Текст книги "Вечный двигатель — прежде и теперь. От утопии — к науке, от науки — к утопии"
Автор книги: Виктор Бродянский
Жанр:
Физика
сообщить о нарушении
Текущая страница: 13 (всего у книги 18 страниц)
Глава пятая.
ВЕЧНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ВТОРОГО РОДА
Я не собираюсь критиковать. Я просто не могу понять, как может человек написать такую чепуху?
Н. Бор
5.1. Какие ppm-2 изобретают теперь?
Различных проектов ppm-2 предлагается очень много, и принципы их действия самые разнообразные: термомеханические, химические, гравитационные, электрические… Есть и такие, к которым трудно подобрать научный термин, чтобы объяснить принцип их действия.
Вместе с тем, независимо от принципа действия, все предложенные двигатели можно разделить на два больших класса.
Первый из них включает правильные, «идейно чистые» вечные двигатели второго рода, основанные на «энергетической инверсии», о которой уже говорилось. Естественно, что ни один из них не работает, несмотря на все усилия их авторов. Эти «настоящие» ppm-2 большей частью основаны на простых термомеханических принципах. В зависимости от области, к которой тяготеет изобретатель, проекты таких ppm-2 опираются либо на теплотехнику, либо на холодильную технику. Однако многие изобретатели, разочаровавшись в возможностях и той, и другой, ищут «новые пути». Отсюда – появление проектов электрических, химических и даже электрохимических ppm-2. Реализация любого из этих проектов и пуск соответствующего двигателя сразу сняли бы вопрос о возможности осуществления ppm-2 и перевернули бы всю термодинамику. Однако ни одного акта о внедрении такой системы нет.
Второй класс, напротив, включает те машины-двигатели, которые вполне могут работать, хотя на первый взгляд тоже представляют собой ppm-2. Это уже «не настоящие» ppm-2; их можно назвать псевдо-ppm.Принцип их действия находится в полном согласии с законами термодинамики. Однако делаются попытки выдать их за настоящие ppm-2 и таким образом доказать возможность их создания. Но при тщательном рассмотрении всегда оказывается, что никакой «инверсии» энергии в них нет.
«Настоящим» ppm-2 посвящены §5.2 и 5.3.
В них показано, что те двигатели, которые действительно могут работать, – не «вечные» (не ppm-2), а те, которые действительно «вечные» (ppm-2), – не могут работать.
В §5.4 описаны наиболее интересные псевдо-ppm.
5.2. Проекты термомеханических ppm-2
Трудно сейчас установить, когда именно был предложен первый проект вечного двигателя второго рода. Во всяком случае, достоверно известно, что это произошло более 100 лет назад.
Первым известным изобретателем в этой области был некий американский профессор Гэмджи, предложивший сконструированный им так называемый нуль-мотор, который должен был работать, извлекая теплоту, как мы бы теперь сказали, из равновесной окружающей среды. Было это в 1880 г.
Вторым, кто предложил двигатель, работающий на «теплоте окружающей среды», был тоже американец Ч. Триплер, человек более известный, чем Гэмджи, в связи с тем, что он сконструировал (правда, на основе уже известных разработок) действующую установку для сжижения воздуха. Публикация о двигателе Триплера появилась впервые в 1899 г.
Оба эти изобретения связаны одной и той же особенностью: происходящие в них процессы должны были протекать при температуре ниже окружающей среды. Именно здесь, в специфической области низких температур, где «на холоде», казалось бы, все происходит иначе, чем в традиционной теплотехнике, оба изобретателя хотели решить энергетическую проблему по-новому. Нет сомнения, что именно такое «холодное» направление мыслей первых создателей проектов ppm-2 связано с сенсационными успехами техники низких температур, которые как раз пришлись на конец 70-х-90-е годы XIX века.
