0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Как происходит преобразование тепловой энергии в электрическую

Как происходит преобразование тепловой энергии в электрическую

В пустынных регионах Республики Казахстан проблема снабжения населения и промышленных предприятий электроэнергией, теплом и пресной водой стоит очень остро. В этой связи разработка новых экологически чистых технологий преобразования энергии возобновляемых источников ориентированных также на производство пресной воды является весьма актуальной.

Целью работы является анализ существующих концепций производства воды из атмосферного воздуха и разработка комплексной технологии получения воды, электрической и тепловой энергии на основе преобразования энергии ветра.

Материал и методы исследования

Известно, что кубический метр атмосферного воздуха в зависимости от влажности содержит от 4 до 25 граммов водяных паров. Существующие ныне установки могут собрать в среднем около 20-30% от этого количества. Так как природа постоянно пополняет запасы воды в воздухе, устройства, производящие воду из атмосферного воздуха, не могут ничем навредить окружающей среде, если будут использованы возобновляемые источники энергии.

Современные технологии производства воды из воздуха можно разделить на конденсационные [6, 8] и адсорбционные [4, 5]. Конденсационные технологии основаны на охлаждении до температуры росы конденсационных блоков, на которых конденсируется влага из атмосферного воздуха. Эта технология требует энергетических затрат на охлаждение.

Адсорбционные технологии основаны на использовании специальных адсорбентов, которые способны притягивать влагу из воздуха. Эта технология требует дешевых адсорбентов и не нашла широкого практического применения.

В последние годы стали появляться технологии, использующие энергию ветра. Это ветроустановка Whisson Windmill австралийского изобретателя Макса Виссона, которая использует энергию ветра для сбора воды [7]. Технология этой ветростанции следующая: набегающий ветер вращает вертикальные ветродвигатели для производства электрической энергии, и далее попадает в кожух, в котором используется специальный охладитель, который охлаждает лопасти расположенные внутри кожуха. Лопасти расположены вертикально. Отработавший поток воздуха, попадая на охлажденные лопасти, конденсируется. В результате этого идет превращение водяного пара в воду.

Известна также технология преобразования энергии ветра для одновременного производства электричества и воды из воздуха [7]. Эта технология реализована в установке Eole Water. Набегающий поток воздуха приводит в движение ветроколесо установки, передающее момент вращения на генератор, который вырабатывает электроэнергию, часть которой идет для питания компрессора и других узлов для получения воды из атмосферного воздуха.

Недостатком этих технологий является необходимость затрачивать энергию на охлаждения конденсационных камер и питание компрессора.

Результаты исследования
и их обсуждение

Лабораторией инновационных технологий при институте прикладной физики и математики КазНПУ им.Абая разработана новая технология преобразования энергии ветра для производства электрической энергии, тепла и пресной воды. Она содержит операции преобразования энергии ветра посредствам ветродвигателя с генератором тока и извлечения воды из атмосферного воздуха, при этом дополнена операциями ускорения воздушного потока ветра перед подачей его к ветродвигателю и преобразования энергии потока воздуха в тепловую энергию и/или дополнительного вовлечения воздушных масс из окружающей атмосферы и/или с поверхности соленых водоемов, при этом извлечение воды из воздуха осуществляется при помощи вихревого эффекта и/или адсорбентов.

Ускорение воздушного потока ветра осуществляется при помощи параллельно-последовательных систем конфузоров и диффузоров. Системы конфузоров и диффузоров могут иметь как линейную, так и пространственную конфигурацию.

Дополнительное вовлечение воздушных масс из окружающей атмосферы и/или с поверхности соленых водоемов осуществляется при помощи инжекции и вакуума и используется для дополнительной выработки электрической энергии.

Извлечение воды из воздуха при помощи вихревого эффекта осуществляется посредствам вихревых труб, в которых воздушный поток разделяется на горячий поток для технологических нужд и холодный поток для охлаждения конденсационных блоков. Извлечение воды из воздуха при помощи адсорбентов, которыми покрывают специальные блоки, осуществляется в диффузоре, а в качестве адсорбентов используются хлориды лития и/или кальция.

Ускорение воздушных потоков ветра осуществляется при помощи конфузоров, в которых происходит завихрение и повышение скорости, что приводит к возрастанию кинетической энергии. Это позволяет повысить эффективность преобразования энергии ветра. Аналогом этого процесса являются природные вихри (торнадо и смерчи), механизм концентрации кинетической энергии в которых в упрощенной форме представлен в работах [1, 2].

Следующей положительной особенностью предлагаемой технологии преобразования энергии ветра является использование вихревого эффекта. Известно, что при организации вихревого потока воздушных масс, например в вихревой трубе, происходит разделение вихревого потока воздуха на горячий периферийный и холодный внутренний [3]. Горячий периферийный можно использовать как тепловую энергию для отопления или иных технологических нужд. При этом холодный внутренний поток при определенных технологических параметрах потока и конструкции вихревой трубы будет обеспечивать конденсацию содержащихся в воздухе водяных паров. Кроме того подача холодного воздуха через конденсационные блоки обеспечит дополнительную конденсацию воды из окружающего атмосферного воздуха вовлеченного в технологический процесс за счет инжекции и вакуума. Это позволит повысить эффективность получения пресной воды из потоков ветра и окружающего установку воздуха без дополнительных энергетических затрат.

Технология преобразования энергии ветра для производства электрической энергии, тепла и пресной воды осуществляется следующим образом.

Потоки ветра направляются в заборные окна, которые могут располагаться по окружности вокруг вакуумной зоны для обеспечения работы установки при изменении направления ветра и попадают в системы конфузоров, в которых воздушные потоки ускоряются и концентрируются на инжекторе вакуумной зоны, создавая в ней разряжение. Это приводит к интенсивному всасыванию воздушных масс из окружающей среды при помощи специальных сборников, которые направляют эти потоки по касательным траекториям на лопасти первого ветродвигателя соединенного с генератором тока для выработки электрической энергии. Вращение этого ветродвигателя осуществляется за счет энергии потока всасываемых воздушных масс и возникающего в центре зоны вакуума, за счет которого значительно снижается сопротивление вращению ротора ветродвигателя.

Сконцентрированные ускоренные потоки ветра из конфузоров соединяются с завихренными потоками воздуха из вакуумной зоны и попадают в дополнительный воздуховод, выполненный из последовательных конфузоров и диффузоров в виде сопел Лаваля. В этом воздуховоде воздушные массы дополнительно ускоряются и воздействуют на вторую ветряную турбину. Известная авторам конструкция этой турбины такова, что позволяет преобразовывать поступательное движение воздушных масс в вихревое движение на выходе из турбины. Вращательное движение ротора этой турбины передается второму генератору тока. Далее отработанные массы воздуха за счет конструкции турбины концентрируются в центральной зоне и подвергаются интенсивному завихрению и направляются в вихревую камеру (вихревую трубу). В вихревой камере воздушные потоки за счет вихревого эффекта разделяются на два потока. Внутренний поток насыщается влажными парами и охлаждается. Он направляется в специальные конденсационные блоки и, охлаждая их до точки росы, обеспечивает конденсацию влаги из окружающего воздуха на их наружных поверхностях. Далее этот поток направляется в диффузор, где размещаются блоки покрытые адсорбентом, которые адсорбируют влагу. Сконденсированная и адсорбированная вода собирается и стекает по направляющим в специальные накопители пресной воды.

Наружные потоки воздуха в вихревой трубе за счет вихревого эффекта нагреваются и по известным технологиям используются для нагрева воды или отопления помещений.

Таким образом, предлагаемая технология позволяет преобразовывать энергию ветра в электрическую и тепловую энергию и без дополнительных энергетических затрат производить питьевую воду из атмосферного воздуха.

