, для создания вещи нужен также физический труд человека и, главное, его интеллект. Но поскольку доля физического труда в настоящее время очень мала, то любые созданные людьми вещи и материалы можно измерять в энергетических единицах, потраченных на их производство.
По-видимому, именно этот факт дал основание экологу Говарду Одуму дать своей книге название "Энергетический базис человека и природы". Во введении к ней он пишет: "Энергия - всеобщая основа, источник и средство управления всеми природными ресурсами, базис культуры и всей деятельности человека... Тема этой книги - роль энергии в управлении нашей жизни, экономикой, международными отношениями, нормами жизни и ценностями культуры". Согласно Одуму даже эмоции и эстетические ценности во многом связаны с характером энергетических процессов, с наличием или отсутствием энергии.
Не впадая в крайности, к которым склонен иногда Г. Одум, нельзя не признать, что ценность каждой вещи можно измерять не только в денежных, но и в энергетических единицах. Во многих случаях такой "энергетический" счет оказывается очень полезным.
В среднем энергетическая ценность продукции промышленности СССР равна около 10 тысяч килокалорий на рубль. Понятно, что для разных отраслей эта величина может отличаться в десятки раз: в легкой промышленности она всего 1500 килокалорий на рубль товаров, а в черной металлургии - до 30-40 тысяч килокалорий.
Да и внутри отрасли для каждого вида продукции величина энергетической ценности может быть совсем разной.
Существуют обширные таблицы, в которых приводится энергетическая ценность различных продуктов.
Знакомясь с этими таблицами, наглядно осознаешь, что для сбережения энергии необходимо в равной степени экономить как тепло, электроэнергию, бензин, дрова, так и металлы, пластмассы, удобрения или просто струйку воды, текущей из крана. Ведь часто всего один потерянный килограмм какого-либо вещества означает потерю не одного, а нескольких килограммов топлива. Так, на производство килограмма химических волокон или пластмасс нужно истратить 5-10 килограммов топлива.
Умение сопоставить каждой единице оборудования, винтику, кубометру бетона, метру кабеля свою величину энергетической ценности помогает совершенствовать проектируемую энергетическую или технологическую установку и выбирать наилучший вариант.
Предположим, нужно сконструировать газотурбинную установку с наиболее высоким энергетическим КПД.
Обычно с помощью термодинамических расчетов выявляют, при каком сочетании параметров (температура, давление, степень сжатия газа) КПД принимает наибольшее значение.
КПД во многом зависит от площади поверхности регенеративного теплообменника - чем она больше, тем выше КПД. Где же остановиться? Ведь чем выше КПД, тем больше размер теплообменника, а значит, и его стоимость. Сейчас в большинстве таких случаев переходят от термодинамического анализа к денежному, стоимостному.
К сожалению, из-за многочисленных и порой серьезных недостатков в ценообразовании это не всегда приводит к выбору действительно лучшего варианта. Полный же энергетический анализ надежнее. Он служит хорошим дополнением к денежному. Зная энергетическую ценность оборудования, можно уточнить термодинамическую оценку КПД, которую нужно только дополнять по мере введения в схему нового оборудования или изменения его размеров.
Энергетическому анализу может быть подвергнута в.я электростанция, включая здания, технические сооружения, дороги, теплотрассы, различные смазочные, химические материалы. Такой анализ сейчас проводится очень редко, но нет сомнения в его возможностях и широкол!
распространении в будущем.
Прошли времена бездумного преклонения перед новой техникой. Она настолько глубоко и широко внедряется в нашу жизнь, что нужно каждый раз очень тщательно соизмерять приносимую ею пользу с возможным врздом. Правда, наносимый техникой вред почти всегда заметнее пользы. И именно этой стороне часто больше внимания уделяют общественность, медицина, санитария.
Значительная доля материальных затрат на развитие энергетики связана с обеспечением безопасности как профессиональных работников, так и населения. Новые системы защиты, многочисленные очистные и шумопоглощающие сооружения требуют все больше средств. Где предел?
Имеющийся опыт говорит о том, что очень во многих случаях невозможно обеспечить "абсолютную" безопасность. Нельзя исключить разного рода аварии в авиации, наземном транспорте, промышленности и в энергетике, где иногда происходят и взрывы котлов, и выбросы радиоактивных веществ, и т. п.
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 вшпо 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 расширительдроссель (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.
Тепловые насосы при тех же результатах расходуют электричества вдвое меньше.