Самая низкая температура, которую до этого удалось получить М. Фарадею в 1840 г., составила —110 °С, но в 1877 г. Л. Кайете и независимо от него Р. Пикте добились температуры —180 °С, а в 90-х годах К. Ольшевскому удалось понизить рубеж рекордно низких температур до —200 – 230 °С. Наконец, Д. Дьюар в 1898 г. сжижил водород при – 253°С. Этот резкий прорыв в область небывало низких температур произвел очень сильное впечатление на современников.
Одновременно развивались и технические приложения низких температур. Ш. Телье (1867 г.), а затем К. Линде в 70-х годах были разработаны аммиачные холодильные машины, а в 1895 г. К. Линде и Р. Хэмпсон почти одновременно создали промышленные установки для сжижения воздуха.
Именно два последних достижения низкотемпературной техники того времени – аммиачная холодильная машина и установка сжижения воздуха – послужили соответственно прототипами проектов Гэмджи и Триплера. Прототипами их назвать можно только условно, поскольку идея была совсем новой: использовать холодильные машины в совершенно другом плане – как двигатели.
Авторская схема «нуль-мотора» приведена на рис. 5.1. В дальнейшем она была усовершенствована (добавлен еще один котел, введен струйный эжектор). Однако принципа работы «нуль-мотора» эти изменения не касались.
Рис. 5.1. Схема «нуль-мотора» Гэмджи: а – впуск пара в расширительную машину; б – выпуск жидкости из расширительной машины; 1 – котел; 2 – расширительная машина (детандер); 3 – впускной клапан; 4 – выпускной клапан; 5 – шатунно-кривошипный механизм с маховиком; 6 – насос для жидкого аммиака
Как же, по мысли автора, должен был работать этот двигатель? Известно, что при температуре окружающей среды (например, 300 К = 27 °С) аммиак кипит при давлении 1,0 МПа (10 ат) [69]69
Кривая зависимости давления пара от температуры кипения аммиака показана на рис. 5.2.
[Закрыть]. Следовательно, в котле с жидким аммиаком, помещенным в эту среду, установится повышенное по сравнению с атмосферным давление пара. Можно направить этот пар в низкотемпературную поршневую машину (так называемый детандер). В этом случае он расширяется, и давление становится, например 0,1 МПа (1 ат), отдавая внешнюю работу, соответственно охлаждается до 250 К (—23 °С) и частично при этом ожижается. Жидкий аммиак вместе с паром через выпускной клапан поступает в насос, который приводится в движение самой расширительной машиной, – детандером. В насосе давление аммиака снова поднимается до 1,0 МПа (10 ат). Холодная смесь жидкого аммиака и пара возвращается в котел. Здесь за счет теплоты Q О.С., поступающей из более теплой атмосферы (напомним, что аммиак после расширения имеет температуру – 23 °С), он снова испаряется. Пар отводится в детандер, и цикл повторяется. Таким образом, двигатель работает, отдавая потребителю работу L (равную работе, производимой детандером, за вычетом небольшой ее части, затраченной на привод насоса).
Никакого нарушения первого закона термодинамики – закона сохранения энергии – здесь нет: сколько ее подводится из окружающей среды Q О.С., столько и отводится в виде работы (L = Q О.С.). Вроде бы все в порядке.
Но… Всегда это проклятое «но», как только дело касается ppm. Но двигатель почему-то не работал. В чем же дело?
Чтобы ответить на этот вопрос, составим энтропийный и эксергетический балансы «нуль-мотора». С энтропийным балансом дело обстоит хуже, чем с энергетическим: с теплотой вносится некоторая энтропия Q О.С./ T О.С., а с работой энтропия не выносится, так как энтропия потока работы равна нулю. Следовательно, энтропия не только уменьшается, а даже исчезает. Это явное нарушение второго закона.
То же показывает эксергетический баланс. Эксергия поступающей теплоты равна нулю, она неработоспособна, так как имеет температуру окружающей среды T О.С.. Получаемая работа равна эксергии, следовательно, эксергия отводится, но не подводится – она возникает «из ничего». КПД «нуль-мотора» равен бесконечности:
Таким образом, «нуль-мотор» – это типичный «монотермический двигатель» – ppm-2.
