Вихревые тепловые насосы

Тепловые насосы абсорбционно-диффузионного типа используют свойства фазовых переходов смеси двух жидкостей. При кипении смеси двух жидкостей переходят в пар, вообще говоря, обе компоненты смеси, так что мы имеем дело с равновесием жидкой и газообразной фаз, каждая из которых представляет собой смесь. Возникающие при этом явления наиболее наглядным образом изображаются с по­мощью диаграмм состояния [9].

На одной из координатных осей таких диаграмм откладывается концентрация С смеси, а на другой – температура Т.

Рисунок 2.1 – Кипение смеси аммиака и воды.

Одна из вертикальных прямых на диаграмме отвечает чистому аммиаку, а другая – чистой воде; между ними находятся все промежуточные концентрации.

В абсорбционных холодильниках в настоящее время образование пара происходит при температуре более , что вызвано необходимостью обеспечения эффективной работы пузырькового насоса. С этим связаны следующие недостатки:

- использование естественного кипения смеси жидкостей требует повышенной температуры этой смеси с целью получения необходимых объёмов газообразного аммиака;

- происходит нагревание большего объёма смеси, что приводит к увеличению поверхности теплоотдачи и увеличению потерь тепла в окружающую среду;

- переходные режимы холодильника, такие как включение и отключение, так же негативно влияют на электроэнергетические показатели.

Чтобы получить необходимый объём аммиака при более низких температурах ( ) с целью снижения энергопотребления необходимо интенсифицировать отделение пара. Для этого представляется целесообразным применить вихревые пароотделители. При этом конструкция холодильной установки может упроститься из-за отсутствия необходимости в ректификаторе, так как его функцию выполняет сам вихревой парогенератор и уменьшении размеров конденсатора, так как пары аммиака будут иметь более низкую температуру.

Бытовой холодильник объёмом 280 дм³ с тепловым насосом абсорбционно-диффузионного типа при использовании вихревого пароотделителя снижает свое энергопотребление в 8 раз и потребляет в 2 раза меньше энергии, чем компрессионные холодильники класса А.

Большие объёмы энергии потребляют современные устройства кондиционирования воздуха. Замена в них тепловых насосов с парокомпрессионным циклом на тепловые насосы абсорбционно-диффузионного типа с использованием вихревых пароотделителей позволяет снизить их энергопотребление в 3…5 раз.

Электроводородные генераторы

Использование вихревой технологии и растворов электролитов позволило создать электроводородные генераторы. В результате проведенных работ изобретено и патентуется по системе РСТ (международная заявка RU98/00190 от 07.10.97 г.) простое высокопроизводительное устройство для разложения воды и производства из нее беспрецедентно дешевого водорода методом гравитационного электролиза раствора электролита, получившее название «электроводородный генератор (ЭВГ)». Он приводится в действие механическим приводом и работает при обычной температуре в режиме теплового насоса, поглощая через свой теплообменник необходимое при этом тепло из окружающей среды или утилизируя теплопотери промышленных или транспортных энергоустановок.

В процессе разложения воды подведенная к приводу ЭВГ избыточная механическая энергия может быть на 80% преобразована в электроэнергию, которая затем используется любым потребителем на нужды полезной внешней нагрузки. При этом на каждую единицу затраченной мощности привода генератором в зависимости от режима работы поглощается от 20 до 88 энергетических единиц низкопотенциального тепла, что собственно и компенсирует отрицательный термический эффект химической реакции разложения воды. Один кубический метр условного рабочего объёма ЭВГ, работающего в режиме с КПД 86…98%, способен за секунду произвести 3,5 м³ водорода и одновременно около2,2 МДж постоянного электрического тока. Единичная тепловая мощность ЭВГ в зависимости от решаемой технической задачи может варьироваться от нескольких десятков ватт до 1000 МВт. Стоимость производства газообразного водорода (0,0038 $/м³) становится в 65 раза ниже суммарной стоимости добычи и транспортировки природного газа (250$/1000 м³). Широкий диапазон регулирования и неординарные удельные показатели процесса позволяют с гарантированным успехом применять ЭВГ в большой и малой энергетике, на всех видах транспорта, в сельском и коммунальном хозяйствах, в химической, цементной, целлюлозно-бумажной, холодильной, атомной и космической промышленности, цветной и черной металлургии, при опреснении морской воды, проведении сварочных работ и т. д.

