Добывать тепло, используя мороз – технологию изобрели ученые
Использовать минусовую температуру за окном как источник тепла смогли ученые из Академгородка. Запатентовали уникальную технологию, аналогов которой в мире пока нет.
Таких теплообменников несколько – в уникальной установке, собранной сибирскими учеными. Работает она, казалось бы, вопреки здравому смыслу – превращает холод на улице в тепло. Однако подчиняется не волшебству, а законам физики.
«Дело в том, что когда пористое тело поглощает пары, оно разогревается. В то время как испаритель, откуда поступает жидкость, охлаждается – по закону сохранения энергии», – комментирует научный сотрудник Института катализа им. Борескова Александра Грекова. Пористым телом выступает сорбент, к примеру, активированный уголь. Его засыпают между ребрами теплообменника. Высушивают при минусовой температуре. Холодный воздух поступает через специальные каналы. По словам ученых, вещество сохнет как белье на морозе. На втором этапе, испаряясь, выделяет тепло. Собрать сложнейшую установку удалось благодаря гранту от Русского научного фонда. Превращать в холод в тепло можно не только в Сибири, но и в климатических условиях Арктики, Северной Европы, США и Канады. Более того, чем глубже минус – тем лучше. «Мы получаем тепло, ничего не сжигая, не сжигая ни органического топлива, ни нефти, ни газа, ни угля, ни мазута. Ничего не выбрасываем. Это экологически чистый вид производства. Сами адсорбенты тоже чистые», – отметил заведующий лабораторией Института катализа им. Борескова СО РАН Юрий Аристов. Сейчас установка на стадии оптимизации. Ученые подбирают наиболее эффективные адсорбенты. Главное, доказали – превратить температурные минусы в плюсы, то есть в совершенно новую технологию отопления, можно. Все выпуски новостей телеканала ОТС, а также программы «Итоги недели», «ПАТРИОТ», «Экстренный вызов», «Пешком по Новосибирской области», «ДПС – дорога. Перекресток. Судьба», «От первого лица» выложены на сайте YouTube.
Как получить тепло из холода с помощью тепловых труб и капиллярных явлений
Статья из белорусской республиканской газеты «Звязда» в переводе на русский язык.
Представьте многоэтажку, да не просто многоэтажку, а целый небоскреб, который бы отапливался. энергией грунта (геотермальной энергией). И для этого совсем не надо «сажать» такой дом на разломе геологических плит, у жерла вулкана. Горячие батареи и теплые полы на всех этажах за счет энергии земли можно обеспечить и в наших широтах. Главное — знать, как правильно подойти к делу и какую технологию применить. Весь секрет — в тепловых трубах.
Простая физика
Все мы помним из школы о трех физических состояниях воды — твердое, жидкое и газообразное (пар). Знаем, что при нагревании жидкость становится газом, а тот, когда остывает, конденсируется в жидкость. На этом простом эффекте и основан принцип действия тепловой трубы. Внутри закрытой трубки из сверхпроводящего металла (например, меди) находится жидкость, которая легко выпаривается. Один конец трубки нагревается. Перенос тепла происходит за счет того, что жидкость выпаривается на горячем боку трубки, поглощая тепло выпаривания, и конденсируется на холодной, после чего стекает на горячую сторону.
Если трубка полая, то сконденсированная жидкость возвращается в зону испарения под воздействием силы тяжести (такая трубка будет работать только в вертикальном или близком к нему состоянии). Внутри современных тепловых трубок находится наполнитель. Такие трубки работают практически в любом положении, так как для возвращения жидкости в зону испарения используются капиллярные силы (такой же капиллярный эффект можно увидеть, если положить губку в лужу, — вода наполнит поры губки).
Основной принцип действия тепловых труб, основанный на использовании гравитации, был изобретен еще в век пара. Современные концепции, которые базируются на использовании капиллярного эффекта, были предложены Р. С. Гауглером из General Motors в 1942 году. Позже он запатентовал эту идею. Независимо от него преимущества капиллярных систем были продемонстрированы Джорджем Гровером из Los Alamos National Laboratory в 1963-м.