Представим себя на минуту в положении того механика, которому надо запустить уже собранный и заправленный аммиаком двигатель. Пока он неподвижен, и это совершенно естественно, так как он теплый и давление везде одинаково – 1,0 МПа (10 ат). Как сдвинуть все части машины с места? Попробуем самый простой способ – начнем раскручивать маховик и затем отпустим его, чтобы машина уже сама продолжила работу. Однако можно заранее предсказать, что машина не разгонится, а, напротив, постепенно остановится. Попытки привести ее в самостоятельное движение и любыми другими способами приведут к тому же результату.
Объясняется это очень просто. Чтобы расширительная машина (детандер) работала, нужно, чтобы давление за нейбыло ниже,чем перед ней.Гэмджи думал, что так и будет, поскольку насос откачает парожидкостную смесь из трубы между детандером и насосом. Однако, чтобы это произошло, нужно затратить работу на привод насоса, а где ее взять? Детандер дать ее не может, так как давления и до него, и после равны, а если его раскрутить извне (при запуске), он будет сам работать тоже как насос, перекачивая аммиак в трубу перед насосом. При этом аммиак в нем будет не охлаждаться, а даже нагреваться. Таким образом «нуль-мотор» сможет работать только в том случае, если его крутить внешним приводом, затрачиваяработу L, а не получая ее. Соответствующее количество теплоты, в которую бесполезно «перемолотится» работа, будет отдаватьсяв окружающую среду.
Другими словами, «нуль-мотор» будет вместо работы выдаватьэнтропию, приближая, если верить Клаузиусу, конец света. Таким образом, название «нуль-мотор», придуманное Гэмджи, сыграло с ним дурную шутку: двигатель действительно в полном смысле слова оказался нуль-мотором, но не из-за нулевой потребности в топливе, а из-за нулевого результата – отсутствия полезно производимой работы.
Рис. 5.2. Зависимость температуры кипения аммиака от давления
Можно ли что-нибудь сделать, чтобы заставить «нуль-мотор» производить работу, а не «съедать» ее? Эта задача решается очень просто. Нужно перед насосом включить в схему еще один аппарат – конденсатор, как показано на рис. 5.3, и отводить от него теплоту Qпри более низкой температуре T 0< T О.С.. Тогда аммиак будет в нем сжижаться, и давление его соответственно снизится. Если, например, проводить конденсацию при T 0= 250 К (—23 °С), то, как видно из кривой на рис. 5.2, давление в конденсаторе установится около 0,16 МПа (1,6 ат). Двигатель сразу оживет, так как на детандере появится перепад давлений; он начнет работать, расширяя аммиак с 1,0 МПа (10 ат) до 0,16 МПа (1,6 ат). Часть произведенной работы пойдет на насос, а остальная – полезная работа – будет выдана потребителю. Это будет большая часть работы детандера, так как насос отберет только небольшую ее часть (он перекачивает жидкость, объем которой в десятки раз меньше, чем пара; соответственно меньше и нужная работа).
Рис. 5.3. «Усовершенствованный» двигатель Гэмджи с отбором теплоты Q 0на нижнем темтемпературном уровне
Такой двигатель заработал бы потому, что было бы выполнено требование второго закона – имелась бы разность температур (T О.С.– T 0). При T О.С.подводилась бы теплота Q О.С., а при T0 отводилась бы теплота Q 0< Q О.С.Разность Q О.С. —Q 0давала бы работу L= Q О.С. —Q 0в полном соответствии не только с первым, но и со вторым законом термодинамики. «Монотермический» двигатель превратился бы в обычный, работающий между двумя температурными уровнями.
Возникает вопрос, почему же Гэмджи не додумался до такого решения? Это осталось неизвестным. Однако очевидно и другое. Даже если бы подобная идея пришла ему в голову, делу бы это не помогло. Действительно, если отводить теплоту Q 0при низкой температуре T 0, то двигатель заработает. Но куда эту теплоту девать дальше? Ведь для этого нужно иметь какой-то теплоприемник, который будет получать ее. А такой теплоприемник должен быть еще холоднее (например, при T 0= – 23 °С он должен иметь температуру, скажем, – 25 °С). Иначе теплота Q 0к нему просто не пойдет, так как в соответствии опять же со вторым законом термодинамики она может переходить только от тела с более высокой температурой к телу с более низкой, а никак не наоборот.