В наше время тепловые насосы получили очень широкое распространение. Сейчас их миллионы. Несколько лет назад в мире был настоящий "насосный бум". Особенно выгодны они там, где для отопления использовалась электроэнергия или ценное жидкое топливо, - в США, Великобритании.
В нашей стране, отличающейся широкоразвитой сетью централизованного теплоснабжения, конкурентоспособность тепловых насосов ниже. Ведь во многих городах и микрорайонах больших городов для отопления используется пар, отбираемый из последних ступеней турбогенераторов. Он отдал уже почти всю энергию на вращение ротора турбины, и его все равно предстоит выбросить в конденсатор, где он отдаст тепло окружающей среде.
Поэтому гораздо выгоднее термодинамически отобрать его у турбины и использовать для обогрева жилищ.
Но в нашей стране много районов, где нет централизованного теплоснабжения от ТЭЦ и могут оказаться эффективными тепловые насосы например, если вблизи жилищ есть теплые сбросные воды заводов, фабрик, коммунально-бытовых предприятий. Температурный потенциал сбрасываемого тепла может оказаться недостаточным для жилищ, но тепловому насосу гораздо легче "перекачать" теплую воду на уровень, необходимый для отопления. Слово "легче" здесь означает, что для такой "перекачки" тепла потребуется меньше электроэнергии, чем на нагрев воды до температуры, необходимой в отопительной системе жилья.
Илп возьмем ситуацию, когда есть дешевая электроэнергия. Такой она бывает, например, ночью. Тепловой насос в это время может "накачать" в аккумуляторные баки массу горячей воды, достаточную для отопления в течение дня. С помощью дешевой ночной (подпиковой)
электроэнергии уже отапливают сельскохозяйственные объекты в Прибалтийских республиках, правда, в небольших количествах. Применение тепловых насосов позволит расширить масштабы применения подпиковой электроэнергии в том регионе, где органическое топливо очень дорого.
Нестандартно, гибко, с учетом всех местных условий должна определяться энергетическая тактика и стратегия для разных районов страны. У меня перед глазами - Якутия и Магаданская область, где совсем недавно я побывал в служебной командировке. Пришлось как раз разбираться с одним из вопросов энергоснабжения.
В этом регионе много полезных ископаемых. По всей территории рассеяны горнодобывающие предприятия.
Наиболее интенсивная работа у них летом, когда легче справиться с вечной мерзлотой. Такие районы часто имеют вывернутый график нагрузок: летом электроэнергии потребляется больше, чем зимой.
Сотни мелких котельных дымят всю долгую зиму, обеспечивая отопление жилых домов. Котельные невелики по размерам, и обслуживающего персонала требуется предостаточно - ведь в качестве топлива используется уголь, смерзающийся зимой в твердые глыбы. Более того, уголь нужно доставлять автомашинами по горным трактам иногда за многие сотни километров. И снова нужны автоводители и служащие автопредприятий, а обустройство каждого нового человека на Севере стоит очень дорого и влечет, в свою очередь, дополнительные затраты энергии. Кроме того, автотранспорт нуждается в дизельном топливе, а он здесь особенно дорог. Видите, какая длинная энергодорогостоящая цепочка вытянулась для спасения от зимней стужи. Нет ли способа дешевле?
Ответ напрашивается сам собой - тепловые насосы.
И здесь мы сталкиваемся с парадоксальной ситуацией.
Руководители, отвечающие за электроснабжение, почти ритуально и с негодованием твердят о "термодинамическом безобразии" использования электроэнергии для отопления.
Но обратите внимание, ведь электроэнергия в этом случае нужна для обогрева ночью, когда она в избытко, а не днем; зимой, а не летом, когда ее потребление возрастает. И дальше: ведь можно будет отказаться при таком (электрическом) способе отопления от части автотранспорта, расхода дизельного топлива, уменьшить количество обслуживающего персонала.
Бернард Шоу сделал правильное наблюдение: "Как только захочется поверить во что-нибудь, сразу видишь все аргументы за и становишься слеп ко всем аргументам против". Не хотелось бы выглядеть слишком увлеченным.
Но пусть и оппоненты проявят объективность. Наверное, если бы они ведали не только электроэнергией, но отвечали бы и за тепло, их точка зрения не страдала бы ведомственной ограниченностью.
Как же обстоят дела с тепловыми насосами в нашей стране?