Сегодня над совершенствованием тепловых труб работают ученые всего мира. Круг применения этой технологии исключительно широкий — от космических аппаратов до холодильников. Свой значительный вклад в развитие этого научного направления внесли и белорусы. Про наиболее интересные и перспективные отечественные разработки наш корреспондент побеседовал с основателем научной школы в области тепловых труб в нашей стране, заведующим лабораторией пористых сред Института тепло- и массообмена имени Лыкова НАН Беларуси, лауреатом Госпремии и премии Совета Министров СССР, президентом ассоциации стран СНГ «Тепловые трубы», владельцем престижной международной награды — золотой медали Гровера — профессором Леонардом Васильевым.
Система термобезопасности
— Если говорить упрощенно, тепловая труба — это аналог сверхпроводника электричества, по которому электроэнергия передается без потерь на расстояние, — пояснил Леонард Леонидович. — Здесь мы имеем дело с тепловым сверхпроводником, который без потерь передает на расстояние (причем довольно значительное — в сотни метров) тепловую энергию.
Сейчас в мире активно разрабатываются проекты с применением тепловых труб, которые позволяют эффективно использовать энергию альтернативных и возобновляемых источников энергии, в частности, грунта. Уже осуществляются конкретные работы по передаче тепловой энергии из глубин земли на поверхность для того, чтобы обогревать многоэтажные здания за счет геотермальной энергии.
В общем, с помощью тепловых труб мы можем охлаждать, нагревать и регулировать температуру в пределах необходимой. И все это может осуществляться в самом широком температурном диапазоне. Такие сверхпроводники тепла могут использоваться как при температурах, близких к абсолютному нулю (в таких тепловых трубках применяются сверхтекучий гелий, жидкий водород), так и при высоких температурах (тогда наполнителями становятся щелочные металлы — натрий, калий). Температурный диапазон составляет 1000 градусов.
Наиболее дешевый и доступный наполнитель — вода. Именно она применяется во всех теплообменных устройствах, используемых для нашего комфорта (например, в системах отопления помещений), в технологических процессах (таких как сушка, термообработка пищевых продуктов) и т.д.
По словам ученого, тепловые трубы абсолютно вне конкуренции, когда речь идет об охлаждении электроники, в первую очередь компьютеров: подавляющее большинство ПК имеет систему охлаждения на тепловых трубах. То же касается и космических аппаратов: практически все искусственные спутники Земли имеют систему теплорегулирования на тепловых трубах.
— Электроника не любит высоких температур, — рассказал профессор. — Допустим диапазон нагрева электронных приборов составляет 100-120 градусов, поэтому очень важно гарантировать отсутствие перегрева и выхода электроники из строя. Что и делают тепловые трубы, создавая своеобразную «систему термобезопасности».
Для большей наглядности Леонард Леонидович демонстрирует различные образцы тепловых труб. Вот алюминиевая труба для космических аппаратов, которая охлаждает электронику. На одном ее конце крепится электроника, а второй контактирует с радиатором, через который излишки тепловой энергии «выбрасываются» в космос. Изнутри труба имеет капиллярную структуру — бороздки, которые заполняются жидким аммиаком или пропиленом. А вот тепловая труба для использования в компьютере — гораздо меньших размеров, медная, с никелевым напылением. В общем, по конструкции тепловые трубы могут быть самыми разными. Сегодня существует несколько десятков вариантов.
«Ледяные дороги» и не только
За годы работы сотрудники лаборатории пористых сред под руководством профессора Васильева разработали и внедрили в народное хозяйство десятки новых конструкций тепловых труб, испарителей, конденсаторов и устройств для их применения, основными из которых можно назвать тепловые трубы для нагрева, охлаждения и терморегулирования радиоэлектронной аппаратуры, литейных форм, аккумуляторов электричества, шахтных, защищенных от взрыва трансформаторов; термопластификаторов деталей машин и медицинских вращающихся приборов; тепловые трубы для работы в зоне вечной мерзлоты, в теплицах при намерзании ледяных опор в шахтах и т.д. Получили около 300 авторских свидетельств СССР на изобретения, 12 зарубежных патентов, 6 патентов Республики Беларусь.