Чтобы создать такой теплоприемник при T < T 0< T О.С., обязательно нужна холодильная машина (тепловой насос), которая отводила бы теплоту Q 0обратно на уровень окружающей среды T О.С.. А для этого нужно даже в идеале затратить ровно столько же работы, сколько дает идеальный двигатель в таком же интервале температур, т. е. все, что «заработано» на двигателе, тут же «съел» бы тепловой насос. В итоге – опять нулевой результат. В реальном же случае будет еще хуже. Двигатель даст меньшеработы, чем идеальный (L ДВ ДЕЙСТВ< L ДВ ИД), а тепловой насос потребует больше работы, чем идеальный (L Т.Н. ДЕЙСТВ< L Т.Н. ИД). Поскольку L ДВ ИД= L Т.Н. ДЕЙСТВ, то L Т.Н. ДЕЙСТВ> L ДВ ДЕЙСТВ, т. е. эту систему, чтобы она двигалась, нужно крутить извне с затратой работы L= L Т.Н. ДЕЙСТВ– L ДВ ДЕЙСТВ. Опять получился «нуль-мотор».
Следовательно, искусственный второй уровень температур тоже не решает задачи, поскольку его создание требует в лучшем случае столько же работы, сколько при помощи двигателя можно получить. Настоящий двигатель можно создать только тогда, когда во внешней среде уже есть неравновесность любого вида – разность каких-либо движущих сил (например, ΔT, Δр и др.), которую можно преобразовать в работу. Располагая только одним уровнем температуры окружающей среды, никакую работу получить нельзя.
Легко видеть, что двигатель, показанный на рис. 5.3, по принципиальной схеме точно соответствует паровой машине. Только внешние условия работы у паровой машины другие: верхний температурный уровень у нее соответствует не температуре окружающей среды, а более высокой – горячих дымовых газов. Нижний уровень температур уже не искусственный Т 0, а окружающей среды T О.С.. Здесь используется разность потенциалов, уже имеющаяся во внешней среде (по химическому составу: топливо – кислород воздуха). За счет этой разности путем сжигания и создается тепловой поток на уровне Т > T О.С., который используется в настоящих двигателях.
Другой изобретатель низкотемпературного ppm-2, о котором мы уже упоминали – Триплер – пошел дальше Гэмджи. Во-первых, он пытался использовать именно ту идею, с помощью которой мы пробовали запустить нуль-мотор Гэмджи: с помощью другой машины, соединенной с первой, создать искусственный низкий температурный уровень. Во-вторых, он работал не с аммиаком, а с жидким воздухом (нижняя температура T 0= —190 °С). Однако ни то, ни другое не помогло – двигатель не получился.
Конечно, испаряя жидкий воздух теплотой, отбираемой из окружающей среды, можно получить сжатый воздух и заставить его крутить мотор. А дальше? Опять возникает тот же «проклятый вопрос», что и у Гэмджи, – нужно воздух опять сконденсировать, т. е. отвести от него теплоту при очень низкой – криотемпературе [70]70
От греческого «крио» – очень холодный, морозный. Так называется область температур ниже 120 К (—153 °С).
[Закрыть]. А для этого опять же нужен жидкий воздух, получение которого требует как минимум столько же энергии, сколько дает двигатель (а в реальных условиях еще больше). Опять вместо получения работы – только ее затраты.
В марте 1899 г. в журнале «Макклюрз мэгэзин» была опубликована популярная статья, посвященная лаборатории Триплера и проводимым им замечательным работам. Статья была написана Реем Бейкером. Автор опровергал второй закон термодинамики и провозглашал Триплера создателем вечного двигателя, приводя собственные слова изобретателя: «Использовав в своей машине 3 галлона воздуха, я получил в ожижителе около 10 галлонов жидкости. Таким образом, возникла прибавка в 7 галлонов, которая ничего мне не стоила и которую я могу использовать где угодно для совершения полезной работы».