Технология может использоваться как отдельно для производства электрической энергии или тепла или пресной воды, так и в комплексе в зависимости от нужд потребителя.

Кроме того, предложенная технология может использоваться для опреснения морской воды. В этом случае вакуумная зона располагается непосредственно над поверхностью соленого водоема, обеспечивая интенсивное испарение воды с этой поверхности. При этом получаемое тепло может использоваться для нагрева соленой морской воды отведенной в специальные емкости. Это позволит повысить производительность технологии.

Также эта технология может быть использована там, где пресная вода в реках и озерах сильно загрязнена вредными веществами (промышленными отходами, гербицидами и т.п.) и потому не пригодна для питья.

Следует отметить, что вариантов конструкций реализующих предлагаемую технологию может быть много. Кроме энергии ветра возможно также использование тепловой энергии солнца, а при опреснении морской воды возможно использование энергии волн. Преимущества предлагаемой технологии в экологической безопасности, возможности работать на малых скоростях ветра и широком диапазоне энергетической мощности и производительности воды. В настоящее время изготавливается опытный образец одного из вариантов устройства для реализации описанной технологии.

Как происходит преобразование тепловой энергии в электрическую

Непосредственное преобразование тепловой энергии в электриче­скую можно осуществить, используя явления в контакте двух метал­лов или полупроводников, где действуют сторонние силы, которыми обусловлена диффузия заряженных частиц.

Принцип преобразования тепловой энергии в электрическую.

Величина контактной разности потенциалов зависит не только от свойств контактирующих материалов, но и от температуры контакта, так как с температурой связаны энергия свободных электронов и их концентрация.

Рассматривая замкнутую цепь из двух разных металлов (рис. 1а), можно убедиться в том, что при одинаковой темпера­туре контактов 1 и 2 электрический ток в цепи не получится, так как контактные разности потенциалов, определяемые формулой

в обоих контактах одинаковы, но направлены в противоположные сто­роны по цепи:

Если один из контактов, например 1, нагреть (t1 > t2), то равнове­сие нарушится — в контакте 1 появится дополнительный скачок потенциала, связанный с нагревом. В этом случае Uk1 > UK2. В цепи образуется термоэлектродвижущая сила (термо-э. д. с.), абсолютное значение которой пропорционально разности температур контактов:

где Е — величина, зависящая от свойств металлов, образующих контакт.

Рисунок 1 . а) замкнутая цепь из двух разных металлов, б) цепь с измерителем термо-э. д. с.

Таким образом, термо-э. д. с. возникает в цепи, состоящей из раз­ных металлов, при разной температуре мест соединения.

Термо-э. д. с. в рассматриваемой цепи поддерживается благодаря нагреванию спая 1, т. е. при постоянном расходе тепловой энергии. В свою очередь, термо-э. д. с. является причиной электрического тока.

Однако концентрация свободных электронов в металлах велика и при переходе из одного металла в другой меняется очень мало. В связи с этим контактная разность потенциалов оказывается незначитель­ной и мало зависит от температуры. По этой причине металлические термоэлементы имеют очень малые э. д. с. (в спае платины и железа — 1,9 мВ при разности температур горячего и холодного спаев 100° С), а к. п. д. их не превышает 0,5%. Такие термоэлементы применяют для измерения температур (термопары).

Для этого в цепь термопары включается измеритель термо-э. д. с. — милливольтметр (рис. 1, 6). Термопара в этом случае является источником электрической энергии, а измерительный прибор — приемником.

Кроме контакта 1 основных металлов термопары между собой образуются контакты их с соединительными проводами (Рис. 1 – 2, 3). В этих контактах тоже имеются контактные разности потенциалов, но они не изменяют термо-э. д. с., если их температура поддерживается одинаковой.

При наличии произвольного числа контактов разных металлов сумма контактных разностей потенциалов в замкнутой цепи остается равной нулю, если все контакты имеют одинаковую температуру. В этом можно убедиться, составив уравнение, аналогичное вышеприведенному. Независимо от числа контактов, термо-э. д. с. пропорциональна разности температур более нагретого контакта и всех других контактов, находящихся при одинаковой температуре.

Рисунок 2. n,p- полупроводники.

В отличие от металлов, в полупроводниках при увеличении температуры сильно увеличиваются концентрации свободных электронов и дырок. Это свойство полупроводников позволяет получить более высокие термо-э. д. с. (до 1 мВ на 1° С разности температур) и к. п. д. термоэлементов до 7%.

Полупроводниковый термоэлемент состоит из двух полупроводников (п и р на рис. 2). Один из них имеет электронную, а другой дырочную электропроводность. При нагревании полупроводников в месте соединения их металлической пластинкой сильно увеличивается концентрация свободных носителей заряда. Поэтому в полупроводниках возникает диффузия их от горячего конца к холодному. В полупроводнике с электронной электропроводностью к холодному концу перемещаются электроны, в результате чего этот конец заряжается отрицательно. В другом полупроводнике к холодному концу перемещаются дырки, образуя положительный заряд. Возникшая разность потенциалов противодействует диффузии, и при некотором значении ее устанавливается равновесие сил электрического поля и сторонних сил, под действием которых идет процесс диффузии носителей заряда. Эта разность потенциалов и является термо-э. д. с. полупроводникового термоэлемента.

Если к холодным концам полупроводников подключить токопроводящий элемент, например, резистор, то образуется замкнутая цепь и электрический ток в ней.

Преобразование энергии Солнца в тепловую энергию

Солнечный коллектор – установка для прямого преобразования энергии Солнца в тепловую энергию. Принципы солнечного отопления известны на протяжении тысячелетий – люди нагревали воду при помощи Солнца до того, как ископаемое топливо заняло лидирующее место в мировой энергетике.

Солнечный коллектор – наиболее известное приспособление, непосредственно использующее энергию Солнца, они были разработаны около двухсот лет назад. Самый известный из них – плоский коллектор – был изготовлен в 1767 году швейцарским ученым по имени Гораций де Соссюр. Позднее им воспользовался для приготовления пищи сэр Джон Гершель во время своей экспедиции в Южную Африку в 30-х годах ХIX века.

Типы солнечных коллекторов

Прямоточный вакуумированный трубчатый солнечный коллектор

В каждую вакуумированную трубку встроен медный поглотитель с гелиотитановым покрытием, гарантирующим высокий уровень поглощения солнечной энергии и малую эмиссию теплового излучения. Вакуумированное пространство позволяет практически полностью устранить теплопотери. На поглотителе установлен коаксиальный трубчатый прямоточный теплообменник, выходящий в коллектор. Протекающий через него теплоноситель забирает тепло от поглотителя. К преимуществам этой системы можно отнести непосредственную передачу тепла воде, что позволяет сократить теплопотери. Так как полный коэффициент потерь в вакуумном коллекторе мал, теплоноситель в нем можно нагреть до температур 120-160°С.

Вакуумированный трубчатый солнечный коллектор с тепловой трубкой

Конструкция вакуумированного трубчатого коллектора с тепловой трубкой похожа на конструкцию термоса: одна стеклянная/металлическая трубка вставлена в другую большего диаметра. Между ними – вакуум, который представляет собой отличную теплоизоляцию. Благодаря ему потери на излучение, особенно заметные при повышенных температурах нагреваемой воды, очень низкие. В каждую вакуумированную трубку встроена медная пластина поглотителя с гелиотитановым покрытием, гарантирующим высокий уровень поглощения солнечной энергии и малую эмиссию теплового излучения. Под поглотителем установлена тепловая труба, заполненная испаряющейся жидкостью. С помощью гибкого соединительного элемента тепловая труба подсоединена к конденсатору, находящемуся в теплообменнике типа “труба в трубе”. Соединение относится к так называемому “сухому” типу, что позволяет поворачивать или заменять трубки и при заполненной установке, находящейся под давлением. Наиболее важное преимущество вакуумированного коллектора с тепловой трубкой заключается в том, что он способен работать при температурах до -30°С (коллекторы со стеклянными тепловыми трубками) или даже до -45°С (коллекторы с металлическими тепловыми трубками).