Леонард Леонидович листает большой фотоальбом, где размещены фотографии разработок лаборатории за разные годы. Вот, например, удивительное фото: длинные тепловые трубы, наполовину закопанные в болото. Вокруг — пустота. Зачем они там? Оказалось, это «ледяные дороги» (тепловые трубы, которые использовались в Сибири для замораживания болот, чтобы по ним можно было проехать тягачам; зимой трубы отводили тепло грунта, и болото замерзало).
Вот еще одно интересное применение тепловых труб — на железнодорожных «стрелках». Зимой на стрелочных переводах может появиться наледь, образуется риск плохого смыкания, что может обернуться аварией. А если под стрелку подвести тепловую трубу в несколько метров и закопать ее в землю, то благодаря теплу земли можно обеспечить подогрев стрелки и избежать обледенения. Обходчику не нужно раз за разом долбить лед. Просто и эффективно.
Активные и пассивные
— В последнее время в научном мире много разговоров ведется про нанотехнологии. В частности, об использовании в тепловых трубах наножидкостей (жидкостей с исключительно малыми размерами частиц), — рассказывает заведующий лабораторией. — В тепловой трубе каким-то образом нужно создать капиллярную структуру. Если мы применим наножидкость, то сможем создать наиболее оптимальный пористый рельеф на внутренней поверхности трубы. Тогда тепловой обмен будет максимально эффективным.
Это очень полезно для медицины: с помощью микрошунтов можно будет понижать или повышать температуру человеческого тела, проводить бескровные операции, воздействовать на энергоактивные точки тела (локально нагревать или охлаждать).
Замечу, что мы только приходим к использованию искусственно созданных микротепловых труб, а в природе они существуют в естественном состоянии (система терморегулирования скота и человека осуществляется по принципу микротепловых труб).
Еще одно интересное направление, которое вспомнил профессор, — сорбционные тепловые трубы, где помимо обычного капиллярного фитиля есть еще и сорбент — пористое вещество, позволяющее связывать молекулы пара в твердом состоянии. В такой трубе работает несколько сил: капиллярные и сорбционные, соответственно получается двойной тепловой эффект.
— Можно передавать вдвое большую энергию, чем в обычных тепловых трубах, — добавил Леонард Васильев. — Кроме того, это уже тепловые трубы активного терморегулирования, в отличие от обычных — с пассивным терморегулированием. Появляется возможность активно использовать тепло для получения холода (например, в космических аппаратах).
Короче говоря, разработок много. Дело — за внедрением. Нужны инвестиции, которые бы дали возможность внедрять на наших предприятиях новые технологии и оборудование. А научный потенциал у нас, слава Богу, есть.
Инга Миндалёва. Газета «Звязда», 28 января 2012 года.
Оригинал на белорусском языке: zvyazda.minsk.by/ru/archive/article.php?id=92453&idate=2012-01-28
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии
Найден способ добывать энергию из холода
Инженеры из Стэндфорда создали простое и дешевое устройство, позволяющее генерировать электроэнергию даже ночью за счет охлажденной среды.
Василий Макаров
Команда ученых из Лос-Анджелеса и Стэндфордского университета создала устройство, которое вырабатывает ток, направляя остаточное дневное тепло в охлажденный воздух. Таким образам, по словам самих авторов проекта, их устройство может использовать и космический холод для создания возобновляемого источника энергии. «Мы считаем, что данная технология позволит эффективно дополнить солнечные батареи и позволят добывать энергию даже в те часы, когда доступ к солнечному свету закрыт», рассказывает Аасват Раман, один из авторов проекта.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
При всех своих достоинствах, солнечная энергия — увы, не решение всех энергетических проблем человечества. Даже на Земле люди возвращаются домой и начинают активно использовать электроприборы уже в вечерние часы. Конечно, энергию, накопленную за день, можно запасать — однако куда экономичнее и проще дополнить ее системами «ночной» добычи.