Следует заметить, что Триплер здесь ввел в заблуждение Бейкера, пользуясь его неосведомленностью. Установка Триплера для сжижения воздуха была по существу копией той, которую К. Линде сделал в Мюнхене еще в 1895 г. В такой системе из 1 кг воздуха получалось в ожижителе около 50 г жидкого воздуха, т.е. 5%. Поэтому получить из «3 галлонов воздуха прибавку в 7 галлонов» Триплер никак не мог.
Триплер не сознался в провале своей идеи. Все эксперты, которые к нему пытались проникнуть, почему-то приходили «не вовремя» и разрекламированного двигателя так и не увидели.
Нельзя не отметить особый интерес, проявлявшийся к военным применениям вечного двигателя второго рода. Действительно, что может быть заманчивее для решительно настроенных военных деятелей, чем корабль или самолет с таким двигателем, автономно работающим практически неограниченное время?
Естественно, что «нуль-мотор» профессора Гэмджи идеально подходил как двигатель для кораблей военно-морского флота США, перед которым уже в то время ставились задачи на основе весьма далеко идущих планов.
Вот что писал главный инженер военно-морского департамента США Б. Айшервуд своему шефу [71]71
Цитируется по книге Орд-Хьюма [2.5]. Опубликовано в «Канзас-Сити ревью» (т. 5, 1882, с. 86-89).
[Закрыть], рекомендуя провести всесторонние испытания двигателя Гэмджи: «Все это создало бы необходимые предпосылки для конструирования нового мотора, имеющего совершенно безграничные возможности. Принимая во внимание чрезвычайную важность этого изобретения как для военно-морского флота США, так и для всего человечества, я настоятельно рекомендую департаменту создать профессору Гэмджи наиболее благоприятные условия для продолжения его экспериментальных исследований и доложить о них правительству Соединенных Штатов. Профессор выражает готовность представить свое изобретение для самой тщательной экспертизы и сделать это безотлагательно».
Характерно, что Айшервуд не забывает и о «всем человечестве», но на первое место ставит нужды военно-морского флота США. Далее он поясняет: «В отличие от европейских морских держав, владеющих колониями и базами с запасами топлива в разных районах земного шара, держав, которые следует рассматривать как потенциальных противников в будущих военных конфликтах, США не имеют ни того, ни другого. Поэтому в ходе военных действий вдали от своих берегов флот США может оказаться в крайне невыгодном стратегическом положении из-за отсутствия баз с топливными запасами. Позиции сторон будут в этом отношении уравнены, если военно-морские силы США получат двигатели нового типа. В этом случае наши крейсеры смогут проникнуть на самые удаленные акватории столь же просто, как и флоты тех стран, которые располагают там запасами топлива».
Из текста письма видно, что в стратегических проблемах главный инженер разбирался намного лучше, чем в энергетических. Однако известно, что президент Гартфильд слушал доклад об этом двигателе. Что было дальше и как развивались события, установить не удалось; но это и не так уж важно, поскольку «нулевой» конец всей истории был неизбежным. Следует отметить только, что редактор газеты «Канзас-Сити ревью», в которой была опубликована восторженная статья о моторе Гэмджи, прокомментировал ее так: «Практика в конечном счете покажет истинные достоинства этого изобретения».
Такая осторожность и уважение к эксперименту могут служить хорошим примером для некоторых современных редакторов, публикующих рекламные статьи о ppm-2.
В восточном полушарии тоже не прошли мимо возможности военного применения ppm-2. За два года до начала первой мировой войны (в 1912 г.) некий Гофман предложил свой проект вечного двигателя. Это был один из термомеханических вариантов ppm-2, хотя и сложный, но, естественно, как и другие, неработоспособный. Его автор принадлежал к числу теоретиков, которые не только изобретают ppm-2, но и подводят под свои идеи «научную» базу. С работами таких теоретиков мы уже встречались. Однако труд Гофмана не просто прославлял вечный двигатель. В нем явно отразился тот военно-патриотический дух, который в то время усиленно насаждался в Германии.
