С.В.Коровкин, начальник отдела технологии
реконструкции и ремонта ОИАЭ ОАО "НИКИМТ-Атомстрой"
26.10.2009
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=2001
Вот уже несколько десятилетий в ядерной энергетике не создаются новые "прорывные" технологии. Мы достраиваем спроектированные 30 лет тому назад и замороженные в конце восьмидесятых годов прошлого века блоки АЭС. Новые строящиеся АЭС с реактором ВВЭР мало того, что принципиально ничем не отличаются от АЭС тридцатилетней давности, но заранее обречены на проблемы с топливом, так как своего урана в России явно недостаточно.
Из стана специалистов по быстрым реакторам, так и не сумевших за 50 лет создать хотя бы демонстрационный комплекс с замкнутым топливным циклом, продолжают звучать все те же бодрые заявления о перспективах использования в качестве ядерного топлива неисчерпаемых запасов урана-238 и необходимости строительства очередных БН-XX.
Что-то по инерции продолжают делать термоядерщики, сами уже не верящие в успех своего безнадежного предприятия, и развлекающие публику байками о транспортировке гелия-3 с Луны.
Застой в ядерной энергетике во многом объясняется твердой уверенностью подавляющего большинства атомщиков в том, что "альтернативы ядерной энергетике нет". Между тем в нескольких европейских странах уже сказали - спасибо, господа атомщики, в ваших услугах мы больше не нуждаемся.
Дело в том, что энергетические технологии не стоят на месте. За последние несколько лет мы стали свидетелями бурного распространения экономичных источников света, позволяющих в пять раз сократить расход электроэнергии на освещение. Несложный расчет показывает, что для России полный переход на энергоэффективные источники света означает уменьшение потребности в электрогенерирующей мощности примерно на 20 миллионов киловатт, то есть на величину, сопоставимую с той, которую должны дать 26 запланированных новых атомных блоков.
На очереди массовое освоение другой энергетической технологии - отопление с помощью тепловых насосов. Поскольку из общего количества энергии, потребляемого Россией в течение года, более четверти тратится на отопление, внедрение новых энергоэффективных технологий здесь приведет к значительному сокращению потребления энергетических ресурсов.
Тепловые насосы уже есть в квартире у каждого - это обычные холодильники. Принцип работы холодильника состоит в том, что тепловая машина, основным элементом которой является компрессор, передает тепло из внутреннего объема холодильника наружному воздуху.
Другой пример теплового насоса - кондиционер. Здесь тепло отбирается из воздуха в помещении и передается уличному воздуху.
Максимальный теоретический коэффициент полезного действия для тепловой машины
где ΔT - температурный перепад, срабатывающий в тепловой машине Tнагр - температура нагрева рабочего тела в градусах Кельвина
Для обратимой тепловой машины, коей является тепловой насос, основной характеристикой является коэффициент конверсии - величина, обратная коэффициенту полезного тепловой машины.
Максимальный теоретический коэффициент конверсии
Если принять температурный перепад между уличным воздухом и воздухом в помещении ΔT = 30oC, а температуру в помещении t = 25oC (T = 298oK), то максимальный теоретический коэффициент конверсии составит
Это означает, что затратив 1 кВт электроэнергии на привод теплового насоса, получим почти 10 кВт тепловой энергии для отопления. Для людей, далеких от термодинамики, это кажется чудом, однако чуда никакого нет - тепловая энергия не возникает заново, а передается от холодного источника теплому источнику.
Конечно, максимальный теоретический коэффициент конверсии недостижим. В современных тепловых насосах значение коэффициента конверсии достигает β =5, а в самых совершенных аппаратах β =7.
В США ежегодно производится около 1 млн. тепловых насосов, около 30% административных и жилых зданий оборудованы тепловыми насосами. При строительстве новых общественных зданий используются исключительно тепловые насосы. Эта норма была закреплена Федеральным законодательством США.
В Швеции 70% потребности в тепловой энергии обеспечивают тепловые насосы. В Стокгольме 12% всего отопления города обеспечивается тепловыми насосами общей мощностью 320 МВт, использующими в качестве источника тепла Балтийское море. Швеция первой среди развитых стран Запада хочет пойти на кардинальные меры в энергетической сфере, а именно - попытаться в течение 15 лет полностью отказаться от нефти, при этом не строя новых атомных электростанций.
В России тепловые насосы пока экзотика. Причиной тому является не только и не столько наша технологическая отсталость, но и климатические условия на большей части территории страны. Дело в том, что тепловые насосы хорошо работают только при температуре холодного источника до -5oС. При сильных морозах эффективность работы теплового насоса резко падает, а теплообменные поверхности покрываются коркой льда.
