Тепловой насос. Сравнительные характеристики наноматериалов

Контрольные вопросы

Таблица 1

Сравнительные характеристики наноматериалов

В табл. 1 приведено сравнение технических характеристик материалов, по сравнению с лучшими мировыми образцами, которые будут достигнуты в ближайшее время в нашей стране.

Сравнение технических характеристик материалов

Технические характеристики, которые будут достигнуты в ближайшее время	Современный уровень технических характеристик материалов
Трансформационно-упрочненные керамические материалы 1. Разработка керамических материалов с прочностью до 800 − 3000 МПа, трещиностойкостью до 20 МПа·м0,5 и допустимой температурой эксплуатации до 800 °С.	800 − 1500 МПа 8 – 15 МПа∙м0,5 600 – 800 °С
Конструкционные материалы, армированные дискретными волокнами 1. Разработка керамических материалов, армированных волокнами нитрида кремния с прочностью 1000 МПа, трещиностойкостью более 15 МПа·м0,5, температурой эксплуатации более 1200°С.	700 – 800 МПа 7 – 10 МПа·м0,5 800 – 1000°С
Конструкционные материалы, армированные непрерывными волокнами 1. Разработка материалов с включением непре-
рывных волокон с прочностными характеристиками более 1000 МПа, с трещиностойкостью более 30 МПа и с температурой эксплуатации более 1400 °С.	300 – 800 МПа 15 – 20 МПа·м0,5 1200 °С
Конструкционные материалы на основе нитрида и карбида кремния 1. Разработка плотных керамических материалов с прочностью более 1000 – 1500 МПа, с трещиностойкостью до 25 МПа и с температурой эксплуатации до 1350 °С.	800 – 1000 МПа 6 – 12 МПа·м0,5 800 – 1200 °С
Материалы на основе ультрадисперсной керамики 1. Разработка технологии керамических материалов на основе стабилизированного диоксида циркония с прочностью до 1500–1600 МПа, трещиностойкостью до 30 МПа	1000 – 1200 МПа 10 – 15 МПа·м0,5 20 – 700 °С
Стекломатериалы для решения экологических задач и обеспечения пищевой промышленности 1. Разработка стеклообразных матриц для фиксации РАО: количество включаемых РАО – 30%, скорость выноса радионуклидов –1 08г/см2 в сутки, температура жидкой и твердой флюсовки 1000 °С 2. Разработка технологии невозвратных контейнеров для хранения РАО на основе стеклокристаллических материалов: контейнеры емкостью 0,3 – 0,9 м3 с днищем 3. 3. Разработка технологии облегченной стеклотары вместимостью 0,33л (310г). Экономия стекломассы на 1 тонну изделий	До 20 % 106 г/см2 сутки 1100 °С Аналог отсутствует 330 г 120 кг
Композиционные материалы и защитные покрытия в системе карбид кремния-углерод 1. Разработка композиционных материалов для создания защитных покрытий на основе карбида кремния с прочностными характеристиками до 1000 МПа, трещиностойкостью до 15 МПа·м0,5 и температурой эксплуатации до 1600 – 1700 °С.	400–600 МПа 4–8 МПа·м0,5 1300 °С

1 Плазменный способ получения чистых ультардисперсных тугоплавких оксидов.

2. Химическая реакция при плазмохимическом синтезе тугоплавких оксидов.

3. Особенности алюмомагнезиальной керамики.

4. Способ получения высокоплотной алюмомагнезиальной керамики из

нанопорошков.

5. Особенности образования шпинельной фазы алюмомагнезиальной

керамики.

6. Свойства трансформационно-упрочненной керамики.

7. Конструкционные материалы, армированные дискретными волокнами.

8. Конструкционные материалы, армированные непрерывными волокнами.

9. Конструкционные материалы на основе нитрида и карбида кремния.

10. Материалы на основе ультрадисперсной керамики.

11. Стекломатериалы для решения экологических задач и обеспечения

пищевой промышленности.

12. Композиционные материалы и защитные покрытия в системе карбид

кремния-углерод.

В народном хозяйстве развитых стран в больших количествах расходуется теплота, которая используется потребителями для различных теплотехнических нужд как на промышленных объектах, так и в быту.

Особенностью этого использования является то, что теплота при этомтребуется обычно невысокого потенциала (50—150° С) различных теплоносителей (пара, воздуха, горячей воды и т. д.). Получение теплоты для этих целей обычно производится путем сжигания органического топлива. Однако такой способ мало экономичен из-за высоких темпера тур сгорания топлива (1200—1800° С). Большой перепад температур между нагревающим и нагреваемым телами приводит к его значительному перерасходу. С точки зрения термодинамики это приводит к обесцениванию теплоты, получаемой при сгорании топлива, и обусловлено существенной степенью необратимости процесса теплообмена.

Между тем в природе есть большое количество источников низкопотенциальной теплоты (гейзеров, геотермальных вод, солнечной энергии, теплота воды в реках, озёрах и морей). В промышленности сбрасывается в окружающую среду огромное количество низкопотенциальной теплоты, которую уже невозможно использовать в традиционных технологических процессах и быту. Эти тепловые ресурсы называются вторичными (побочными) энергоресурсами (ВЭР). К ним относится теплота с потенциалом выше температуры окружающей среды (от 20^о С и выше). Эта теплота получается после промышленных технологий и после утилизации вызывает тепловое загрязнение природы, способствующее парниковому эффекту и мировому потеплению климата.