В небольшой брошюре, опубликованной в Лейпциге под названием «Теория перпетуум мобиле», Ф. Гофман писал о возможностях применения ppm-2 в военной авиации: «Сегодня в Германии не понимают важности создания вечных двигателей, уподобляясь скептикам, которые еще лет десять назад отрицали возможность появления летательных аппаратов тяжелее воздуха. Следствием этого неверия явилось то, что несколько лет назад в Реймсе французы и американцы доказали, что именно они, а не немцы являются нациями, лидирующими в воздухоплавании. Дай бог, чтобы благосклонная фортуна уберегла немцев от еще одного реймского позора. А ведь похоже на то, что до тех пор, пока американец Джон и француз Пьер не нагрянут в Гамбург или Берлин на кораблях, оснащенных вечными двигателями, немецкий Михель не очнется от летаргического сна».
Опасения Гофмана связаны с тем, что на международных соревнованиях 1909 г. в Реймсе немецкие самолеты оказались намного хуже американских и французских. Выход он видит в том, чтобы опередить будущих противников в применении ppm-2. Однако призыв Гофмана к военному использованию ppm-2 остался нереализованным.
Идеи о низкотемпературных термомеханических ppm-2 возникали еще не раз в самых различных модификациях. После Гэмджи и Триплера их разрабатывали Липпман (1900 г.), Сведберг (1907 г.) и многие другие. Выдвигаются подобные проекты и теперь.
В качестве примера можно привести машину Г. Джерсена, на которую был выдан патент США с приоритетом от 3.12.1981 г. [3.13].
Описание и иллюстрации в патенте сделаны очень путано (по-видимому, это интернациональная особенность всех изобретателей ppm-2) и с ошибками. Естественно также, что предлагаемое устройство не называется прямо вечным двигателем, а носит вполне благопристойное название «тепловая машина». Однако после расшифровки становится очевидным, что это типичный ppm-2, но несколько усовершенствованный.
Принципиальная схема машины Джерсена приведена на рис. 5.4. Она включает два контура, объединенных общим компрессором I. Первый из них, показанный сплошной линией, представляет собой классический тепловой насос. Давление циркулирующего в нем рабочего тела при сжатии в компрессоре повышается с р 1до р 2; одновременно возрастает и его температура. Горячее рабочее тело (аммиак или фреон [72]72
Фреонами (хладонами) называют группу веществ – галоидопроизводных предельных углеводородов, которые используются как рабочие тела холодильных и теплонасосных установок.
[Закрыть]в состоянии, соответствующем точке 2, поступает сначала в теплообменник V, где отдает теплоту Q 3, и затем дополнительно охлаждается в конденсаторе II. При этом от него отводится теплота Q 2. Жидкий хладагент дросселируется в вентиле III, в результате его давление снижается с p 2до р 1. При этом часть жидкости испаряется и ее температура падает. Холодная жидкость выкипает в испарителе IV при подводе извне теплоты Q 1.