В США и Западной Европе тепловые насосы в качестве источника тепла используют, в основном, тепло воды близлежащего водоема или тепло прилегающего к зданию грунта.
В России, опять же из-за продолжительных зимних морозов, использование воды близлежащих водоемов проблематично, а грунт промерзает на глубину до полутора метров и больше. Эти факторы, конечно, не исключают применение тепловых насосов для отопления, но значительно удорожают их применение.
Однако энергетические технологии не стоят на месте. Запатентованный в 2009 году способ использования теплового насоса позволяет резко удешевить как установку теплового насоса, так и повысить эффективность его работы для российского климата. В качестве источника тепла для отопления предлагается использовать тепло, выделяющееся при замерзании воды. При фазовом переходе вода-лед на один килограмм замерзшей воды выделяется 334 кДж или 0.093 кВт•час тепловой энергии.
Для средней полосы России при применении современных утеплителей и стеклопакетов годовой расход тепла на отопление составляет около 60 кВт•час/м2.
Для дома площадью 100 м2 на отопление необходимо 6000 кВт•час тепловой энергии в год. Если использовать в качестве источника фазовый переход вода-лед, то необходимо 65 000 кг или 65 куб. м воды. Система отопления выглядит следующим образом:
В подвале дома расположен бассейн с водой. При работе теплового насоса прилегающий к слою воды воздух с температурой -2°÷0°С засасывается в тепловой насос, нагревает воздух в помещении и охлажденный до температуры -10° ÷ -5°С возвращается в бассейн. При контакте охлажденного воздуха с водой вода замерзает, а воздух нагревается. Водяной насос подает воду из-под слоя льда на поверхность льда, обеспечивая тем самым постоянный контакт воздуха с водой.
При положительной температуре наружного воздуха включается вентилятор и происходит приток теплого воздуха в бассейн и таяние льда. При мощности вентилятора 200 Вт и температуре наружного воздуха +15°C лед в бассейне растает за 15 дней. Электрическая мощность, необходимая для работы теплового насоса при отоплении дома, даже в сильные морозы не превысит 1 кВт.
Годовой расход электроэнергии на отопление при коэффициенте конверсии β = 5 составит 1200 кВт•час. Устройство в подвале дома бассейна практически не приводит к удорожанию конструкции здания, требуется только гидроизоляция дна бассейна. Подобная система отопления легко реализуема и в многоэтажных домах. Разрабатываются проекты перевода уже существующих зданий на "ледяное" отопление.
Конечно, как и везде в технологических системах, максимальный эффект достигается при комплексном подходе к энергоэффективности. Так при замене ламп накаливания на экономичные источники света высвобождаются резервы электрической мощности как раз достаточные для новых систем теплоснабжения, а это значит, что нет необходимости в подключении новых электрических мощностей и прокладке новых сетей. Если в России, как и в Швеции до 70% всего отопления обеспечат тепловые насосы, то общая потребность страны в энергии сократиться на 10÷15%.
В заключение, несколько фактов, лично у меня, как у атомщика, пробуждающие чувство зависти:
Альтернативы ядерной энергетике нет?
/*/
С.В.Коровкин, инженер-теплофизик
16.12.2011
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=3470
В 2011 году был запатентован новый тип теплообменных аппаратов - теплообменные аппараты с изменяемой геометрией поверхности теплообмена. Аппараты такого типа могут применяться в технологических процессах, в которых на поверхности теплообмена образуется твердая фаза вещества. Речь, в первую очередь, идет о технологических процессах, связанных с образованием льда.
До сих пор для генерации льда применяли либо аппараты периодического действия "заморозка-оттаивание", либо аппараты с удалением льда с поверхности теплообмена различными видами скребков.
Первый тип аппаратов отличается низкой производительностью, второй - сложностью конструкции. Оба типа аппаратов также отличаются низкой энергоэффективностью.
Теплообменные аппараты с изменяемой геометрией поверхности теплообмена лишены этих недостатков.
Рассмотрим принцип действия аппарата, изображенного на Рис.1
Основным элементом аппарата является эластичный элемент, в данном случае представляющим собой тонкостенную эластичную трубу. В первой модификации аппарата в качестве эластичного элемента был использован пожарный шланг, внутренняя поверхность которого покрыта латексной резиной.
Через эластичный элемент насосом прокачивается вода. Наружная поверхность эластичного элемента омывается хладагентом (низкотемпературным теплоносителем), имеющим отрицательную температуру. Отрицательная температура хладагента поддерживается работой холодильника, через который прокачивается хладагент. Из-за теплообмена через оболочку эластичного элемента вода охлаждается и на внутренней поверхности эластичного элемента образуется слой льда. На выходе из эластичного элемента установлен клапан, в данном случае электромагнитный, периодически открывающий и закрывающий проток воды.