В отличие от многих аналогов, новый прибор работает благодаря термоэлектрическому эффекту. Используя материал, называемый термопарой, инженеры могут преобразовать изменение температуры в разницу напряжения. Для этого с одной стороны нужен потенциальный источник тепла, а с другой — место для овода тепловой энергии. Проблема же заключается в том, чтобы правильно расположить материалы так, чтобы они генерировали напряжение из охлажденной среды.
РЕКЛАМА – ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ
Более того, большинство термоэлектрических систем полагаются на слишком дорогие для массового использования материалы, так что команда проявила изобретательность и спроектировала свои изделия из максимально простых и дешевых частей. Ученые собрали дешевый термоэлектрический генератор и скрепили его черным алюминиевым диском, чтобы излучать тепло в ночной воздух, когда он повернут в сторону неба. Генератор был помещен в полистирольный корпус, закрытый прозрачным для инфракрасного света окном, и соединен с одним крошечным светодиодом.
В результате полевых испытаний выяснилось, что в холодной ночи, когда температура опускается ниже нуля, устройство генерирует примерно 0,8 милливатт мощности, что соответствует 25 милливаттам на квадратный метр. Этого достаточно для того, чтобы запитать, к примеру, слуховой аппарат или лазерную указку.
Звучит скромно, не правда ли? Однако для прототипа, собранного буквально «на коленке», это немалые цифры. Команда предполагает, что с правильными настройками и правильными условиями они смогут добиться результата в 500 милливатт на квадратный метр. «Помимо освещения в вечерние и ночные часы, наше устройство идеально подойдет для выработки электричества везде, где это необходимо», поясняют они в своей статье.
Тригенерация: специальная технология мини-тэц
Тригенерация представляет собой использование тепловой энергии, получаемой при работе газопоршневых электростанций, для получения охлажденной воды (холода).
Технологически для выработки холода необходимо дополнительно установить холодильные установки (абсорбционные чиллеры). Они используют в качестве «источника» холода тепло.
Тригенерационная система является логическим развитием идеи о комбинированной выработке электро-энергии с утилизацией тепла, получаемого от работы газопоршневой электростанции. В зависимости от необходимого количества холода часть тепла (либо все) от ГПУ используется в технологическом цикле абсорбционных чиллеров. Таким образом, если на чиллер уйдет не все тепло с ГПУ, комплекс, помимо электроэнергии, сможет вырабатывать одновременно, и тепло, и холод. Данная технология применяется на объектах, имеющий постоянную потребность в холодоснабжении, или в вентиляции, например, при строительстве торгово-развлекательных или офисных центров.
Данная технология является прекрасной альтернативой компрессионным чиллерам, которые требуют для своей работы огромное количество э/э — использование абсорбционных холодильных машин является оптимальным техническим решением в случае высокой стоимости или дефицита электроэнергии. Они потребляют на порядки меньше электроэнергии, в сравнении с компрессорными установками и требуют, соответственно, меньших расходов. При этом, применение чиллеров крайне выгодно, в случаях, если мини-ТЭЦ вырабатывает тепло зимой (холод не нужен или нужен в малых количествах), а летом потребности в нем нет, но есть потребность в холоде.
Абсорбционные холодильные машины, работают по абсорбционному холодильному циклу, хладагентом является вода, абсорбентом – бромистый литий. Источником тепла может служить пар низкого давления или горячая вода. Агрегат работает без шума и вибрации. Эти машины идеальны для применения в больницах, учебных заведениях, офисах, торговых помещениях, на предприятиях легкой промышленности и теплофикационных установках.
Работа абсорбционной холодильной машины основана на поглощении паров хладагента, т. е. воды, бромистым литием с последующим выпариванием воды из раствора за счет внешнего источника теплоты. Одноступенчатая абсорбционная холодильная машина, с горячей водой или паром в качестве источника теплоты, обеспечивает экономичное и эффективное охлаждение при минимальном потреблении электроэнергии. Электроэнергия расходуется только на работу органов управления и насосов хладагента и раствора.
Абсорбционные чиллеры отличаются долговечностью и надежностью. В них не применяются фреоны, поэтому они являются экологически безопасной альтернативой традиционным электрическим холодильным машинам.
Абсорбционные холодильные машины могут располагаться как в помещении, так и на крыше здания мини-ТЭЦ.