Эффективным способом в устранении этого явления служит применение так называемого теплового насоса. Основной задачей, решаемой с помощью теплового насоса, является не только использование ВЭР, но и бесплатную энергию окружающей среды.

Тепловой насос представляет собой обычную холодильную установку.

Тепловой насос основан на принципе холодильной машины и состоит из, испарителя 1, где отбирается теплота q₀ от источника низкопотенциальной теплоты, компрессора 2, который осуществляет сжатие пара холодильного агента, циркулирующего в системе, конденсатора 3, в котором конденсат отдаёт теплоту в сеть системы отопления, и регулирующего вентиля 4, где происходит расширение холодильного агента (с одновременным испарением жидкой фазы и охлаждением агента). Испаритель теплового насоса размещается в любой среде ВЭР, например, в жидкости, охлаждающей турбины, или в водоёмах с термальной водой.

Полезным эффектом теплового насоса является теплота, отданная в конденсаторе, т.е. обозначаемая в холодильном цикле, как q₂. Эффективность теплового насоса оценивается коэффициентом преобразования ω.

Установим связь коэффициентом преобразования теплового насоса с холодильным коэффициентом холодильной установки.

Таким образом, коэффициентом преобразования теплового насоса всегда на единицу больше холодильного коэффициента холодильной установки.

Величина холодильного коэффициента холодильной машины зависит от температурных условий, в которых она работает. Чтобы приблизить термический к. п. д. цикла теплового насоса к к. п. д. цикла Карно в том же интервале температур, целесообразно осуществлять цикл с влажным паром какого-либо вещества. Такой цикл отличается от цикла парокомпрессионной холодильной машины только диапазоном температур. В этом случае цикл теплового насоса принципиально представляет собой обращенный цикл паросиловой установки, работающей с влажным паром.

Чем выше температура среды, от котороы отбирается теплота (например, холодной воды в водоеме) и ниже температура, до которой должна быть нагрета вода в магистрали отопительной системы, тем выше холодильный коэффициент, а следовательно, и коэффициент преобразования. Для некоторых средних условий его величина может быть порядка 3—5.

Выгоду от применения теплового насоса для отопления можно наглядно оценить, сравнивая эту систему с системой, в которой для отопления использовался бы электрообогрев. Так как в электронагревателях электроэнергия целиком превращается в теплоту (коэффициент преобразования а ==1,0), то очевидно, что эффективность таких установок 3 – 5 раз ниже, чем в тепловом насосе. Поэтому непосредственное использование электроэнергии в нагревательных устройствах, с энергетической точки зрения крайне невыгодно.

Промышленностью выпускается тепловой насос НТ-80, предназначенный для тепло-, хладо- и комбинированного теплохладоснабжения различных объектов. В режиме теплоснабжения насос обеспечивает получение горячей воды с температурой 45—48 °С при температуре низкопотенциального теплоносителя не ниже 6 °С. В режиме хладоснабжения — получение холода с температурой до —25 °С насос обеспечивает при охлаждении конденсатора водой с температурой не выше 30 °С. В качестве источника низкопотенциальной теплоты в тепловом насосе используют водопроводную, артезианскую и термальную воду с температурой от 10 до 40 °С. Хладагентом в установке является хладон Ф-12. Теплопроизводительность при температуре кипения = 6°С и температуре конденсации = 61 °С составляет 130кВт. Холодопроизводительность при температуре кипения = 5°С и температуре конденсации == 35°С составляет 150 кВт.

Рис.

Весьма выгодно совмещения теплового насоса с паровой холодильной установкой, в которой теплота q₂ на выходе блока II является ВЭР.

Рассмотрим пример. На рис. блоками I и II обозначены соответственно тепловой насос и холодильная установка.

Связь с коэффициентом преобразования

Рис. 23.12. Схема теплового насоса

Тепловые насосы. Большие перспективы в качестве источников холода и теплоты низкого и даже среднего (до 300 °С) потенциала имеют тепловые насосы. Основным элементом теплонасосной установки является компрессор или абсорбционная машина.

На рис. 23.12 приведена схема теплового насоса для отопления здания. Элементы схемы: компрессор К,, конденсатор КД, регулирующий вентиль РВ и испаритель И составляют обычную компрессионную холодильную установку. Испарение холодильного агента в испарителе происходит за счет теплоты, получаемой от холодной воды, и энергии, подводимой к компрессору.

Насосом Н1 вода, служащая источником низкопотенциальной теплоты, подается в испаритель. В конденсаторе холодильный агент отдает часть своей теплоты воде из системы отопления СО.
Циркуляция подогретой воды осуществляется насосом Н2. Промышленностью выпускается тепловой насос НТ-80предназначенный для тепло-, хладои теплохладоснабжения различных объектов. В режиме теплоснабжения насос обеспечивает получение горячей воды с температурой 45—48 °С при температуре низкопотенциального теплоносителя не ниже 6 °С; в режиме хладоснабжения — получение холода с температурой до —25 °С при охлаждении конденсатора водой с температурой не

выше 30 °С. В качестве источника низкопотенциальной теплоты в тепловом насосе используют водопроводную, артезианскую и термальную воду с температурой от 10 до 40 °С. Хладагентом в установке является хладон Ф-12. Теплопроизводительность при температуре кипения /и=6°С и температуре конденсации <к==61 °С составляет 130кВт. Холодопроизводительность при температуре кипения (ц=5°С и температуре конденсации /к =35 °С составляет 150 кВт.