В "Положении 1" при закрытом клапане за счет работы насоса давление воды в эластичном элементе повышается выше внешнего давления и эластичный элемент раздувается.
В "Положении 2" клапан открыт, давление воды падает ниже давления хладагента и эластичный элемент сжимается.
При изменении геометрии оболочки эластичного элемента слой льда, намерзающий на внутренней поверхности элемента, разрушается, частицы льда отваливаются и уносятся потоком воды в резервуар.
Так как плотность льда меньше плотности воды, то лед поднимается в верхнюю часть резервуара. Если лед предполагается использовать для пищевых или технологических целей, то его можно забирать из верхней части резервуара любым способом.
Образующийся продукт представляет собой так называемый "мягкий лед" - кашеобразная масса, легко перекачиваемая насосом (Рис.2).
Очень важным является вопрос выбора материалов для эластичного элемента. На сегодняшний день наиболее подходящим вариантом является теплопроводящая резина типа КПТД с коэффициентом теплопроводности 1 Вт/м•град. Тепловой поток через оболочку эластичного элемента в этом случае составляет 5÷10 кВт/м2.
Аппарат получается настолько компактным, что его можно встроить непосредственно в тепловой насос.
Опыт использования резинотехнических изделий позволяет оценить долговечность работы эластичного элемента примерно в 10 лет, учитывая, что нагрузки не превышают 0.2 ат, а температурный режим колеблется около 0°С.
Чрезвычайно перспективным представляется использование данной технологии для создания отопительной системы с тепловым насосом.
Тепловые насосы уже есть в квартире у каждого - это обычные холодильники. Принцип работы холодильника состоит в том, что тепловая машина, основным элементом которой является компрессор, передает тепло из внутреннего объема холодильника наружному воздуху.
Другой пример теплового насоса - кондиционер. Здесь тепло отбирается из воздуха в помещении и передается уличному воздуху.
Максимальный теоретический коэффициент полезного действия для тепловой машины
где ΔT - температурный перепад, срабатывающий в тепловой машине Tнагр - температура нагрева рабочего тела в градусах Кельвина
Для обратимой тепловой машины, коей является тепловой насос, основной характеристикой является коэффициент конверсии - величина, обратная коэффициенту полезного тепловой машины.
Максимальный теоретический коэффициент конверсии
Если принять температурный перепад между уличным воздухом и воздухом в помещении ΔT = 30°K, а температуру в помещении t = 25°C (T = 298 K), то максимальный теоретический коэффициент конверсии составит
Это означает, что затратив 1 кВт электроэнергии на привод теплового насоса, получим почти 10 кВт тепловой энергии для отопления. Для людей, далеких от термодинамики, это кажется чудом, однако чуда никакого нет - тепловая энергия не возникает заново, а передается от холодного источника теплому источнику. Конечно, максимальный теоретический коэффициент конверсии недостижим. В современных тепловых насосах значение коэффициента конверсии достигает θ =5, а в самых совершенных аппаратах θ =7.
В США ежегодно производится около 1 млн. тепловых насосов, около 30% административных и жилых зданий оборудованы тепловыми насосами. При строительстве новых общественных зданий используются исключительно тепловые насосы. Эта норма была закреплена Федеральным законодательством США.
В Швеции 70% потребности в тепловой энергии обеспечивают тепловые насосы. В Стокгольме 12% всего отопления города обеспечивается тепловыми насосами общей мощностью 320 МВт, использующими в качестве источника тепла Балтийское море. Швеция первой среди развитых стран Запада хочет пойти на кардинальные меры в энергетической сфере, а именно - попытаться в течение 15 лет полностью отказаться от нефти, при этом не строя новых атомных электростанций.
В России тепловые насосы пока экзотика. Причиной тому является не только и не столько наша технологическая отсталость, но и климатические условия на большей части территории страны. Дело в том, что тепловые насосы хорошо работают только при температуре холодного источника до -5°С. При сильных морозах эффективность работы теплового насоса резко падает, а теплообменные поверхности покрываются коркой льда.
В США и Западной Европе тепловые насосы в качестве источника тепла используют, в основном, тепло воды близлежащего водоема или тепло прилегающего к зданию грунта.
В России, опять же из-за продолжительных зимних морозов, использование воды близлежащих водоемов проблематично, а грунт промерзает на глубину до полутора метров и больше. К тому же более половины территории России находится в зоне вечной мерзлоты, где устройство грунтовых теплообменников невозможно в принципе.