В сущности, они есть сейчас почти в каждой квартире - ведь это наши домашние холодильники. Они перекачивают тепло из одной среды в другую за счет электроэнергии, оплачиваемой по 4 копейки за 1 киловатт-час.
Они поднимают температуру в комнатах и понижают в морозильной и холодильной камерах. Отбор тепла из холодильника происходит через теплообменники, расположенные на его задней стенке, поэтому их не всегда и замечают.
Если эти теплообменники холодильника вынести из квартиры и разместить за стеной дома, а через холодильную камеру прокачивать воздух, то получим кондиционер. На изготовлении тепловых насосов подобного типа специализируется Бакинский завод кондиционеров. Их часто можно видеть в окнах домов, особенно в южных районах страны.
Теперь сделаем еще одну операцию - развернем кондиционер наоборот. Тогда охлажденный в камере воздух будет нагреваться не в квартире, а за стенами дома. Наш кондиционер будет отбирать тепло у атмосферы и направлять его в комнату. Конечно, охладить воздух за окнами кондиционеру не удастся - его слишком много.
Что же, мы получили тепловой насос? Не совсем. Настоящий экономичный насос должен быть совершеннее.
Бытовой холодильник не обязан иметь высокий КПД - его мощность относительно невелика. Но кондиционеры и тем более тепловые насосы должны поддерживать температурный режим не в маленьких холодильных камерах, а в просторных квартирах и производственных помещениях. Им надо больше мощности, выше КПД.
Установки теряют простоту холодильников, становятся дороже и сложнее в эксплуатации. Это несколько приостанавливает нашествие тепловых насосов.
У нас в стране теплонасосные установки начали распространяться в наиболее выигрышном для них районе.
В крымско-кавказской курортной зоне даже в осенне-зимние месяцы имеется безграничный источник тепла - восьмиградусная вода Черного моря. Благодаря тепловым насосам жители Черноморского побережья могут пользоваться дешевой горячей водой.
Для обогрева и получения горячей воды можно приспособить также громадное количество холодильных установок, работающих на фермах, овощехранилищах, хладокомбинатах, в столовых, магазинах. Как же не выбрасывать, а использовать тепло, вырабатываемое в этих тепловых насосах? Требуется лишь некоторая реконструкция. Над ее оптимальными вариантами сейчас и бьются специалисты ГДР, Франции, нашей страны.
Для себя или для внуков!
Мало изобрести и создать устройства для эффективного использования различных видов энергии в промышленности, транспорте, сельском хозяйстве. Нужно еще оценить, а выгодны ли они обществу? На помощь приходит экономический анализ. Именно он позволяет определить целесообразность создания той или иной машины, масштабы внедрения новой техники, развития какоголибо направления энергетики.
Известен афоризм, приписываемый Б. Франклину:
"Я не так богат, чтобы покупать дешевые вещи". В быту мы часто руководствуемся этим принципом. Иногда предпочтем дорогую вещь, ибо она, как правило, служит дольше. Правда, приобретаем мы и дешевые вещи наподобие рабочей одежды или чего-нибудь модного. Так или иначе, интуитивно или по определенным правилам мы распределяем свой бюджет. Однако, если речь идет об очень дорогостоящей покупке, которая и служить тоже должна очень долго, решение принять непросто. Вот одна из задач с "энергетическим" уклоном.
Вам предлагают для обогрева индивидуального дома два типа отопительных установок: одна стоит 1000 рублей, а ежегодная эксплуатация будет обходиться в 50 рублей, у другой эти показатели равны соответственно 500 и 100 рублям. Какую выбрать?
Ответить сразу трудно. Учтем затраты за первые пять лет эксплуатации.
Для первой установки они составят:
1000 рублей + 50 рублей в год X 5 лет = 1250 рублей.
Для второй:
500 рублей + 100 рублей в год X 5 лет = 1000 рублей.
Значит, выбираем вторую? Не будем спешить. Выясним, а как будут выглядеть затраты через 15 лет?
Оказывается, что для первой установки полные затраты - 1750, а для второй - 2000 рублей. В этом случае нужно было бы выбрать первую, а не вторую установку.
Выбирая более дешевую, мы экономим в первоначальных затратах, но затем в будущем нашим детям и внукам придется нести больше расходов на ее эксплуатацию.
Для дорогой установки ситуация обратная. Вот откуда появилось название этого раздела: "Для себя или для внуков?"
Нет одинакового рецепта для разных экономических проблем, возникающих в нашем быту. Каждый решает эти вопросы по-своему.
