Тепловые насосы и штаны с обогревом

Дедал размышляет над проблемой теплой одежды. Нынешняя мода, судя по всему, предлагает решения, менее всего рассчитанные на сохранение тепла тела: минимальное количество тонкой, плотно облегающей одежды, что вряд ли пригодно для холодной погоды. Дедал нашел совершенно новый и термодинамически совершенный выход из положения: одежду с тепловым насосом. Если бы, к примеру, наши тонкие джинсы забирали тепло от окружающего воздуха, допустим при 10°С, и подводили его к телу при температуре 36°С, то эти джинсы были бы теплее любых самых экстравагантных меховых штанов. В то же время при такой скромной разности температур тепловой насос может перекачивать в виде тепла по меньшей мере в десять раз больше энергии, чем потребуется для его приведения в действие. Предлагаемое Дедалом устройство в значительной мере основывается на современных принципах капиллярно-волоконных теплообменников. Химики-технологи фирмы КОШМАР пытаются получить капиллярные волокна методом вибрирующей фильеры, добиваясь регулярного чередования перетяжек и сужений. Особый интерес представляют асимметричные перетяжки, которые могли бы играть роль клапанов одностороннего действия. Как только удастся получить капиллярное волокно с чередующимися сужениями и односторонними клапанами, его начнут производить в атмосфере паров фтористоуглеродных соединений. Внутри капилляра фтористоуглеродное соединение (которое, как рабочее тело теплового насоса, будет иметь оптимальную летучесть) частично сконденсируется.

Заполненное летучей жидкостью капиллярное волокно необходимо соткать в махровую ткань типа полотенечной. При достаточно аккуратном переплетении чередующиеся сужения и клапаны окажутся в плоскости основы, а петельки трубчатого волокна будут выступать по обе стороны ткани. Представьте теперь, что из этой ткани сшиты штаны. При малейшем движении их владельца волокна ткани будут изгибаться, изменяя тем самым внутренний объем каждой петельки наподобие манометрической трубки Бурдона. Соответственно каждая петелька станет действовать как крошечный перистальтический насос. Пары фтористоуглеродного соединения, содержащиеся внутри петельки на лицевой стороне, будут сжиматься и проходить через односторонний клапан в изнаночные петли, где произойдет их конденсация в жидкость, а тепло, соответствующее скрытой теплоте конденсации, перейдет на кожу человека. При обратном движении объем и лицевых петельках увеличится и жидкость из изнаночных петель станет перетекать через сужения в лицевые петли, где она вновь испарится, отбирая тепло от окружающей среды. Таким образом, любое движение хозяина этих необыкновенных брюк должно приводить в действие тепловой насос. На каждую калорию энергии механического движения тепловой насос может перекачивать до десяти калорий тепла. Штаны компании КОШМАР блестяще разрешат противоречие между удобством и модой. Самые обычные движении — ходьба или даже просто дыхание — будут прекрасно согревать человека, что позволит сэкономить много киловатт дорогостоящего центрального отопления. Более того, использование одежды с тепловым насосом может привести к совершенно неожиданным результатам, поскольку в этом случае при каждом движении тело человека получает больше энергии, чем расходует. К примеру, любители бега трусцой, нарядившись в новую одежду, рискуют набрать лишний вес!

New Scientist, February 28, 1980

Термодинамические принципы одежды с тепловым насосом. Производительность теплового насоса (отношение количества теплоты, переданной телу, к затраченной работе) в идеальном случае равна а=Т_вых/(Т_вых-Т_вх), где Т_вых и Т_вх — температуры соответственно на выходе и на входе насоса. Принимая Т_вых = 36°С = 309°К, Т_вх = 10°С = 283°К, получим а = 12,3 Дж/Дж. На практике это значение недостижимо, но даже и 10 Дж тепла на 1 Дж механической работы — это очень неплохо. В качестве рабочего тела, по-видимому, лучше всего использовать фреон-114 (дихлортетрафторэтан), который кипит при 4°С. Для полярной одежды, однако, больше подойдет хлортрифторэтилен (Т_кип = –28°С).

Изготовление волокна. В технологии химических волокон, как правило, единственным надежным советчиком может быть только опыт. Но, если повезет, резкий отброс фильеры назад даст на волокне сужение:

а при резком движении вперед получится односторонний клапан: 

При помощи пьезоэлектрических вибраторов можно добиться любого заданного движения фильер, так что желаемого результата наверняка удастся достичь.

Действие теплового насоса. Насколько эффективными окажутся «петельчатые» тепловые насосы? Боюсь, что эффективность их невелика — только резкое изгибание основы (на складках, крупных суставах и т. д.) приведет к существенному изменению объема лицевых петель. Лучше, пожалуй, ткать петельчатую ткань таким образом, чтобы каждая петелька имела излом; тогда при малейшем изгибе основы ткани излом будет перемещаться по петельке, превращая ее в настоящий перистальтический насос. Еще эффективнее может оказаться косое перемещение волокна, вызываемое трением ткани о кожу. Поскольку такие движения охватывают большую площадь, общее количество перекачиваемого тепла будет гораздо больше и к тому же распределится более равномерно. Неважно, что изломы будут перемещаться, открываться и закрываться совершенно произвольным образом: односторонние клапаны обеспечат перекачивание жидкости в требуемом направлении.

Еще одно достоинство. Мы инстинктивно потираем те участки тела, которые мерзнут. При этом лицевые петли ткани разглаживаются и действие теплового насоса становится особенно интенсивным. Соответственно это будет эффективно согревать обладателя такой одежды даже в сильный мороз[4]. Нужно отметить, что для экспериментальной проверки рассмотренной здесь идеи больше подойдут не брюки, а носки и перчатки, поскольку они защищают конечности, которые замерзают особенно быстро и вместе с тем наиболее подвижны.

Примечания:

4

К сожалению, проблема кпд теплового насоса до сих пор вызывает горячие споры (см., например, книгу [2], с. 268–275), кроме того, пережать капилляры простым трением руки, как предлагает Дедал, вряд ли возможно [3]. Инстинктивно потирая мерзнущие участки тела, едва ли можно пережать капилляр. — Прим. ред.