Эти факторы, конечно, не исключают применение тепловых насосов для отопления, но значительно удорожают их применение.
Теперь, после появления теплообменных аппаратов с изменяемой геометрией поверхности теплообмена, положение меняется. Появилась возможность использовать в качестве источника энергии тепло, выделяющееся при замерзании воды.
Для средней полосы России при применении современных утеплителей и стеклопакетов годовой расход тепла на отопление составляет около 60 кВт•час/м2.
Для дома площадью 100 м2 на отопление необходимо 6000 кВт•час тепловой энергии в год. Если использовать в качестве источника тепла фазовый переход вода-лед, то необходимо 65 000 кг или 65 куб. м воды. Варианты размещения резервуара для воды приведены на рисунках 3. 4, 5.
Наиболее предпочтительными являются варианты Рис. 3 и Рис. 4, так как в этом случае используется так же тепло, накопленное грунтом. В средней полосе в течение всего зимнего периода на глубине 1÷2 м температура всегда выше нуля, поэтому часть льда в резервуаре будет таять за счет притока тепла от грунта.
Как уже отмечалось, мягкий лед, получающийся в аппарате, представляет собой текучую кашеобразную массу и может перекачиваться насосом. Открывается возможность использовать этот лед в качестве источника холода в летний период для охлаждения воздуха в помещениях. Например, в США, затраты электроэнергии на кондиционирование воздуха в жаркий период, примерно равны затратам электроэнергии на отопление в холодный период года. Появляется возможность значительно сократить затраты электроэнергии на охлаждение воздуха.
В отличие от грунтовых тепловых насосов, использующих для своей работы только тепло грунта, новая технология не требует устройства гигантских (несколько сотен квадратных метров) подземных теплообменников, для которых, к тому же, в местах уже сложившейся застройки, просто нет места.
Ввиду компактности и бесшумной работы возможна установка теплового насоса, использующего тепло фазового перехода вода-лед, для отопления жилого помещения за счет тепла сточных вод. Норма потребления воды для семьи из трех человек составляет 1 кубический метр в сутки. При замораживании такого количества воды выделится 334 000 кДж тепла. Этого количества тепла вполне достаточно для отопления стандартной трехкомнатной квартиры. Образующийся жидкий лед можно сбрасывать непосредственно в канализацию (Рис. 6).
Весьма легко реализуемой представляется возможность использовать жидкий лед в качестве хладагента в холодильниках для хранения продуктов, что позволяет экономить дополнительно около 10% электроэнергии.
Дадим оценку экономии энергии при переходе на отопление тепловыми насосами в масштабах страны.
При использовании схемы теплоснабжения "котельная - теплотрасса - квартира" с учетом коэффициента полезного действия котельной КПД(К) = 0.9 и коэффициента полезного действия теплотрассы КПД(Т) = 0.9 при тепловыделении 1 Вт от сжигания топлива в топке котла получаем 0.8 Вт тепла, дошедшего до квартиры.
При использовании схемы теплоснабжения "электростанция - линия электропередачи - тепловой насос" с учетом коэффициента полезного действия тепловой электростанции КПД(ТЭС) = 0.4, коэффициента полезного действия линии электропередачи КПД(ЛЭП) = 0.9 и коэффициента конверсии теплового насоса К(ТН) = 5 получаем, что на 1 Вт энергии, выделившейся при сжигании топлива на ТЭС, в квартире выделиться 1.8 Вт тепла.
Таким образом, можно сэкономить более половины топлива, идущего сейчас на отопление зданий. Так как на отопление расходуется четвертая часть всей производимой энергии, то экономия составит около 15 % от всего добываемого топлива.
С.В.Коровкин, инженер-теплофизик
31.01.2012
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=3538
В декабре 2011 года на сайте Proatom была опубликована моя статья "Теплообменные аппараты с изменяемой геометрией поверхности теплообмена". В статье были описаны теплообменные аппараты с изменяемой в процессе работы геометрией теплообменной поверхности. Такие аппараты обладают способностью самоочищаться от твердых отложений, что делает возможным использовать их, в частности, для генерации льда.
Планировалось, что демонстрационная модель аппарата будет выставлена на выставке "Архимед" в Москве в марте 2012 года. Демонстрационный аппарат был изготовлен раньше, чем предполагалось. В связи с поистине фантастическими возможностями, которые предоставляет Internet , отпала необходимость ждать начала выставки.
Желающие ознакомиться с работой аппарата, могут наблюдать ее на видеороликах:
Повторю основные тезисы моей предыдущей статьи:
Искренне благодарю редакцию за помощь и неравнодушие к проблемам изобретателей.
Размещено 29.05.2013.
Статьи других авторов
На главную
