Температура воды в системах водяного отопления должна составлять 60—70°С. Примерно такую же температуру должна иметь вода, направляемая на горячее водоснабжение. В варочных котлах в различных процессах пищевой промышленности теплоту необходимо подводить при температурах 150—170°С. В химической технологии встречается очень широкий диапазон температурных уровней от сотен до тысяч градусов и выше. Металлургические процессы, как правило, высокотемпературные. Основные потребности в теплоте сегодня покрываются за счет сжигания органических природных топлив, хотя, как будет показано ниже, это термодинамически невыгодно.
Природные топлива принято характеризовать теплотой сгорания, представляющей собой количество теплоты, которое может быть получено при полном сжигании единицы массы топлива в стехиометрическом (теоретически необходимом) количестве воздуха при условии, что продукты сгорания, отдавая теплоту, будут охлаждены до начальной температуры исходного топлива (обычно принимается комнатная температура 25°С). В продуктах сгорания органических топлив всегда находится некоторое количество паров воды. Поэтому принято различать высшую Qв и низшую Qн теплоты сгорания топлива в зависимости от того, учитывается ли теплота, выделяемая при конденсации паров воды или нет.
Таким образом, понятие теплоты сгорания топлива учитывает лишь количество, но не качество (температуру) получаемой при его сжигании теплоты. В рамках первого закона термодинамики вполне достаточно знать количество теплоты. С позиций этого закона вполне допустимо использовать теплоту продуктов сгорания топлива, имеющих температуру, например, 1000°С, для подогрева воды в системе отопления до 70°С. Но с точки зрения второго закона термодинамики, на основании которого в § 4.2 мы сформулировали понятие эксергии теплоты, этот процесс далеко не совершенен.
Действительно, рассмотрим такой пример. Пусть температура окружающей среды То равна 300 К, а нам нужно использовать 1 Дж теплоты при температуре 350 К (77°С). Эксергия 1 Дж теплоты при этой температуре в соответствии с (4.9):
75
Нетрудно видеть, что в предложенном процессе энергия продуктов сгорания используется полностью:
Преобразование эксергии с использованием схемы, изображенной на рис. 4.6, осуществляется на ТЭЦ. Отопление и вообще теплоснабжение от ТЭЦ является, таким образом, термодинамически значительно более выгодным процессом, чем теплоснабжение от котельных, непосредственно сжигающих органическое топливо.
В Советском Союзе теплоснабжение от ТЭЦ получило очень широкое распространение. Электрическая мощность ТЭЦ составляет сейчас около 50 млн. кВт.
Теплоснабжение от ТЭЦ, несмотря на бесспорную термодинамическую выгоду, в ряде случаев может оказаться трудно осуществимым. Дело в том, что по условиям транспорта теплоты ТЭЦ размещаются в черте города или на его ближайших окраинах. Большие количества теплоты для отопления нужны в крупных городах, воздушный бассейн которых, как правило, весьма загрязнен. При теплоснабжении от ТЭЦ, как видно из рассмотренного нами примера, нужно сжигать значительно больше топлива, чем если использовать непосредственно отопительную котельную. В нашем примере Q1=3,64 Дж, тогда как для отопления нужно Q2=1 Дж. Это означает, что на ТЭЦ придется сжигать в 3,64 раза больше топлива, чем в отопительной котельной, дающей такое же количество теплоты. Конечно, за счет этого будет получена еще и электроэнергия. Но энергетический баланс больших городов часто таков, что если все электроснабжение осуществляется от ТЭЦ, работающих по отопительному графику, то электроэнергии при этом производится больше, чем город ее может потребить. Таким образом, получается, что в город ввозится избыточное количество топлива, а выводится лишняя электроэнергия. Поэтому по условиям защиты воздушного бассейна города чаша весов при решении вопроса о схеме отопления может склониться в сторону отопительной котельной.
Термодинамически обоснованную схему получения низкопотенциальной теплоты можно представить себе и без излишних с точки зрения потребностей в теплоте расходов топлива. С этой целью может быть применен так называемый тепловой насос. Уже по этому названию можно понять, что речь идет об устройстве, которое «накачивает» теплоту с низкотемпературного уровня на более высокий уровень. Но второй закон термодинамики разрешает этот процесс только при условии затраты некоторого количества механической работы или электроэнергии. В этом случае также используется какое- либо рабочее тело, осуществляющее круговой процесс, или цикл, но организованный так, что рабочее тело при низкой температуре, например при температуре окружающей среды То, отбирает от нее теплоту Qo, а затем при температуре Т2, превышающей То, отдает теплоту Q2 потребителю. Такой цикл, схема которого изображена на рис. 4.7, называется обратным.