Читать еще:  Как утеплить крышу
Принцип действия

Принцип действия плоского солнечного коллектора

Солнечный свет проходит через остекление и попадает на поглощающую пластину, которая нагревается, превращая солнечную радиацию в тепловую энергию. Это тепло передается теплоносителю – воде или антифризу, циркулирующему через солнечный коллектор. Теплоноситель нагревается и отдает затем тепловую энергию через теплообменник воде в емкостном водонагревателе. В нем горячая вода находится до момента ее использования. Также в емкостном водонагревателе можно установить электрическую вставку, чтобы в случае понижения температуры ниже установленной (например, из-за продолжительной пасмурной погоды) она догревала воду до заданной температуры.

Принцип действия прямоточного вакуумированного солнечного коллектора

Солнечная радиация проходит сквозь вакуумированную стеклянную трубку, попадает на поглотитель и превращается в тепловую энергию. Тепло передается жидкости, протекающей по коаксиальному трубчатому прямоточному теплообменнику. Каждая трубка теплообменника соединена с накопительным баком так называемым “коллектором” – системой из 2 медных труб. По одной из них нагретая вода передается в бак-накопитель, по другой – холодная вода из бака-накопителя поступает на нагрев в вакуумированные трубки.

Принцип действия вакуумированного солнечного коллектора с тепловой трубкой

Это более сложный и более дорогой тип коллектора. Тепловая трубка – это закрытая медная/стеклянная трубка с небольшим содержанием легкокипящей жидкости. Под воздействием тепла жидкость испаряется и забирает тепло вакуумной трубки. Пары поднимаются в верхнюю часть, где конденсируются и передают тепло теплоносителю основного контура водопотребления или незамерзающей жидкости отопительного контура. Конденсат стекает вниз, и все повторяется снова. Приемник солнечного коллектора медный с теплоизоляцией. Передача тепла происходит через медную “гильзу” приемника, благодаря этому отопительный контур отделен от трубок, и при повреждении одной трубки коллектор продолжает работать. Отдельную трубку можно заменить в случае необходимости, коллектор при этом продолжает функционировать. Процедура замены трубок очень проста, при этом нет необходимости сливать незамерзающую жидкость из контура теплообменника.

Сколько стоит теплота или как вас нагреть?

Языков Александр Андреевич

Системы обеспечения внутреннего микроклимата и горячего водоснабжения современных зданий и сооружений явля­ются потребителями большого количества тепловой энергии.

Тепловая энергия получается при ра­боте основных элементов систем теплоснабжения — генераторов теплоты.

Генераторы теплоты преобразуют раз­личные виды топлива в тепловую энергию в результате химической ракции горения. Для получения тепловой энергии исполь­зуется и прямое преобразование элек­трической энергии в тепловую. Для этой цели применяются системы как с проме­жуточным теплоносителем, так и системы прямого электрического обогрева (ПЭО). Независимо от конструкции и вида гене­раторов теплоты, системы обеспечения микроклимата должны в первую очередь обеспечивать требуемые санитарно-метеорологические параметры внутренней среды: внутреннюю температуру воздуха и температуру на поверхностях наружных и внутренних ограждений, влажность и подвижность воздуха.

Это требование является первым и основным, предъявляемым к системам обеспечения внутреннего микроклимата. Вторым требованием является экономиче­ское. Системы обеспечения микроклимата должны обеспечивать первое требование при оптимальной стоимости самой си­стемы и минимальных эксплуатационных затратах. Основную часть эксплуатацион­ных затрат составляет стоимость топлива, расходуемого в течение отопительного периода. При выборе систем обеспечения параметров внутреннего микроклимата, особенно при выборе систем отопления, приходится рассматривать влияние мно­гих факторов: наличие централизованного источника тепловой энергии, доступность конкретного вида топлива, экологические аспекты, проектно-архитектурные реше­ния, объем строящегося здания и финан­совые возможности. Но в любом случае нельзя менять местами рейтинговый по­рядок требований.

Для предварительной оценки эксплуа­тационных затрат предлагаем результаты расчета стоимости тепловой энергии в размере 1 Гкал, полученной от сжигания различных видов топлива, и применения электрической энергии для отопления в условиях города Хабаровска (продолжи­тельность отопительного сезона 205 суток, наружная расчетная температура в зимний период минус З1°С, средняя температура за ото­пительный период минус 10°С, внутренняя температура плюс 20°С). Стоимость тепловой и электрической энергии (с НДС) на четвер­тый квартал 2002г. определена решением региональной энергетической комиссии Хабаровского края от 01.12.2002 г.

В таблице приведена относительная стоимость в процентах по отношению к стоимости одной Гкал для жилищных организаций всех форм собственности 912 руб/Гкал.

Сравнительный анализ показывает, что выгодно использовать твердое топливо-уголь. Однако недостатки твер­дотопливных котлов обусловлены необ­ходимостью в течение суток постоянно следить за топочной камерой и вручную загружать топливо, производить «шуровку» горящего слоя, уборку золы. Необходимо иметь запас топлива в значительных объ­емах, иметь площадки для хранения, осу­ществлять доставку, разгрузку и загрузку в котел. Комбинированные котлы на два и более видов топлива стоят дороже и име­ют уменьшенный объем топочной камеры, неприспособленной к сжиганию низкока­лорийных углей. Переход с одного топлива на другое происходит в ручном режиме, то есть необходимо присутствие человека. В пределах действия центральных тепло­вых сетей однозначно выгодно получать тепловую энергию от ТЭЦ. Экономически невыгодно использовать электроэнергию для отопления. Стоимость тепловой энер­гии, полученной в электрокотлах любой конструкции, превышает стоимость те­плоты от ТЭЦ в 4 раза. Энергетическую эффективность использования электро­энергии для выработки теплоты можно оценить по показателю вида:

где m — коэффициент преобразования энергии;

h — эффективность системы.

Расход топлива на выработку электро­энергии на тепловых электростанциях оценивается показателем эффективности h = 0,38. Потери в электросетях можно принять в пределах 8%, тогда h лэп = 0,92, а фактические потери в тепловых сетях 20% ( h тс = 0,8). Эффективность расхода топлива в котельных установках определяют h = 0,85. Коэффициент преобразования электриче­ской энергии в тепловую для прямого на­грева в электрическом котле максимально может быть равен h = 1. При таких условиях Эт = 0,51, что свидетельствует об энергети­ческой неэффективности использования электрической энергии для отопления зда­ний и сооружений. Для Эт= 1, коэффициент преобразования h должен быть больше 2. К сожалению, все электрокотлы имеют h 1 — это тепловые насосы с h до 10.

Несколько слов об установке «ЮСМАР». Установка «ЮСМАР» предлагается как генератор теплоты, причем как генера­тор с h = 1,859. Принцип работы (по трактов­ке авторов) основан на извлечении энергии из вращающейся воды, энергии вихря. При этом физико-химические процессы, вплоть до образования озона (по трактовке авто­ров), преподносятся как необъяснимые.