Рис. 5.4. Принципиальная схема тепловой машины Г. Джерсена: I – компрессор; II – конденсатор; III – дроссельный вентиль; IV– испаритель; V– теплообменник: VI – турбина; VII – пусковой компрессор
Таким образом, действие машины приводит к отбору теплоты Q 1на низком температурном уровне от какого-либо теплоотдачика и выдаче теплоты Q 2на более высоком уровне. Изобретатель указывает, что можно использовать предлагаемое им устройство и как холодильную машину, и как тепловой насос. В первом случае теплота Q 1отбирается при низкой температуре Т 1< T О.С., а количество теплоты Q 2отдается при высокой температуре (от T 3до T 4) близко к T О.С.. Во втором случае теплота Q 1отбирается у окружающей среды при T О.С., a Q 2отводится при высокой температуре T 3> T О.С.. Здесь все пока правильно. Такие установки существуют и благополучно работают в качестве как холодильных, так и теплонасосных. Но, естественно, при одном условии: компрессор нужно приводить в движение посредством работы, подводимой извне. Но как обойтись без этого? Чтобы избежать получения работы извне (тогда не было бы никакого изобретения), Джерсен идет «классическим» путем, характерным для всех изобретателей ppm-2: он пытается обойтись «внутренними ресурсами». Тепловой насос сам должен обеспечить себя энергией для привода компрессора. Для этого и создается второй контур, обозначенный на рисунке штриховыми линиями. Он, собственно, состоит из одной турбины-двигателя VI, действие которой обеспечивается частью сжатого рабочего тела, отбираемого в точке 2 после компрессора. Расширяясь в турбине от давления р 2до давления р 1, оно производит определенную работу и возвращается после подогрева в теплообменнике V во всасывающую линию компрессора. По мысли изобретателя этой работы должно хватить и на то, чтобы вращать компрессор (работа L’), и на внешнего потребителя (работа L). Автор не забыл и о запуске установки, который делается от специального внешнего привода (на схеме он не показан) и компрессора VII. Все предусмотрено!
Если бы это «все» могло быть в действительности, то человечество получило бы двигатель, работающий только за счет теплоты, отводимой от окружающей среды. Мало того, этот двигатель дополнительно давал бы либо холод (если бы первый контур работал как холодильная машина), либо теплоту (если бы он действовал как тепловой насос). Но, увы, второй закон запрещает оба варианта. И в первом и во втором случае простой расчет показывает, что работы турбины не хватит даже на привод компрессора, не говоря уже о внешнем потребителе.
Энергетический баланс здесь, как и в любом приличном ppm-2, сходится, и нарушения первого закона нет.
Действительно, для этого необходимо только, чтобы Q 2= Q 1– L. Величины L' и Q 3в баланс не входят, так как они характеризуют внутреннюю передачу энергии от одной части установки к другой. Видно, что ничего невозможного (с точки зрения первого закона) в этом уравнении нет: сколько энергии с тепловым потоком поступает, столько с работой и теплотой отводится.
Эксергетический баланс двигателя Джерсена будет выглядеть по-разному в зависимости от режима.
Для режима теплового насоса
0 = E q+ L.
Эксергия теплоты Q 1, взятой от окружающей среды, равна нулю, и из него (нуля) получается у Джерсена и эксергия теплоты Q 2, даваемой тепловым насосом (E q= Q 2∙(T Г– T О.С.)/T Г)), и еще внешняя работа. Явно невозможная ситуация – эксергия теплоты и работа из ничего: КПД η eбыл бы равен бесконечности:
Для режима холодильной установки тоже 0 = E q+ L. Здесь опять же эксергия ниоткуда не поступает, но расходуется по двум направлениям. Во-первых, она отдается в виде «холода» (E q= Q∙(T Х– T О.С.)/T Х), так как приход теплоты при Т > T О.С.соответствует расходу эксергии (Q 1и E qимеют разные знаки, поскольку E q= (T Х– T О.С.)/T Х< 0). Во-вторых, эксергия отводится в виде работы L. Опять два полезных результата «из ничего» и бесконечно большой КПД!
Наряду с «холодными» ppm-2 разрабатывались и «теплые», предназначенные для работы только при температурах выше температуры окружающей среды. Источник энергии у них оставался тот же – «теплота окружающей среды». Их авторы опирались уже на традиции теплотехники. Некоторые из них тоже защищены авторскими свидетельствами или патентами [3.14]—[3.17].
Разберем один из них, наиболее характерный [3.14]. Автор (проф. А.Н. Шелест) назвал предложенный им двигатель «машиной будущего». Другое ее название – «машина атмосферного тепла» [3.17].