Из условия сохранения энергии следует:
т. е. в результате такого обратного цикла потребителю передается как теплота Qo, так и работа L, затрачиваемая на осуществление цикла.
Обратные циклы, используемые в тепловых насосах, столь же разнообразны, как и прямые циклы теплосиловых установок. И так же, как и для прямых циклов, теоретическим эталоном здесь является обратный цикл Карно — он требует для своего осуществления минимального количества работы. В соответствии со вторым законом термодинамики отношение теплот Q2/Qо для цикла Карно пропорционально отношению температур соответствующих тепловых источников:
Отсюда легко найти работу, необходимую для получения заданного количества теплоты при температуре Т2. Сочетание двух приведенных выше формул дает: 
(4.13) где
— по-прежнему термический к. п. д. цикла Карно, осуществляемого между температурами Та и То.
Рис. 4.8. Схема отопления с тепловым насосом, требующая минимальных затрат топлива.
Таким образом, в схеме теплового насоса для получения низкопотенциальной теплоты Q2 требуется затрата работы. В этом случае сбалансированной с точки зрения затрат энергии и требующей минимальных затрат топлива окажется схема с тепловым насосом, представленная на рис. 4.8.
Здесь теплота продуктов сгорания Q1, отбираемая при температуре Т1, используется в прямом цикле, таком же, как на ТЭЦ, для производства работы L в количестве, в точности необходимом для привода теплового насоса. Если считать, что и ТЭЦ и тепловой насос работают соответственно по прямому и обратному циклам Карно, то будут справедливы следующие соотношения:
для ТЭЦ:
Таким образом, действительно, обе эксергии одинаковы, и рассмотренная нами схема термодинамически полностью сбалансирована.
Рис. 4.9. Затраты теплоты Q1 при температуре 1273 К для получения 1 Дж теплоты при температуре Т2 при использовании идеального теплового насоса по схеме рис. 4.8 и затраты работы L для получения 1 Дж теплоты от теплового насоса по схеме рис. 4.7, То=300 К.
Использование теплового насоса оказывается тем эффективнее, чем ниже температура Т2, при которой потребителю необходима теплота. На рис. 4.9 показано количество теплоты, которое необходимо отобрать от продуктов сгорания в схеме рис. 4.8 при Т1=1273 К для получения 1 Дж теплоты Q2 в зависимости от температуры Т2. Видно, что Q1/Q2 (кривая 1) резко возрастает от 0, когда Т2=То (этот предельный случай, конечно, не имеет практического значения), достигает 0,5 при примерно 500 К и далее более медленно стремится к 1 по Мере того, как Т2 возрастает до Τ1 (1273 К).
Часто эффективность теплового насоса оценивается по затратам работы на получение заданного количества теплоты Q2, независимо от того, каким образом эта работа получена. Эти затраты работы по формуле (4.13) для получения в тепловом насосе, работающем по схеме рис. 4.7, 1 Дж теплоты Q2 также нанесены на рис. 4.9 в зависимости от температуры Т2 при То=300 К (кривая 2). Эту зависимость удобно использовать, например, если сравнивать прямое электрическое отопление с отоплением с помощью теплового насоса, затрачивающего электроэнергию. При прямом электрическом отоплении на получение 1 Дж теплоты независимо от температуры надо затратить минимум 1 Дж электроэнергии. При отоплении с помощью теплового насоса эта величина оказывается меньшей, уменьшаясь по мере снижения Т2. Так, например, из рис. 4.9 следует, что для получения 1 Дж теплоты при Т2=350 К понадобится затратить всего 0,14 Дж электроэнергии, т. е. в 7 раз меньше, чем при прямом электрическом отоплении.
На основании сказанного выше преимущества схемы получения низкопотенциальной теплоты с помощью тепловых насосов очевидны.
Отчего же они сегодня практически не используются, хотя эти идеи были высказаны уже более полувека назад? Во-первых, это связано с тем, что приведенные нами выше характеристики относятся к идеальным тепловым насосам, работающим по циклу Карно и не имеющим каких бы то ни было потерь. Характеристики реальных тепловых насосов в несколько раз хуже этих идеализированных. Но и для реальных тепловых насосов термодинамические преимущества остаются в силе.
Второе, и даже более важное, обстоятельство заключается в стоимости тепловых насосов. Здесь мы опять сталкиваемся с необходимостью судить о возможностях применения того или иного устройства не только по его тепловой экономичности, а по суммарным технико-экономическим показателям, определяющим в конечном счете суммарные затраты для получения единицы полезной продукции.