Установка состоит из насоса, приводи­мого в действие асинхронным двигателем, теплогенератора, бака, гидроаккумулятора или теплообменника, и системы потребле­ния теплоты (отопления). Теплогенера­тор—это труба, к которой тангенциально подводится вода. Поток воды закручивает­ся внутри, образуя вихрь с «замечательны­ми свойствами», т. е. с температурой воды на выходе из одного торца трубы 80—90°С. С противоположной стороны выходит по­ток с более низкой температурой. При этом бездоказательно дается утверждение, что на 1 кВт подводимой к насосу энергии «теплогенератор» выдает 1,859 кВт.

Эффект энергетического разделения рабочих сред в вихревых трубах известен в технике по имени авторов Ранка-Хилша. Наиболее исследован процесс энергети­ческого разделения газов. Он использует­ся для охлаждения воздуха до температур от минус 5 °С до минус 30°С и ниже. Вихревые хо­лодильники очень компактны. Они нашли применение в машиностроении, медицине, авиации и т. д.

В вихревой трубе образуется не один вихрь, а два. Первый, так называемый «внешний», движется вдоль огибающей стенки трубы, а второй, «внутренний», осевой имеет противоположное направ­ление. Вихри вращаются водном направ­лении, но их скорости вращения разные. «Внутренний» вихрь выходит из трубы через так называемую диафрагму — он холодный. Охлаждение части воздуха осуществляется за счет адиабатного (без теплообмена с окружающей средой) внезапного расширения газа. «Внешний» вихрь выходит с противоположного торца трубы нагретым. Нагрев осущест­вляется за счет трения на границе двух воздушных потоков, имеющих различную скорость вращения.

Калориметрические испытания вихревого холодильника подтверждают основные законы физики: закон сохране­ния массы и закон сохранения энергии. При этом КПД вихревого холодильника составляет 22—25%.

При применении несжимаемой жид­кости в качестве рабочего тела в вихре­вой трубе гидродинамика течений та же: «внешний» вихрь и «внутренний» вихрь. В отличие от газового, внутренний водяной вихрь вращается по законам абсолютно «твердого» тела, как стержень, без особого изменения внутренней энергии. При чем скорость его вращения на несколько порядков больше скорости вращения «внешнего» вихря. На границе контакта слоев происходит переход кинетической энергии внутреннего вихря в потенциаль­ную: механическая энергия вращающегося «водяного стержня» переходит в тепловую. Жидкость во «внешнем» вихре нагревается. При этом происходят естественные потери энергии. Этот процесс добывания теплоты известен очень давно.

Принцип преобразования механиче­ской энергии в тепловую используется и в конструкциях называемых ПАНы —печи аэродинамического нагрева. Коэффициент эффективности использования энергии в установках ПАН п. = 0,8. На конструкции ПАН выдано множество патентов и авто­рских свидетельств.

Испытания вихревого преобразова­теля на воде не подтверждены ни одним отчетом по НИР и ОКР. Авторы ссылаются на ряд патентов, но надо различать па­тенты, в которых отражаются приорите­ты на открытия, способы и конструкция. Согласитесь, что устройство, в котором на 1 кВт подводимой энергии реализуется 1,859 кВт, может претендовать на Нобелев­скую премию.

Как осуществляется производство (генерация) электрической энергии?

Производство (Генерация) электроэнергии — это процесс преобразования различных видов энергии в электрическую на индустриальных объектах, называемых электрическими станциями. В настоящее время существуют следующие виды генерации:

Тепловая электроэнергетика . В данном случае в электрическую энергию преобразуется тепловая энергия сгорания органических топлив. К тепловой электроэнергетике относятся тепловые электростанции (ТЭС), которые бывают двух основных видов:

Конденсационные ( КЭС , также используется старая аббревиатура ГРЭС). Конденсационной называют не комбинированную выработку электрической энергии;

Теплофикационные (теплоэлектроцентрали, ТЭЦ ). Теплофикацией называется комбинированная выработка электрической и тепловой энергии на одной и той же станции;

КЭС и ТЭЦ имеют схожие технологические процессы. В обоих случаях имеется котёл , в котором сжигается топливо и за счёт выделяемого тепла нагревается пар под давлением. Далее нагретый пар подаётся в паровую турбину , где его тепловая энергия преобразуется в энергию вращения. Вал турбины вращает ротор электрогенератора — таким образом энергия вращения преобразуется в электрическую энергию, которая подаётся в сеть. Принципиальным отличием ТЭЦ от КЭС является то, что часть нагретого в котле пара уходит на нужды теплоснабжения;

Ядерная энергетика . К ней относятся атомные электростанции (АЭС). На практике ядерную энергетику часто считают подвидом тепловой электроэнергетики, так как, в целом, принцип выработки электроэнергии на АЭС тот же, что и на ТЭС. Только в данном случае тепловая энергия выделяется не при сжигании топлива, а при делении атомных ядер в ядерном реакторе . Дальше схема производства электроэнергии ничем принципиально не отличается от ТЭС: пар нагревается в реакторе, поступает в паровую турбину и т. д. Из-за некоторых конструктивных особенностей АЭС нерентабельно использовать в комбинированной выработке, хотя отдельные эксперименты в этом направлении проводились;

Гидроэнергетика . К ней относятся гидроэлектростанции (ГЭС). В гидроэнергетике в электрическую энергию преобразуется кинетическая энергия течения воды. Для этого при помощи плотин на реках искусственно создаётся перепад уровней водяной поверхности (т. н. верхний и нижний бьеф). Вода под действием силы тяжести переливается из верхнего бьефа в нижний по специальным протокам, в которых расположены водяные турбины, лопасти которых раскручиваются водяным потоком. Турбина же вращает ротор электрогенератора. Особой разновидностью ГЭС являются гидроаккумулирующие станции (ГАЭС). Их нельзя считать генерирующими мощностями в чистом виде, так как они потребляют практически столько же электроэнергии, сколько вырабатывают, однако такие станции очень эффективно справляются с разгрузкой сети в пиковые часы;

Альтернативная энергетика . К ней относятся способы генерации электроэнергии, имеющие ряд достоинств по сравнению с «традиционными», но по разным причинам не получившие достаточного распространения. Основными видами альтернативной энергетики являются:

Ветроэнергетика — использование кинетической энергии ветра для получения электроэнергии;

Гелиоэнергетика — получение электрической энергии из энергии солнечных лучей;

Общими недостатками ветро- и гелиоэнергетики являются относительная маломощность генераторов при их дороговизне. Также в обоих случаях обязательно нужны аккумулирующие мощности на ночное (для гелиоэнергетики) и безветренное (для ветроэнергетики) время;

Геотермальная энергетика — использование естественного тепла Земли для выработки электрической энергии. По сути геотермальные станции представляют собой обычные ТЭС, на которых источником тепла для нагрева пара является не котёл или ядерный реактор, а подземные источники естественного тепла. Недостатком таких станций является географическая ограниченность их применения: геотермальные станции рентабельно строить только в регионах тектонической активности, то есть, там, где естественные источники тепла наиболее доступны;

Водородная энергетика — использование водорода в качестве энергетического топлива имеет большие перспективы: водород имеет очень высокий КПД сгорания, его ресурс практически не ограничен, сжигание водорода абсолютно экологически чисто (продуктом сгорания в атмосфере кислорода является дистиллированная вода). Однако в полной мере удовлетворить потребности человечества водородная энергетика на данный момент не в состоянии из-за дороговизны производства чистого водорода и технических проблем его транспортировки в больших количествах;

Стоит также отметить альтернативные виды гидроэнергетики : приливную и волновую энергетику. В этих случаях используется естественная кинетическая энергия морских приливов и ветровых волн соответственно. Распространению этих видов электроэнергетики мешает необходимость совпадения слишком многих факторов при проектировании электростанции: необходимо не просто морское побережье, но такое побережье, на котором приливы (и волнение моря соответственно) были бы достаточно сильны и постоянны. Например, побережье Чёрного моря не годится для строительства приливных электростанций, так как перепады уровня воды Чёрном море в прилив и отлив минимальны.