В энергетике же без таких рецептов не обойтись. Всю важность выбора наиболее выгодного варианта осознала еще комиссия по разработке плана ГОЭЛРО. Вот что записано в одном из ее протоколов: "Очень важно для будущей работы ГОЭЛРО раз и навсегда определить, что нам выгоднее: большие первоначальные затраты и дешевая эксплуатация станции или меньшие капиталовложения и дорогая эксплуатация".
Многочисленные исследования, проведенные энергетиками и экономистами, позволили выработать такую рекомендацию: капиталовложения нужно соизмерять с ежегодными эксплуатационными затратами с помощью специального коэффициента эффективности капиталовложений. Используя его, мы получим так называемые приведенные затраты.
Для новой техники коэффициент эффективности равен 0,15. Тогда задача, поставленная нами в начале э ого раздела, решается следующим образом.
Приведенные затраты для первой устань ки составят:
1000 X 0,15 + 50 = 200 рублей.
Для второй - меньше - 500 X 0,15 + 100 = 175 рублей.
Значит, вторую и нужно выбирать.
Вроде бы просто и понятно, но откуда мы взяли 0,15 - коэффициент эффективности капиталовложений?
Теоретически он должен вытекать из оптимального плана развития народного хозяйства на длительный период. Однако на самом деле его приходится определять экспериментальным путем на основе опыта создания, эксплуатации и проектирования энергетических объектов и оценки той роли, которую они играют в народном хозяйстве.
Нагляднее обратная величина этого коэффициента - срок окупаемости капиталовложений. Значение 0,15 - соответствует примерно 6 годам. Пока еще нет единой точки зрения, каковы должны быть сроки окупаемости для разных отраслей. По мнению одних экономистов, он один и тот же для всех отраслей, другие же допускают разброс от 4 до 12 лет. Сравнение экономической эффективности различных вариантов энергетических установок и стратегий страдает и от других недостатков, и поэтому привлекаются сопоставления также по величине трудовых затрат, по воздействию на окружающую среду, по необходимым масштабам развития производства в смежных областях и т. п.
В последние годы развивается еще один метод сравнения, который получил название энергетический неттоанализ. Он позволяет определить, сколько энергии должно быть затрачено на создание вещей, оборудования, домов. Подсчитывая энергетические затраты при возведении, например, энергетической станции, мы выявляем с помощью нетто-анализа, сколько чистой энергии будет в результате направлено в народное хозяйство. Для этого из всей затраченной энергии вычитаются энергетические расходы на строительство станции, изготовление оборудования и материалов, последующую эксплуатацию станции.
Вот мы и начали выяснять, куда исчезает или где используется энергия, производимая различными энергетическими установками.
Очень часто в научно-технической литературе по экономике встречаются такие фразы: "Доля энергетических затрат составляет 20 процентов". А что входит в оставшуюся энергетическую долю? Это - сырье, материалы и оборудование, поступившее на предприятие со стороны.
Это и труд людей.
Например, при изготовлении автомобиля тратится электроэнергия на привод станков и транспортеров, на сварку, электронагрев и компрессоры, вырабатывающие сжатый воздух. Тепло разного потенциала расходуется в кузнечных термических цехах, при отоплении и вентиляции. Все остальное прибывает со стороны. Так, тонколистовой металл привозят с металлургического завода, и потому в энергетических затратах на создание автомобиля он не учитывается.
А ведь на самом деле и этот лист металла - "сплошная" энергия. Проследим путь его создания. На прокатном стане из толстолистового металла был получен тонкий лист, а еще раньше на другом стане стальную заготовку прокатали в толстый лист. При этом тратилась энергия на двигатели прокатного стана, подогрев заготовок, общецеховое освещение, вентиляцию. Стальная заготовка пришла из мартеновского цеха, где в печи расходовалась электроэнергия, кислород для переплавки чугуна. Энергия тратилась и на этапах, предшествовавших загрузке руды в доменную печь, начиная с добычи исходного сырья, которая тоже не обошлась без энергоемких взрывных и экскаваторных работ.
А ведь мы пренебрегли такими боковыми ответвлениями энергетической цепочки, как прокатные станы, транспорт для перевозки, мартеновские и доменные печи, шахты, экскаваторы, которые внесли свой "вклад" в создание тонкого металлического листа для автомобиля.
Проследим, как создавалось любое оборудование от экскаватора до мартена и доменной печи, и убедимся, аналогично случаю с тонколистовым материалом, что источником всего является энергия.