Схема машины показана на рис. 5.5. Она состоит из двух контуров. Первый, включающий в себя турбокомпрессор 1 и турбину 2, соединен на входе и выходе с атмосферой и запускается в работу пусковым электродвигателем, который на схеме не показан. Засасываемый в компрессор атмосферный воздух (при p О.С.и T О.С.) сжимается; температура его соответственно возрастает. В теплообменнике 3 горячий сжатый воздух охлаждается (в пределе – до исходной температуры), нагревая рабочее тело второго контура. После этого холодный сжатый воздух поступает в турбину 2, расширяется с отдачей внешней работы и выбрасывается в атмосферу. Поскольку температура перед турбиной близка к T О.С., температура отработанного расширенного воздуха Т за турбиной будет ниже температуры окружающей среды T О.С.. Развиваемая турбиной 2 мощность используется для привода компрессора 7, что позволяет уменьшить необходимую для работы компрессора мощность пускового электродвигателя. Таким образом, первый контур играет, по мнению А.И. Шелеста, роль теплового насоса, «перекачивая» теплоту из атмосферного воздуха на повышенный уровень температур T Г, используемый в теплообменнике 3.
Рис. 5.5. Схема «машины атмосферного тепла»
Второй контур представляет собой обычный теплосиловой цикл, в котором циркулирует какое-либо низкокипящее рабочее тело, испаряемое в теплообменнике 3 теплотой Q, поступающей из первого контура. Сконденсированное в конденсаторе 6 при температуре, близкой к T О.С., это рабочее тело подается насосом 5 через теплообменник в главную турбину 4, где расширяется, производя работу. Эта работа L при установившемся режиме отдается на привод первого контура (электродвигатель отключается), а оставшаяся часть идет на электрогенератор 7, производящий энергию W для внешнего потребления.
В результате за счет атмосферной теплоты производится электроэнергия. Затрата топлива (и электроэнергии, если не считать пусковой период) исключается.
Из этого описания видно, что предлагаемая «машина атмосферного тепла» представляет собой классический ppm-2 – «монотермический двигатель». Понимая, что тепловая машина не может произвести работу, не используя два температурных уровня, изобретатель пытается обойти второй закон, искусственно создавая этот другой, более высокий уровень посредством сочетания компрессора 1 и расширительной турбины 2. Но второй закон неизбежно себя проявляет: такой тепловой насос заберет всю работу, производимую в тепловом цикле, и никакого эффекта установка не даст; она просто вскоре после запуска остановится.
Проведем, пользуясь методом, описанным в гл.4, анализ энергетического и эксергетического балансов «машины атмосферного тепла». Начнем с энергетического баланса.
В установку (в компрессор 1) поступает атмосферный воздух. Количество вносимой им энергии (его энтальпию) обозначим Н 1. Эта энергия расходуется по трем статьям:
1) выносится с выходящим воздухом (энтальпия Н 2);
2) отдается в форме теплоты Q О.С.в окружающую среду через конденсатор 7;
3) отдается в виде полезной работы L электрогенератором 7. Тогда энергетический баланс будет иметь вид
H 1= H 2+ Q О.С.+ L.
Он никаких сомнений не вызывает: с точки зрения первого закона термодинамики все сходится.
Эксергетический баланс в отличие от энергетического будет включать только два члена – эксергию Е 2отводимого в атмосферу из турбины холодного воздуха и полезную работу L. Эксергия засасываемого из атмосферы воздуха Е 1= 0, так как его температура Т О.С.и давление Р О.С.соответствуют параметрам атмосферы. Точно так же равна нулю эксергия теплоты, отдаваемой через конденсатор в окружающую среду при ТО.С.. Эта теплота полностью неработоспособна. Следовательно, эксергетический баланс системы (если бы она работала) был бы таким:
0 ≥ L + E 2,
поскольку поступающая эксергия должна быть больше (или в идеале равной) выходящей. Иначе говоря, приходная часть баланса эксергии равна нулю, а расходная – сумме L + Е 2. Это означает, что «машина будущего», должна не только делать «из ничего» работу, но и давать холодный воздух, эксергия которого больше нуля, так как он, отличаясь по температуре от окружающей среды, обладает определенной работоспособностью.
