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.
В жидкость, залитую в сосуд Дьюара. помещены полупроводниковая термобатарея (левое плечо схемы) и омический нагреватель такой же мощности (правое плечо). Питание к ним подводится через крышку от аккумуляторной батареи и от сети. Присосы тепла извне исключены: оба спая термобатареи находятся внутри сосуда. При пропускании тока через правое плечо омический нагреватель - на нем выделяется ровно столько тепла, сколько подведено электроэнергии. При переключении питания на левое плечо - к термобатарее - при тех же показаниях приборов количество тепла устойчиво, во многих опытах в 2,2-2,5 раза превышало количество тепла, выделяемого на нагревателе!
Он в том, что теплоту не только нельзя соотносить с механической работой, но нельзя даже говорить о сравнении теплот, выделяемых, поглощаемых и передаваемых при разных температурах. Смешивать эти величины, деля их одну на другую, значит, уподобиться таким "специалистам", которые в приведенной выше гидравлической аналогии стали бы называть коэффициентом полезного действия не отношение энергий на выходе и на входе в турбонасосный агрегат, а отношение расходов воды в насосе и турбине!