Читать еще:  Что такое электрический ток

Вихре-колебательный тепловой насос

Одним из устройств по экстракции низкопотенциальной тепловой энергии окружающей среды является известный тепловой насос. Тепловой насос отбирает низкопотенциальную энергию от окружающей среды и передает ее потребителю (процесс такой, как показано на фиг. 2). В приемном преобразователе (тепловой приемник) теплового насоса с помощью компрессора и других устройств создаются физические условия, когда рабочее тело (фреон, хладон) испаряется, при этом создает потенциальную яму (область с температурой ниже, чем имеет окружающая низкопотенциальная среда).Эта область забирает тепловую энергию из низкопотенциальной окружающей среды. Затем рабочее тело переноситься компрессором в передающий преобразователь (тепловой нагреватель). По пути, с помощью повышения давления газа, делается изменение физического состояния рабочего тела (см. уравнение Менделеева-Клайперона). Благодаря этому рабочее тело конденсируется и при этом выделяет тепловую энергию, которая отдается потребителю. Чтобы этот процесс происходил, надо создать температуру в приемном преобразователе ниже окружающей холодной среды, а в передающем преобразователе – выше, чем имеется у потребителя. Для поддержания этого процесса используется энергия от внешнего источника энергии (от электросети). Выгода потребителя заключается в том, что он платит только за электроэнергию, а получает тепловую энергию, равную сумме энергий от сети и тепловой энергии от окружающей среды. Тепловая энергия от окружающей среды получается «даром» и может в несколько раз превышать величину электрической энергии, необходимой для поддержания процесса. Общепринятое название этого устройства – тепловой насос (подразумевается качание тепловой энергии из окружающей среды) – камуфлирует физический процесс происходящего. Это устройство является усилителем мощности (усиливает энергию от сети благодаря структуре устройства и поступления в устройство внешней энергии от окружающей среды). Коэффициент усиления энергии (отношение полученной тепловой мощности к электрической энергии внешнего источника) составляет 2-4 раза. Таким образом, за полученную тепловую энергию потребитель платит в 2-4 раза меньше, чем он платил бы при прямом преобразовании электрической энергии в тепло.

Термоакустический тепловой насос

В последнее десятилетие сделаны серьезные попытки поиска других способов и устройств для экстракции низкопотенциальной тепловой энергии окружающей среды. Было обнаружено, что в акустических волнах высокой интенсивности образуются зоны с низкой и высокой температурой и между ними возможен перенос энергии. Это процесс аналогичен тепловому насосу. Эти устройства назвали термоакустическими тепловыми насосами.

NASA Ames Research Center/What is an Orifice Pulse Tube Cooler.htm

Вихревой тепловой насос

Известно, что вихревая трубка Ранка-Хилша разделяет входящий в нее воздух на холодный и горячий.

Univ.-Prof. Dr.sc.techn. Jürgen U. Keller
«Optimal Design of the Ranque-Hilsch Vortex Tube» Y. Soni and W.J. Thomson Transactions of the ASME
Journal of Heat Transfer pp 316-317, May 1975
«Build a Vortex Tube» The Amateur Scientist Scientific American, November 1958
«The heat pump in a vortex tube» B. Ahlborn, J.U. Keller and E. Rebhan Journal of Non Equilibrium Thermodynamics Vol 23, pp159-165 (1998)

Prof. Dr. J. U. Keller и Prof. Boye K. Ahlborn решили использовать этот эффект для экстрагирования низкопотенциальной тепловой энергии атмосферы.

Проводятся работы по экстракции энергии из окружающей среды с помощью вихревого движения: д.т.н. Кушин В.В., проф. Г.И. Кикнадзе, к.т.н. Савченко А.М., д.т.н. Шарков В.Ф., к.т.н. Серебряков Р.А., David Dennard, Klem, Jean-Louis Naudin, Harald Kautz-Vella и многими другими.

2. Наши научные результаты

2.1.Разрабатывается теория и общие принципы экстракции низкопотенциальной энергии.

2.2. Разработан способ генерации вихря в текучей среде с помощью только колебаний специальной формы (Know How).

Вихревое движение является одним из наиболее перспективных направлений. Но вихри в известных устройствах создаются с помощью вращения различных тел, компрессора и т.п. Коэффициент полезного действия этих приводов не велик. Поэтому нет положительных результатов.

Нами создан привод, в котором с помощью колебаний специальной формы создаются очень интенсивные вихри при очень малых затратах энергии. Это достигается тем, что генерация вихря происходит с помощью колебаний (это отличается от малоэкономичных способов генерации вихря с помощью различных вращений, компрессора, например от трубки Ранка и т.п.). Одновременно с этим, колебания используются для аннигиляции аэро- или гидродинамического сопротивления при движении вихря.

Сделана установка, подтвердившая экспериментально этот эффект.

2.3. Разработаны общие принципы экстракции низкопотенциальной тепловой энергии из спокойной окружающей среды с помощью вихря.

(Вихре-колебательный тепловой насос)

При движении в вихре частицы воздуха (или воды) имеют низкую температуру внутри вихря и высокую температуру в наружной области вихря. Известные вихревые трубки на эффекте Ранка работают с помощью компрессора, подающего внутрь трубки сжатый воздух. В предлагаемом нашем устройстве вихревой эффект Ранка создается с помощью только колебаний специальной формы (Know How), без компрессора.

Внутри вихря создается низкотемпературная зона (аналогично эффекту Ранка в вихревой трубке), ниже температуры окружающей среды. Окружающая среда, самим вихрем, прокачивается через внутреннюю зону вихря и выбрасывается наружу. При этом, благодаря разнице температуры между поступающей струей из окружающей среды и внутренней частью вихря, последняя нагревается за счет отбора тепловой энергии извне (от струи).

При дальнейшем движении, внутри самого вихря, частицы попадают в наружную область вихря. Там они имеют температуру выше, чем имели бы без отбора энергии от окружающей среды. Отбор энергии для потребителя происходит от наружной высокотемпературной зоны. При отборе энергии от обычной вихревой трубки эта энергия не будет больше, чем энергия компрессора, создавшего вихревой эффект. В нашем же случае отбираемая энергия будет состоять из энергии устройства возбудившего вихре-колебательный эффект (вихревую трубку нового типа) и, что самое главное, из энергии спокойной окружающей среды, утилизированной с помощью вихря. Энергии из спокойной окружающей среды, при определенных физических условиях (Know How), может быть в несколько десятков раз больше энергии устройства, создавшего вихрь. В этом заключается суть работы вихре-колебательного теп лового н асоса.

В отличии от известных тепловых насосов вихре-колебательный тепловой насос может экстрагировать не только тепловую энергию низкопотенциальной окружающей среды путем ее охлаждения, но тепловую энергию при конденсации влаги из атмосферы и потенциальную энергию давления атмосферы или столба воды.

Следует подчеркнуть, что наши исследования опираются на классическую фундаментальную физику и являются продолжением работ Константина Циолковского, Никола Тесла, Виктора Шаубергера, профессора Александра Предводителева, нобелевского лауреата Ильи Пригожина и многих других.

Эксперименты подтвердили очень низкие энергетические затраты на генерацию вихря.

Далее нами планируется создать внутри вихря зону с температурой, ниже окружающей среды. Это реально, т.к. такие понижения температуры уже известны, например, в трубке Ранке, в интенсивных вихревых циклонах. Затем не представляет принципиальных проблем пропускать через эту холодную зону окружающий воздух или воду, которые будет отдавать свою тепловую энергию, еще более охлаждаясь (см. фиг. выше). Частицы вихря переносят энергию, полученную от окружающей среды в область, где температура выше, чем имеет потребитель, и отдают энергию потребителю.