Значит, любой изготовленный нами предмет - это как бы "материализованная" энергия. Конечно, для создания вещи нужен также физический труд человека и, главное, его интеллект. Но поскольку доля физического труда в настоящее время очень мала, то любые созданные людьми вещи и материалы можно измерять в энергетических единицах, потраченных на их производство.
По-видимому, именно этот факт дал основание экологу Говарду Одуму дать своей книге название "Энергетический базис человека и природы". Во введении к ней он пишет: "Энергия - всеобщая основа, источник и средство управления всеми природными ресурсами, базис культуры и всей деятельности человека... Тема этой книги - роль энергии в управлении нашей жизни, экономикой, международными отношениями, нормами жизни и ценностями культуры". Согласно Одуму даже эмоции и эстетические ценности во многом связаны с характером энергетических процессов, с наличием или отсутствием энергии.
Не впадая в крайности, к которым склонен иногда Г. Одум, нельзя не признать, что ценность каждой вещи можно измерять не только в денежных, но и в энергетических единицах. Во многих случаях такой "энергетический" счет оказывается очень полезным.
В среднем энергетическая ценность продукции промышленности СССР равна около 10 тысяч килокалорий на рубль. Понятно, что для разных отраслей эта величина может отличаться в десятки раз: в легкой промышленности она всего 1500 килокалорий на рубль товаров, а в черной металлургии - до 30-40 тысяч килокалорий.
Да и внутри отрасли для каждого вида продукции величина энергетической ценности может быть совсем разной.
Существуют обширные таблицы, в которых приводится энергетическая ценность различных продуктов.
Знакомясь с этими таблицами, наглядно осознаешь, что для сбережения энергии необходимо в равной степени экономить как тепло, электроэнергию, бензин, дрова, так и металлы, пластмассы, удобрения или просто струйку воды, текущей из крана. Ведь часто всего один потерянный килограмм какого-либо вещества означает потерю не одного, а нескольких килограммов топлива. Так, на производство килограмма химических волокон или пластмасс нужно истратить 5-10 килограммов топлива.
Умение сопоставить каждой единице оборудования, винтику, кубометру бетона, метру кабеля свою величину энергетической ценности помогает совершенствовать проектируемую энергетическую или технологическую установку и выбирать наилучший вариант.
Предположим, нужно сконструировать газотурбинную установку с наиболее высоким энергетическим КПД.
Обычно с помощью термодинамических расчетов выявляют, при каком сочетании параметров (температура, давление, степень сжатия газа) КПД принимает наибольшее значение.
КПД во многом зависит от площади поверхности регенеративного теплообменника - чем она больше, тем выше КПД. Где же остановиться? Ведь чем выше КПД, тем больше размер теплообменника, а значит, и его стоимость. Сейчас в большинстве таких случаев переходят от термодинамического анализа к денежному, стоимостному.
К сожалению, из-за многочисленных и порой серьезных недостатков в ценообразовании это не всегда приводит к выбору действительно лучшего варианта. Полный же энергетический анализ надежнее. Он служит хорошим дополнением к денежному. Зная энергетическую ценность оборудования, можно уточнить термодинамическую оценку КПД, которую нужно только дополнять по мере введения в схему нового оборудования или изменения его размеров.
Энергетическому анализу может быть подвергнута в.я электростанция, включая здания, технические сооружения, дороги, теплотрассы, различные смазочные, химические материалы. Такой анализ сейчас проводится очень редко, но нет сомнения в его возможностях и широкол!
распространении в будущем.
Прошли времена бездумного преклонения перед новой техникой. Она настолько глубоко и широко внедряется в нашу жизнь, что нужно каждый раз очень тщательно соизмерять приносимую ею пользу с возможным врздом. Правда, наносимый техникой вред почти всегда заметнее пользы. И именно этой стороне часто больше внимания уделяют общественность, медицина, санитария.
Значительная доля материальных затрат на развитие энергетики связана с обеспечением безопасности как профессиональных работников, так и населения. Новые системы защиты, многочисленные очистные и шумопоглощающие сооружения требуют все больше средств. Где предел?
Имеющийся опыт говорит о том, что очень во многих случаях невозможно обеспечить "абсолютную" безопасность. Нельзя исключить разного рода аварии в авиации, наземном транспорте, промышленности и в энергетике, где иногда происходят и взрывы котлов, и выбросы радиоактивных веществ, и т. п.