Тепловые насосы еще относительно дороги, поэтому, несмотря на их термодинамические преимущества, единица низкопотенциальной теплоты, получаемой с их помощью, стоит дороже, чем при прямом сжигании топлива.
На уже упоминавшейся X Мировой энергетической конференции в докладах Н. Михеля, Дж. Потье и Дж. Джегле отмечалось, что во Франции около 2500 домов отапливается с помощью тепловых насосов, использующих для привода электроэнергию. Затраты электроэнергии в этих установках составляют около 70% затрат при прямом электрическом отоплении, что значительно хуже теоретических характеристик идеального теплового насоса.
Рис. 4.10. Схема холодильной установки.
По мере того как тепловые насосы будут совершенствоваться и удешевляться, область их применения будет возрастать. Особый интерес в этом отношении представляет собой использование в качестве источника теплоты с низкой температурой То источника, имеющего температуру более высокую, чем окружающая среда. Как правило, таких источников довольно много. Это и геотермальные источники, и вода, подогретая в простейшей солнечной установке, и морская вода (для потребителей, расположенных в прибрежных районах), и даже бытовые и промышленные сточные воды. Повышение То при заданном Т2 является очень эффективным средством повышения экономичности тепловых насосов.
В Советском Союзе работы по созданию экономичных и дешевых теплонасосных установок ведутся широким фронтом. В ближайшие годы количество бытовых и промышленных теплонасосных установок, особенно в сочетании с другими низкопотенциальными источниками теплоты, планируется резко увеличить.
Проблема отопления с помощью тепловых насосов аналогична проблеме получения «холода», т. е. охлаждения некоторых помещений до температур ниже температуры окружающей среды.
Почему поддержание в какой-либо камере, например в домашнем холодильнике, температур ниже температуры окружающей среды требует затрат энергии, ясно из рис. 4.10. На этом рисунке 1 — охлаждаемое помещение, в котором надо поддерживать температуру То.п, меньшую температуры окружающей среды То. При таком соотношении температур, сколь бы совершенной ни была тепловая изоляция 2, в камеру из окружающей среды будет проникать теплота, поток которой на рис. 4.10 показан штриховыми стрелками.
Рис. 4.11. Термодинамическая схема холодильной установки.
Ясно, что для поддержания температуры То.п неизменной, эту теплоту Qо.п надо из камеры вывести и отдать вновь в окружающую среду. Но в соответствии со вторым законом термодинамики передача теплоты от более низкой температуры к более высокой возможна только при затрате некоторого количества работы. На рис. 4.10 это схематически показано следующим образом. В теплообменнике 3, размещенном в камере, рабочее тело холодильной установки отбирает теплоту Qо.п из камеры и выходит из камеры с температурой, теоретически равной То.п Далее рабочее тело поступает в компрессор 4, где за счет подвода работы оно сжимается и его температура повышается теоретически до температуры окружающей среды То. С этой температурой рабочее тело поступает в теплообменник 5, где отдает теплоту Qo (большую, чем Qon) в окружающую среду (воздух или воду). После этого рабочее тело расширяется в турбине 6, совершая некоторую работу, за счет чего его температура падает теоретически до То.п, что позволяет замкнуть цикл. Работа, совершаемая турбиной в такой схеме, в общем случае, меньше, чем работа, необходимая для привода компрессора. Поэтому некоторое количество работы L дополнительно должно быть подведено извне.
С термодинамической точки зрения, описанная холодильная установка работает так же, как тепловой насос, только в ином интервале температур. Это ясно из сопоставления схем на рис. 4.11 и 4.7. Эффективность холодильной установки оценивают по отношению теплоты Qо.п, отбираемой от охлаждаемого помещения, к затрачиваемой для этой цели работе L.
Это отношение называют холодильным коэффициентом:
(4.15)
Пользуясь формулами, приведенными выше для теплового насоса, холодильный коэффициент установки, работающей по обратному циклу Карно, можно представить так:
(4.16)
В реальных холодильных установках в качестве рабочих тел применяются либо низкокипящие жидкости (например, различные фреоны, аммиак, углекислота), либо неконденсирующиеся газы. В первом случае в теплообменнике 3 (рис. 4.10) низкокипящая жидкость, отбирая теплоту от охлаждаемого помещения, испаряется, а в теплообменнике 5 пар конденсируется, отдавая теплоту конденсации в окружающую среду. При этом оба процесса происходят при практически постоянных температурах Т'о.п и Т'о.