Физическая сущность рабочего процесса ЭВГ весьма проста и является логическим развитием известных физических опытов Толмена и Стюарта, осуществленных ими в 1916 году. Известно, что электролит при растворении диссоциирует на ионы, которые гидратируются молекулами воды. В результате вокруг них образуются гидратные оболочки различной прочности. Энергия взаимодействия гидратированных разноименных ионов друг с другом резко уменьшается и становится близкой энергии броуновского движения молекул воды. Если концентрированный раствор диссоциированного электролита, имеющего значительную разницу масс анионов и катионов, поместить в сильное искусственное гравитационное поле, например вращать его в емкости ЭВГ, то ионы будут частично сепарироваться. Тяжелые ионы сместятся к периферии емкости, а легкие прижмутся к её внутренней поверхности. Это создаёт пространственный концентрический электрический потенциал. При этом центробежная сила, действующая на прижатые к аноду ионы, разрушит их гидратные оболочки, как наиболее слабые. Легкие ионы сосредоточатся ближе к оси вращения, образуя электрический потенциал противоположного знака. При достижении необходимой минимальной частоты вращения емкости с электролитом равновесие зарядов нарушается. Электроны выходят из катода и ионизируют молекулы гидратных оболочек, а те передадут заряды катионам. Начинается разряд ионов с образованием на катоде свободного водорода, а на аноде кислорода и анодных газов. Напряжение между катодом и анодом зависит от разности скоростей химических реакций на катоде и аноде.

Таким образом, гравитационное поле порождает энергетически адекватное ему электрическое поле, которое преодолевает энергию гидратации и осуществляет электролиз. Этот процесс протекает с поглощением раствором через теплообменник теплоты и требует постоянного разбавления его водой до начальной концентрации. Энергетическая схема этого процесса во многом схожа со схемой традиционного электролиза, но в ней не используется внешний дорогостоящий электрический ток, а используется более дешевая теплота окружающей среды или иных источников.

Следует отметить четыре существенные особенности гравитационного электролиза:

1)работа механического инерционного поля, затрачивается им на разделение легких и тяжелых ионов и практически полностью восполняется кинетической энергией всплывающих к оси вращения водорода, кислорода и анодных газов, поскольку их плотность меньше, чем плотность раствора. В результате сумма моментов количества движения начальных и конечных продуктов электролиза становится близкой нулю, то есть механическая работа в растворе почти не производится. Она в ЭВГ затрачивается в основном только на его приводе против сил трения;

2)интенсивное самоохлаждение раствора обеспечивает условия для поглощения им тепла из окружающей среды или от других источников на компенсацию эндотермического эффекта реакции разложения воды, то есть работу в режиме высокоэффективного теплового насоса;

3)он способен вырабатывать постоянный электрический ток на внешней нагрузке в том случае, если частота вращения раствора в емкости будет больше минимально необходимой. ЭВГ проявляет свойства электрогенератора с вольтамперной характеристикой конденсаторного типа (напряжение на зажимах прямо пропорционально внешней нагрузке);

4)ЭВГ совмещает и выполняет функции сразу двух устройств – электрогенератора постоянного тока и электролизера.

Использование ЭВГ на транспорте с дизельными ДВС позволяет увеличить общий КПД до 68-70% за счет полезного использования теплопотерь ДВС. Создана предпосылка для реализации уже в ближайшем будущем принципиально нового электромобиля с большим запасом хода, работающем на тепломеханическом источнике тока. ЭВГ на морских и речных судах могут использовать тепло забортной воды, что даст возможность заменить атомные энергоустановки, многократно сократить запасы перевозимого углеводородного топлива. Плавающие мобильные электрогазогенераторные станции смогут снабжать дешевой тепловой и электрической энергией крупных прибрежных потребителей. Применение ЭВГ в авиации позволяет более чем вдвое снизить затраты топлива, то есть увеличить полезный вес груза и снизить себестоимость перевозок.

Применение ЭВГ на тепловых и атомных электростанциях позволит почти вдвое снизить затраты топлива, что существенно повысит их рентабельность за счет полезного использования теплопотерь.