2.4. Разработаны способы экстракции низкопотенциальной тепловой энергии с помощью вихря:

– конвективная передача (рисунок слева);

– диффузионная передача энергии (рисунок справа).

2.5. Разработаны способы экстракции низкопотенциальной тепловой энергии и конденсации воды из атмосферы с помощью вихря:

– конвективная передача (рисунок слева);

– диффузионная передача энергии (рисунок справа).

2.6. Разработаны способы экстракции низкопотенциальной тепловой и потенциальной (давления) энергии с помощью вихря:

– конвективная передача (рисунок слева);

– диффузионная передача энергии (рисунок справа).

Экстрагированная энергия потребителем может использоваться в виде:

– энергии (тепловой, кинетической, давления, электрической или др.);

– получение полезной работы сразу при экстракции низкопотенциальной энергии.

3. Преимущества вихре-колебательного теплового насоса по сравнению с существующими источниками энергии.

-большие размеры устройств;

-экологическое загрязнение окружающей среды; -постоянное обслуживание;

-временная работа (зависимость от наличия ветра и солнца);

-дороговизна устройств и их установки по месту;

-наличие хладонов, экологически не благоприятные устройства;

-ограниченность малыми мощностями из-за проблемы подбора мощных высокочастотных вибраторов;

-могла бы быть простая конструкция;

-при существующем типе вихревых трубок в принципе не возможен подвод

-низкопотенциальной внешней среды внутрь трубки (она прекратит работать)

-нет доказательств, что выделяемая тепловая энергия выше электрической энергии потребляемой водяным насосом;

Эти работы берут начало с работ Николая Теслы и Виктора Шаубергера. Сейчас за рубежом ведут работы ряд лабораторий и отдельных ученых.

-коэффициент преобразования 3-120 раз;

-отбор энергии возможен тепловой или электрической;

-легкость управления характеристиками вихря дистанционно, в т.ч. микропроцессором;

-простота и дешевизна конструкции;

-простота обслуживания и возможность работы в автоматическом режиме;

-возможны любые мощности;

-малые размеры (большой отбор мощности с единицы объема устройства);

-нет требований по герметичности устройства;

Сравнение характеристик теплового насоса (на хладоне) и вихре-колебательного теплового насоса

Энергия тепла и холода: зачем нужны термоэлектрики

Термоэлектрики — материалы, способные преобразовывать электрическую энергию в разницу температур или, наоборот, из разницы температур получить электричество — давно известны ученым, но новые технологии могут расширить сферу их применения. Сейчас термоэлектрики используются, например, для создания холода под действием напряжения. Правда, здесь речь идет не об обычных бытовых холодильниках, а о том, что через некоторые устройства, состоящие из полупроводниковых материалов, пропускается электрический ток и в результате возникает активное охлаждение. Такие устройства можно использовать, в том числе и в быту. Например, в корзинках для пикника, которые можно подключить к прикуривателю автомобиля, и от 12 вольт получать достаточно холода, чтобы продукты не испортились.

Что касается генерации электроэнергии, то здесь использование термоэлектрических материалов пока на стадии экспериментальных моделей. Например, термоэлектрическое устройство устанавливается на автомобиль, и бросовое тепло, потерянное или в результате торможения, или в результате работы двигателя на холостом ходу, преобразуется в некоторую мощность. Около 40% потерянного тепла можно таким образом перевести в дополнительное электричество, в дополнительное питание бортовой системы.

Такого же типа устройства могут быть использованы в ЖКХ. Если в доме имеются нагревательные системы, значит есть и условия для создания разницы температур. А термоэлектрические материалы уже преобразуют избыточную часть тепла в дополнительное электричество. Правда, пока они это делают с очень малым КПД (6–7%).

Но и этого может хватить для обеспечения энергией телевизора или компьютера.

Термоэлектрические материалы были открыты довольно давно. Сначала немецкий ученый Томас Иоганн Зеебек обнаружил взаимосвязь между теплом и электричеством. Затем термоэлектрические явления более подробно изучил французский физик Жан Пельтье. Сумма законов Зеебека и Пельтье послужила основой для первого экспериментального наблюдения термоэлектрического эффекта. Его в середине XIX века произвел российский физик Эмилий Христианович Ленц. Он взял спай из проволок висмута и сурьмы, поместил на него каплю воды, пропустил электричество, и капля замерзла.

С тех пор прошло довольно много времени, прежде чем термоэлектрические материалы нашли практическое применение. Произошло это благодаря нашему соотечественнику академику Абраму Федоровичу Иоффе, который еще в 1940-е годы высказал идею, что термоэлектрические материалы из очень тяжелых элементов могут быть достаточно эффективны для применения. Иоффе предложил два соединения: теллурид висмута и теллурид свинца. Свои работы он опубликовал на рубеже 1940-1950-х годов, после чего началось развитие исследований в области термоэлектрических материалов с целью создать своего рода отрасль промышленности, которая эти термоэлектрические материалы будет выпускать.

Для того чтобы определить, насколько велика эффективность тех или иных термоэлектрических материалов, нужна была система измерения. И тогда придумали такую безразмерную величину, которая называется «добротность термоэлектрического материала». Она учитывает эффект передачи носителей заряда и эффект передачи носителей тепла в одном соединении.

Для соединений, предложенных академиком Иоффе, величина добротности составила примерно 0,6. Благодаря усилиям по легированию, допированию этих соединений, они за довольно короткое время были доведены до большей эффективности, равной уже 0,9, и началось промышленное производство.

С тех пор все попытки улучшить эффективность термоэлектрического материала были бесплодными, пока в середине 90-х годов XX века новую идею не выдвинул Слэк, американский физик из Ренселеровского политехнического университета. Он сказал, что раз огромную роль играют два процесса: транспорта носителей зарядов, то есть электронов или дырок, и транспорта фононов, то есть транспорта тепла, — то нужно создать такое соединение, в котором эти два типа транспорта будут разделены. И он придумал концепцию с названием «фононное стекло — электронный кристалл».

На базе этой концепции, которая уточнялась, видоизменялась (превратившись в «фононную жидкость и электронный кристалл»), в течение последних 15 лет были созданы новые термоэлектрические материалы. У каждого из них есть свои плюсы и минусы, но, если суммировать все, что мы имеем на сегодняшний день, то для того чтобы создать холод под действием электричества, нет ничего лучше теллурида висмута. А вот для того чтобы создавать электричество под действием температур в диапазоне 200-600 градусов, были найдены новые соединения.

Вопрос в том, как довести эти соединения до промышленных технологий.

Чем эти новые соединения интересны? Например, они не содержат такого элемента, как теллур, который является одним из самых редких элементов на Земле. А до сих пор без теллура не обходится производство ни одного термоэлектрического материала. То есть появилась возможность заменить его на более доступные вещества: железо, медь, сурьму, никель, серу, селен.

Появились и новые направления использования термоэлектрических материалов. Еще в 50-е — начале 60-х годов XX века их стали использовать в космосе. Идея заключалась в том, что тепло, необходимое для работы термоэлектрического материала, должен дать радиоактивный источник. Были созданы такие устройства, в которых образец плутония, саморазогреваясь, давал достаточно тепла для того, чтобы на автономных системах — спутниках, космических объектах — работали термоэлектрические материалы и давали бортовое питание.

