УТИЛИЗАЦИЯ И РЕКУПЕРАЦИЯ ТЕПЛА

Не разобранное
Administrator
1 282
16-04-2017, 00:34
0

После решения проблемы освещения ("Электрик" 6/2002, с.13) хочется решить еще одну проблему - тепла, т.е. сделать тепло, если не бесплатным, то очень дешевым. В данной статье я хочу ознакомить читателей с некоторыми своими экспериментами, а также материалами из самиздата.

Прежде, чем говорить об утилизации и рекуперации тепла, нужно определить эти похожие понятия. Утилизация (использование) предполагает употребление тепла для различных целей. Рекуперация (возврат) указывает на возвращение тепла в жилое помещение, производственный процесс и т.д.

Сколько бы мы не совершенствовали теплогенераторы, как бы не теплоизолировали и герметизировали наши дома, все 100% произведенного тепла рано или поздно покинут жилое помещение. "Виноват" во всем процесс дыхания, требующий вентиляции. При вентиляции вместе с использованным воздухом наше жилье покидает также и тепло.

Идея хоть как-нибудь утилизировать выбросы тепла не нова. Простейшим устройством, позволяющим использовать уменьшение плотности газов при их нагревании, является давно известная дымовая труба. Этот, как говорят теплоэнергетики, неподвижный спрямитель осуществляет тягу в топке, что, в свою очередь, позволяет достичь большей температуры сгорания топлива. Примером вентиляции помещения является камин. Сегодня его ошибочно считают теплогенератором. Но теплогенератор из камина, прямо скажем, никудышный: по КПД это устройство занимает самое последнее место среди всех известных теплогенераторов.

Особенно актуальна идея утилизации тепла в металлургии. Более половины энергии, потребляемой промышленностью, и более трети добываемого угля направляется именно на нужды металлургии. Использовать тепло металлургических процессов для прогрева доменного дутья позволяют теплообменные аппараты. Такие устройства можно использовать и для рекуперации тепла в жилых помещениях [1]. Схема принудительной вентиляции с теплообменом между входящим и выходящим воздухом показана на рис.1. Электровентилятор прогоняет использованный воздух через теплообменник. При этом свежий воздух поступает в помещение прогретым. Чтобы увеличить степень этого прогрева, необходимо повысить давление выводимого наружу отработанного воздуха. Часто используемые для утилизации тепла газы (воздух, пар, дым) содержат различные загрязнения,

которые засоряют теплообменные аппараты. Для предотвращения этого опять-таки необходимо повышать давление газов, используемых для нагрева в теплообменнике. Осуществить такое можно с помощью дросселя - отверстия малого диаметра, препятствующего свободному продвижению газов. Повысив давление воздуха до 30-40 атм., можно нагреть его свыше 700°С. Свойство газов повышать свою температуру при сжатии используется в дизелях, кондиционерах, при сжижении газов и т.д.

Но применять дроссель для концентрации тепла энергетически нецелесообразно. Для повышения экономичности теплоутилизирующих и теплорекуперирующих устройств вместо дросселя необходимо применять детандеры, желательно на базе тангенциальной турбины (вихретурбины) - рис.2, где 1 - спиральный подвод газа, 2 - направляющий сопловой аппарат, 3 - ротор, 4 - отводной диффузор. По сути своей детандеры являются не чем иным, как пневмодвигателями, в которых газ, расширяясь, совершает работу и сильно охлаждается. Сегодня турбодетандеры используются там, где они почти незаменимы: для сжижения газа водорода, который при прохождении через дроссель не охлаждается, а, наоборот, нагревается.

Сегодня детандеры нагружают специально охлаждаемыми водой тормозами. Тепло образовавшегося кипятка утилизируют посредством градирни - вертикальной трубы очень большого диаметра (рис.3). В градирне тепло используется для охлаждения воды с помощью гиперконвекции атмосферного воздуха. Изобретены эти устройства сотни лет назад и сегодня уже морально устарели, заменяются более эффективными и компактными теплонасосами, позволяющими использовать малопотенциальное тепло на все 100%. Необходимо вспомнить также, что градирни являются одним из самых больших источников тепловых загрязнений атмосферы.

Если детандеры нагружать не тормозами, а компрессорами, электрогенераторами или использовать в качестве двигателей, то некоторую часть энергии, затраченную при сжатии газа, можно получить обратно, при этом эффективность теплообменных агрегатов возрастает.

Для экономии электроэнергии на теплонагреве возможно использование различных типов теплонасосов, но самый большой интерес представляют агрегаты, в которых рекуперация тепла сочетается с рекуперацией движения или электроэнергии. На рис.4 изображен теплорекуператор, исполняющий функции вентиляционной установки и теплогенератора. В качестверабочего тела используется воздух из вентилируемого и отапливаемого этой тепловой машиной помещения. Нагрузка (компрессор) распределяется с помощью дифференциала между электродвигателем и детандером. Водители знакомы с работой дифференциала в ведущем мосте автомобиля.

Конструкция агрегата турбонаддува, состоящего из компрессора и детандера, также известна многим. Использование турбонаддува в кондиционерах повысило их эффективность в 2 раза. Если применить турбонаддув в рекуператоре (рис.5), то надобность в дифференциале отпадет.

Но самой заманчивой является идея применения тангенциальной турбины-детандера для привода электрогенератора (рис.6). Рабочие обороты турбодетандера огромны (десятки и даже сотни тысяч оборотов в минуту), что позволяет использовать генераторы с большой удельной мощностью и КПД. При достаточно мощном рекуператоре на выходе из детандера можно получить переохлажденный воздух, что позволит применить электрогенераторы на сверхпроводниках. Сегодня сверхпроводники делают уже школьники [2]. Для этого спекают в течение 8 часов смесь оксидов иттрия, бария и меди в соотношении 1:2:3. Такой материал проявляет сверхпроводимость уже при температуре жидкого азота (77°К).

Сегодня, как никогда, важно задумываться над экономией тепло- и электроэнергии. Большую помощь в деле осуществления почти 100%-ной экономии окажут теплонасосы и рекуператоры на их базе. Применение этих устройств резко снизит потери электро- и теплоэнергии в наших домах. Но самое главное, рекуператоры существенно снизят вредные выбросы, которые уже сегодня ведут к непредсказуемым и катастрофическим изменениям в природе.

Литература