Турбина 6 в таких схемах часто отсутствует. Ее заменяет дроссельный вентиль, в котором жидкость, выходящая из теплообменника 5, расширяется и частично вскипает, однако не производит полезную работу. Такой процесс термодинамически невыгоден, но отсутствие турбины позволяет значительно упростить схему, что особенно важно в малых установках, например в бытовых холодильниках.
В случае применения неконденсирующегося газа, в частности, в воздушной холодильной установке, процессы в теплообменниках 3 и 5 протекают при постоянном давлении, но при изменяющейся температуре. Турбина или другая расширительная машина в такой схеме совершенно необходима, в связи с чем такие установки применяются только когда необходима большая холодопроизводительность.
Выше везде в связи с тепловыми насосами и холодильными установками мы предполагали, что для передачи теплоты от низкой температуры к высокой затрачивается механическая работа. Однако вместо работы в ряде случаев можно использовать высокопотенциальную теплоту, имеющую соответствующую эксергию. Эта идея реализуется в так называемых абсорбционных холодильных установках. Рабочим телом таких установок являются растворы, чаще всего водо-аммиачный раствор. Замечательным свойством растворов является то, что высококонцентрированный пар раствора (с высокой концентрацией легколетучего вещества, например аммиака), имеющий температуру То.п, может быть сконденсирован в растворе с малой концентрацией, имеющем более высокую температуру То. При этой конденсации (ее в этом случае называют абсорбцией) выделяется теплота, отдаваемая в окружающую среду, т. е. по существу происходит перенос теплоты от более низкой температуры к более высокой. В то же время работа в этом процессе не затрачивается, оба раствора имеют одинаковое давление. Кажущееся противоречие второму закону термодинамики исключается тем, что в процессе абсорбции происходит смешение растворов с разными концентрациями. Для их последующего разделения, чтобы установка могла работать непрерывно, надо подводить высокопотенциальную теплоту, которая в меру своей энергии и заменяет работу.
Абсорбционные холодильные установки термодинамически мало совершенны, но из-за их простоты, отсутствия движущихся частей их иногда применяют, например в малых бытовых холодильниках. При этом высокопотенциальная теплота подводится за счет электронагрева.
Интересной разновидностью теплонасосных и холодильных установок являются термоэлектрические установки, основанные на принципах преобразования энергии, которые рассматриваются в следующей главе. Схема термоэлектрической холодильной установки приведена на рис. 4.12. Принцип ее действия основан на так называемом эффекте Пельтье, состоящем в том, что при протекании постоянного тока I через спай разнородных проводников (металлов или полупроводников) в этом спае в зависимости от направления тока выделяется или поглощается теплота
Рис. 4.12. Схема термоэлектрической холодильной установки.
т. е. совпадает со значением холодильного коэффициента обратного цикла Карно при тех же температурах.
В действительности в термоэлектрических холодильниках имеются значительные неустранимые потери, связанные с перетоком теплоты по проводникам 1 и 2 от горячих спаев к холодным (ясно, что эти потоки теплоты уменьшают полезный эффект холодильника) и с затратой электроэнергии на джоулевы потери в проводниках 1 и 2, что увеличивает затраты электроэнергии против теоретического значения. В результате холодильный коэффициент реальных термоэлектрических холодильников примерно в 10 раз меньше теоретического и в несколько раз меньше, чем у ранее рассмотренных типов холодильных установок. Пути его увеличения связаны с подбором и созданием полупроводниковых материалов с высоким значением коэффициента а, низкой теплопроводностью и высокой электропроводностью.
Термоэлектрический холодильник привлекает своей простотой и надежностью. Он работает от розетки и не требует никакого обслуживания.
Интересна возможность применения термоэлектрического холодильника для кондиционирования температуры воздуха в помещении. С этой целью спаи Г (рис. 4.12) следует разместить на улице, а спаи X в помещении. Когда на улице температура слишком высока, установка работает так, как показано на рис. 4.12, поддерживая помещение при температуре То.п, меньшей, чем То.
Если же температура на улице становится низкой и помещение нуждается в отоплении, то достаточно просто изменить направление тока в проводниках, т. е. изменить полярность подводящих проводов. Тогда в спаях ток будет течь в противоположных направлениях, в результате чего в спаях Г теплота будет отбираться от Окружающей среды в количестве Qo, а в спаях X — отдаваться помещению в количестве Qп. Причем ясно, что Qп>Qo, а соответствующая разность теплот будет обеспечиваться за счет затраты электроэнергии. Таким образом, при таком включении установка будет работать в режиме теплового насоса.
Описанные кондиционеры, несмотря на их низкую экономичность, приобрели в последнее время известное распространение, благодаря своей простоте и удобству эксплуатации.