Читать еще:  Подземная часть здания

Сегодня мы хорошо понимаем, что использование радиоактивных материалов небезопасно и уж никак нельзя перенести этот опыт на то, что мы называем объектами народного хозяйства или объектами быта — безопасность здесь превыше всего. Тем не менее, существуют идеи использования альтернативных источников тепла (например, инфракрасного излучения Солнца) для работы термоэлектрических материалов и преобразования тепловой энергии в электрическую.

На сегодняшний день ведется много разработок по всему миру, в том числе в МГУ и питерском Физтехе. Они показывают, что идеи, выдвинутые Слэком в середине 1990-х годов, все еще живы, и на их основе можно создать новые термоэлектрические материалы с более высоким КПД.

Уровень развития термоэлектрических разработок пока таков, что весь рынок составляет порядка $6 млрд в год, и его сильного увеличения пока не предвидится. Тем не менее, эффективность термоэлектрического материала, как материала, который работает, по сути дела, автономно, обеспечивая небольшое, но заметное замещение углеводородных источников энергии, нельзя сбрасывать со счетов.

Сколько стоит теплота или как вас нагреть?

Языков Александр Андреевич

Системы обеспечения внутреннего микроклимата и горячего водоснабжения современных зданий и сооружений явля­ются потребителями большого количества тепловой энергии.

Тепловая энергия получается при ра­боте основных элементов систем теплоснабжения — генераторов теплоты.

Генераторы теплоты преобразуют раз­личные виды топлива в тепловую энергию в результате химической ракции горения. Для получения тепловой энергии исполь­зуется и прямое преобразование элек­трической энергии в тепловую. Для этой цели применяются системы как с проме­жуточным теплоносителем, так и системы прямого электрического обогрева (ПЭО). Независимо от конструкции и вида гене­раторов теплоты, системы обеспечения микроклимата должны в первую очередь обеспечивать требуемые санитарно-метеорологические параметры внутренней среды: внутреннюю температуру воздуха и температуру на поверхностях наружных и внутренних ограждений, влажность и подвижность воздуха.

Это требование является первым и основным, предъявляемым к системам обеспечения внутреннего микроклимата. Вторым требованием является экономиче­ское. Системы обеспечения микроклимата должны обеспечивать первое требование при оптимальной стоимости самой си­стемы и минимальных эксплуатационных затратах. Основную часть эксплуатацион­ных затрат составляет стоимость топлива, расходуемого в течение отопительного периода. При выборе систем обеспечения параметров внутреннего микроклимата, особенно при выборе систем отопления, приходится рассматривать влияние мно­гих факторов: наличие централизованного источника тепловой энергии, доступность конкретного вида топлива, экологические аспекты, проектно-архитектурные реше­ния, объем строящегося здания и финан­совые возможности. Но в любом случае нельзя менять местами рейтинговый по­рядок требований.

Для предварительной оценки эксплуа­тационных затрат предлагаем результаты расчета стоимости тепловой энергии в размере 1 Гкал, полученной от сжигания различных видов топлива, и применения электрической энергии для отопления в условиях города Хабаровска (продолжи­тельность отопительного сезона 205 суток, наружная расчетная температура в зимний период минус З1°С, средняя температура за ото­пительный период минус 10°С, внутренняя температура плюс 20°С). Стоимость тепловой и электрической энергии (с НДС) на четвер­тый квартал 2002г. определена решением региональной энергетической комиссии Хабаровского края от 01.12.2002 г.

В таблице приведена относительная стоимость в процентах по отношению к стоимости одной Гкал для жилищных организаций всех форм собственности 912 руб/Гкал.

Сравнительный анализ показывает, что выгодно использовать твердое топливо-уголь. Однако недостатки твер­дотопливных котлов обусловлены необ­ходимостью в течение суток постоянно следить за топочной камерой и вручную загружать топливо, производить «шуровку» горящего слоя, уборку золы. Необходимо иметь запас топлива в значительных объ­емах, иметь площадки для хранения, осу­ществлять доставку, разгрузку и загрузку в котел. Комбинированные котлы на два и более видов топлива стоят дороже и име­ют уменьшенный объем топочной камеры, неприспособленной к сжиганию низкока­лорийных углей. Переход с одного топлива на другое происходит в ручном режиме, то есть необходимо присутствие человека. В пределах действия центральных тепло­вых сетей однозначно выгодно получать тепловую энергию от ТЭЦ. Экономически невыгодно использовать электроэнергию для отопления. Стоимость тепловой энер­гии, полученной в электрокотлах любой конструкции, превышает стоимость те­плоты от ТЭЦ в 4 раза. Энергетическую эффективность использования электро­энергии для выработки теплоты можно оценить по показателю вида:

где m — коэффициент преобразования энергии;

h — эффективность системы.

Расход топлива на выработку электро­энергии на тепловых электростанциях оценивается показателем эффективности h = 0,38. Потери в электросетях можно принять в пределах 8%, тогда h лэп = 0,92, а фактические потери в тепловых сетях 20% ( h тс = 0,8). Эффективность расхода топлива в котельных установках определяют h = 0,85. Коэффициент преобразования электриче­ской энергии в тепловую для прямого на­грева в электрическом котле максимально может быть равен h = 1. При таких условиях Эт = 0,51, что свидетельствует об энергети­ческой неэффективности использования электрической энергии для отопления зда­ний и сооружений. Для Эт= 1, коэффициент преобразования h должен быть больше 2. К сожалению, все электрокотлы имеют h 1 — это тепловые насосы с h до 10.

Несколько слов об установке «ЮСМАР». Установка «ЮСМАР» предлагается как генератор теплоты, причем как генера­тор с h = 1,859. Принцип работы (по трактов­ке авторов) основан на извлечении энергии из вращающейся воды, энергии вихря. При этом физико-химические процессы, вплоть до образования озона (по трактовке авто­ров), преподносятся как необъяснимые.

Установка состоит из насоса, приводи­мого в действие асинхронным двигателем, теплогенератора, бака, гидроаккумулятора или теплообменника, и системы потребле­ния теплоты (отопления). Теплогенера­тор—это труба, к которой тангенциально подводится вода. Поток воды закручивает­ся внутри, образуя вихрь с «замечательны­ми свойствами», т. е. с температурой воды на выходе из одного торца трубы 80—90°С. С противоположной стороны выходит по­ток с более низкой температурой. При этом бездоказательно дается утверждение, что на 1 кВт подводимой к насосу энергии «теплогенератор» выдает 1,859 кВт.

Эффект энергетического разделения рабочих сред в вихревых трубах известен в технике по имени авторов Ранка-Хилша. Наиболее исследован процесс энергети­ческого разделения газов. Он использует­ся для охлаждения воздуха до температур от минус 5 °С до минус 30°С и ниже. Вихревые хо­лодильники очень компактны. Они нашли применение в машиностроении, медицине, авиации и т. д.

В вихревой трубе образуется не один вихрь, а два. Первый, так называемый «внешний», движется вдоль огибающей стенки трубы, а второй, «внутренний», осевой имеет противоположное направ­ление. Вихри вращаются водном направ­лении, но их скорости вращения разные. «Внутренний» вихрь выходит из трубы через так называемую диафрагму — он холодный. Охлаждение части воздуха осуществляется за счет адиабатного (без теплообмена с окружающей средой) внезапного расширения газа. «Внешний» вихрь выходит с противоположного торца трубы нагретым. Нагрев осущест­вляется за счет трения на границе двух воздушных потоков, имеющих различную скорость вращения.

Калориметрические испытания вихревого холодильника подтверждают основные законы физики: закон сохране­ния массы и закон сохранения энергии. При этом КПД вихревого холодильника составляет 22—25%.

