30 лет - ни да, ни нет

Через 13 лет француз Пельтье показал, что эффект Зеебека обратим: пропуская через цепь постоянный ток, можно получить нагрев одного спая и охлаждение другого, правда, весьма незначительные. Возникает мысль: нельзя ли усилить эффект проводников за счет их утолщения, снизив электрическое сопротивление? Однако при этом увеличивается тепловой поток от горячего спая к холодному, что ведет к выравниванию температур спаев и ослаблению эффекта Пельтье. Стало ясно: для создания достаточно мощных термоэлектрических устройств нужны материалы, которые при высокой электропроводности плохо проводили бы тепло. И они нашлись среди полупроводников. Термоэлектродвижущая сила в некоторых из них в сотни раз меньше, чем у металлов. В середине нашего столетия благодаря таким полупроводникам появились сравнительно дешевые термоэлектрические кондиционеры без движущихся частей, в которых перевод из охлаждающего режима в отопительный достигался простой переменой направления тока. Насколько экономичными оказались новые устройства? Чтобы ответить на этот вопрос, следует подробнее остановиться на критериях оценки эффективности тепловых машин вообще.

Трудно сказать, кто первым ввел в обиход понятие коэффициента полезного действия - КПД. Но так или иначе, эта величина оказалась на редкость удобной для оценки совершенства прежде всего простейших механизмов - рычагов, клиньев, винтовых и зубчатых передач, блоков и т. д. Все это преобразователи механической мощности. В идеале она оставалась бы неизменной, но реально, из-за трения деталей, частью теряется, превращаясь в теплоту. Отношение мощностей на выходе и на входе и есть КПД. Позднее его с успехом применили для оценки электрических и гидравлических машин. И здесь зависимость оставалась прежней - в идеальном случае КПД был равен единице.

Но в отношении тепловых машин универсальность понятия КПД оказалась сильно поколебленной: для тепловых двигателей, даже идеальных, он всегда меньше единицы и зависит от температур источника тепла и окружающей среды. А применительно к холодильным машинам и тепловым насосам КПД вообще утрачивает смысл. Разделив холодопроизводительность - теплоту, отводимую из холодильной камеры, - на электроэнергию, затраченную компрессором, получим величину, которая в зависимости от температур окружающей среды и холодильной камеры теоретически может изменяться от нуля до бесконечности! Назвать ее КПД ни у кого не повернулся язык, поэтому ей дали название холодильного коэффициента и с общего молчаливого согласия приняли: для холодильных машин понятие КПД неприменимо.

Гидравлическая аналогия четырех принципов отопления:

1. Отопление холодильной машиной. Поддерживать повышенный уровень воды в левом резервуаре можно за счет понижения уровня в правом резервуаре, из которого непрерывно откачивается вода. Откачка производится насосом, приводимым в действие гидротурбиной, питаемой водой из верхнего резервуара. При указанных на рисунке числах получается, что 1 кг воды, стекающей из верхнего резервуара в водоем.обеспечивает подачу 5 кг воды из правого резервуара в левый.

2. Отопление тепловым насосом. Забирая воду непосредственно из водоема, а не из резервуара с пониженным уровнем, как в предыдущем случае, можно существенно повысить производительность: на 1 кг воды, стекающей из верхнего резервуара в водоем, приходится уже 10 кг воды. подаваемой в правый резервуар.

3. Отопление электронагревателем. Заполняя резервуар водой непосредственно из верхнего резервуара, мы имеем самый расточительный способ поддержания уровня: если в предыдущих случаях отношения нагнетаемой воды к расходуемой составляет соответственно 5 и 10, то в этом случае оно всего-навсего 1.

4. Отопление термоэлектрическими элементами. Его можно уподобить работе эжектора, в котором каждый кг падающей с большой высоты воды присасывает из водоема еще 9 кг и вместе с ними поступает в резервуар.

Схема полупроводникового термоэлемента.

Если холодильный коэффициент может быть равным и нулю, и единице, и любой другой величине, то для тепловых насосов отношение теплоты на выходе к механической работе на входе всегда больше единицы и тоже может достигать бесконечно больших значений в зависимости от температур в отапливаемом помещении и на улице. Такое отношение уж и вовсе неудобно было называть КПД, и в теории тепловых насосов появился термин - коэффициент преобразования.

В чем же секрет пробуксовки понятия КПД в приложении к тепловым машинам?

Схема установки 1959 года, предложенная комиссией президиума АН СССР.