В черной металлургии водород может заменить дорогостоящий кокс и убрать массовые выбросы углекислого газа в атмосферу.

Себестоимость кВт ч электроэнергии, получаемой с помощью ЭВГ за счет тепла рек и морей, геотермальных источников может составить 0,08-0,11 цента.

Различные модификации мощностного ряда ЭВГ могут найти свое применение в малой стационарной и мобильной энергетике.

Лекция № 10

Современные технологии как часть энергохозяйства будущего.

Получаемая из различных источников энергия расходуется в промышленности, сельском хозяйстве, коммунальном и бытовом секторе. Громадные объемы энергии потребляются при производстве металлов и других материалов, при их переработке для получения необходимых изделий. Очень большие объемы энергии затрачиваются для обогрева жилых и производственных помещений, для их освещения.

Разорванность цикла получения металлов и особенно сталей с их конкретным использованием, то есть получением готовых изделий вызывает на каждом этапе дополнительные потери энергии. В результате энергоемкость такого производства оказывается необычайно высокой. Энергия затрачивается на получение чугуна в доменном процессе. Затем полученный чугун превращают в сталь в конвертерах или мартеновских печах, полученные слитки перевозят на перерабатывающие предприятия, где из них получают на прокатных станах лист и различные профили (тавр, уголок, двутавр, рельс, кругляк и т.д.). На специализированных предприятиях из проката изготавливают трубы, валы, оси, металлоконструкции и т.д. И на каждом этапе приходится нагревать металл для изменения его профиля, соединения, изменения параметров поперечного сечения, резки на необходимый размер.

Погоня за объемами производства металла в СССР привела к снижению требований к его качеству, ассортименту выпускаемых марок сталей и как результат к повышенной материалоемкости и энергоемкости выпускаемых изделий и продуктов. Печи гиганты позволяли получать большие объемы дешевых металлов, качественные параметры которых удовлетворяли далеко не всех потребителей, так как каждому были нужны свои качественные характеристики.

Добиться снижения энергопотребления удается объединением отдельных циклов переработки в единый технологический процесс. Например, получать сталь из железной руды в электрических печах, применяя установки непрерывной разливки металлов с получением в одном цикле готовых профилей металлоизделий и резкой их в горячем состоянии на заготовки необходимой длины.

Большим резервом снижения энергоемкости изделий является обоснованная замена энергоемких материалов на менее энергоемкие (металлов на пластмассы, керамики на пластики, упрочненные термостойкими волокнами, цветные металлы на древесину пропитанную полимерами и т. д.).

Значительным резервом снижения энергоемкости является автоматизация технологических процессов, автоматический контроль за плавкой и составом получаемых металлов, поддержанием необходимых температур, скорости их изменения, давлений и расходов жидкостей и газов и т. д. Для этих целей необходимо широкое использование регулируемого электропривода, точных и надежных датчиков различных параметров.

Производство будущего должно быть необычайно гибким, быстро приспосабливаемым к решению различных задач. Именно поэтому управление и перенастройка оборудования должна осуществляться компьютерными системами.

Такая же ситуация складывается и в области соединения отдельных элементов конструкций между собой. Для снижения затрат энергии необходимы: автоматизация сварочных процессов; замена энергоемких методов сварки на более качественные и менее энергоемкие - роботизированную точечную, лазерную сварку СО₂-лазерами или ИАГ (иттрий-алюминиевый гранат) лазерами; замена сварки высококачественной пайкой; соединение деталей склейкой без значительного повышения их температуры.

Безусловно, величину энергоемкости изделий необходимо контролировать еще на стадии их проектирования, обеспечивая необходимые прочностные и другие качества не за счет количества используемого материала, а за счет рациональной формы изделия, выбора материала, обеспечивающего минимум энергетических затрат на его производство. Современные компьютерные методы проектирования во многом уже позволяют решать подобные задачи, но многое еще предстоит сделать (ввести в чертежные документы параметр энергоемкости изделия).

Одним из резервов снижения энергоемкости производства является использование соответствующих потребности мощности электродвигателей, так как к.п.д. электродвигателей зависит от отдаваемой ими мощности. Необходимо также широкое использование электронных преобразователей для повышения к.п.д. электропривода. С этой целью используются экстремальные регуляторы к.п.д. асинхронных электродвигателей.