При применении несжимаемой жид­кости в качестве рабочего тела в вихре­вой трубе гидродинамика течений та же: «внешний» вихрь и «внутренний» вихрь. В отличие от газового, внутренний водяной вихрь вращается по законам абсолютно «твердого» тела, как стержень, без особого изменения внутренней энергии. При чем скорость его вращения на несколько порядков больше скорости вращения «внешнего» вихря. На границе контакта слоев происходит переход кинетической энергии внутреннего вихря в потенциаль­ную: механическая энергия вращающегося «водяного стержня» переходит в тепловую. Жидкость во «внешнем» вихре нагревается. При этом происходят естественные потери энергии. Этот процесс добывания теплоты известен очень давно.

Принцип преобразования механиче­ской энергии в тепловую используется и в конструкциях называемых ПАНы —печи аэродинамического нагрева. Коэффициент эффективности использования энергии в установках ПАН п. = 0,8. На конструкции ПАН выдано множество патентов и авто­рских свидетельств.

Испытания вихревого преобразова­теля на воде не подтверждены ни одним отчетом по НИР и ОКР. Авторы ссылаются на ряд патентов, но надо различать па­тенты, в которых отражаются приорите­ты на открытия, способы и конструкция. Согласитесь, что устройство, в котором на 1 кВт подводимой энергии реализуется 1,859 кВт, может претендовать на Нобелев­скую премию.

Как происходит преобразование тепловой энергии в электрическую

Гидроэнергия имеет ряд весомых преимуществ по сравнению с традиционными в наше время энергоресурсами. Для гидроэнергетики нет необходимости добывать, обрабатывать и транспортировать сырье (как, например, топливо для дизельных генераторов). Но в нашей стране используется гидроэнергетический потенциал в основном только крупных рек и только для производства электроэнергии с необходимостью сооружения высоких и массивных плотин. К сожалению, гидроэнергетический потенциал малых рек остается почти без внимания.

Предлагаемый в статье способ получения тепловой и электрической энергии [2,3,6] базируется на преобразовании кинетической энергии всего объема воды, движущегося с начальной скоростью в замкнутом водоводе низконапорных водотоков, в энергию гидравлического удара за короткий промежуток времени при помощи автоматического клапана гидротаранной установки. Под действием гидравлического удара в установке начинается волновой процесс, давление в трубопроводе повышается, совершается механическая работа по радиальному перемещению подвижных нагнетательных клапанов-мембран гидропривода, соединенных с подвижными рабочими органами линейных тепло- и электрогенераторов [1,4]. При работе линейных электрогенераторов происходит нагрев и выделение значительного количества тепловой и электрической энергии.

Величина кинетической энергии объема воды плотностью ρ, движущейся в установке с первоначальной скоростью υ, на длине водовода равной c определяется по известной физической формуле

υ — первоначальная скорость движения воды, м/с;

ρ — плотность воды, кг/м3;

D — внутренний диаметр водовода, м.

Механическая работа A, совершаемая за счет энергии инициированного в водоводе гидравлического удара при последовательном перемещении подвижных клапанов-мембран установки на величину Δh, на длине c от ударного клапана к началу трубопровода в течение одной секунды, за счет среднего во времени ударного давления в водоводе, равного половине его максимального значения, определяется по формуле

поперечный размер подвижных частей стенок водовода, м;

радиальные перемещения подвижных нагнетательных клапанов-мембран водовода при совершении механической работы под действием давления P, м;

скорость распространения ударной волны от автоматического клапана установки к началу водовода, м/с;

величина ударного давления, Па.

Эта механическая работа приводит в действие линейные тепло- и электрогенераторы [1,4], соединенные с подвижными нагнетательными клапанами-мембранами и равномерно распределенные по всей его длине. Выполненная механическая работа по радиальному перемещению подвижных частей водовода и, соответственно, рабочих органов линейных тепло- и электрогенераторов, соединенных с ними, является одновременно снимаемой механической мощностью, так как выполняется эта работа в течение одной секунды.

Процесс преобразования кинетической энергии движущейся в водоводе жидкости в механическую работу при помощи установки является дискретным и периодическим. Полезная механическая работа снимается на первой фазе гидравлического удара в водоводе, когда потери энергии незначительны, далее следует пауза для накопления кинетической энергии воды в водоводе, и процесс повторяется. Для непрерывного во времени снятия механической мощности необходимо наличие, как минимум, двух одинаковых гидроагрегатов, работающих в противофазе.

При пробеге волны давления ΔP в течение одной секунды на расстояние средняя удельная энергия единицы объема жидкости будет равна половине величины ударного давления, значение которого определяется по известной формуле Н.Е. Жуковского (5). Волна давления распространяется в водоводе со скоростью c, в свою очередь, скорость зависит от упругих свойств воды и стенок водовода, от площади подвижных частей стенок водовода и величины их радиального перемещения. Скорость распространения ударной волны c в водоводе и величина ударного давления ΔP определяется, решая совместно систему уравнений:

;

,

модуль упругости воды, Па;

модуль упругости материала стенок водовода, Па;

толщина стенок водовода, м;

коэффициент, учитывающий долю подвижных частей стенок водовода в периметре его поперечного сечения,

На рис.1 приведены результаты расчета механической мощности гидроагрегата, работающего по вышеизложенному способу, выполненного из водовода (трубопровода) диаметром Dнар=1,42м с толщиной стенки δ=0,025м, поперечный размер подвижных частей стенок водовода и радиальные перемещения подвижных нагнетательных клапанов-мембран принимаются D1=0,3м и h=0,01м соответственно. Коэффициент расхода трубопроводной системы гидроагрегата μ, характеризующий потери энергии в гидравлических сопротивлениях, зависящий в основном от конструкции автоматического ударного клапана установки, принимается, для примера, равным 0,2.


Рис.1 Результаты расчета механической работы

1 — Ек (кДж/с=кВт), величина кинетической энергии объема воды, движущегося в водоводе с первоначальной скоростью которая преобразуется в гидроагрегате в течение одной секунды в потенциальную энергию упругой деформации и полезную механическую работу (мощность); 2 — А (кВт), механическая работа, совершаемая в единицу времени при последовательном перемещении подвижных частей стенок водовода на величину h.

Как видно из графика на рис.1, часть кинетической энергии потока воды, движущегося с первоначальной скоростью, преобразуется в потенциальную энергию упругой деформации самой жидкости и стенок водовода. Остальная, большая часть кинетической энергии расходуется на совершение механической работы по перемещению подвижных частей стенок водовода.

При механической работе по радиальному перемещению подвижных частей стенок водовода, соединенных с подвижными рабочими органами линейных тепло- и электрогенераторов, происходит нагрев и выделение значительного количества тепловой энергии. Заключив линейные электрогенераторы в теплоизолированные рубашки, по которым прокачиваются жидкие теплоносители, последние могут быть также использованы в качестве теплогенераторов. В этом случае энергия потока воды более полно преобразуется в полезную мощность. Для выработки только тепловой энергии можно использовать специальные линейные генераторы, в которых механическая работа непосредственно превращается в тепловую энергию.

Описанный способ получения энергии позволяет снимать значительную механическую мощность с маловодных низконапорных водотоков, достаточную для автономного тепло- и энергоснабжения зданий и сооружений. Кроме того, описанный способ имеет ряд описанных выше преимуществ перед автономным энергоснабжением, основанным на использовании сырьевых ресурсов.

Рецензенты:

  • Моисеев Б.В., д.т.н., профессор кафедры промышленной теплоэнергетики, Тюменский государственный архитектурно-строительный университет, г. Тюмень.
  • Чекардовский М.Н., д.т.н., зав. кафедрой теплогазоснабжения и вентиляции, Тюменский государственный архитектурно-строительный университет, г. Тюмень.
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector