Тепловой насос

Контрольные вопросы

Таблица 2

Таблица 1

ХАРАКТЕРИСТИК НАНОМАТЕРИАЛОВ

ОСОБЕННОСТИ ХИМИЧЕСКИХ И ФИЗИЧЕСКИХ

Лекция 18. Сравнительные технические характеристики наноматериалов

Вопросы: 1. Температуроустойчивые стеклокерамические и стеклокристаллические покрытия для химической и пищевой промышленности.

2. Высококремнеземистые волокна и материалы на их основе.

3. Ресурсосберегающие стеклообразные пеноматериалы.

4. Стеклообразные и ситалловые оптически прозрачные материалы.

5. Новые научные направления и технологии XXI века.

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

Сравнение технических характеристик материалов

Технические характеристики, которые будут достигнуты в ближайшее время	Современный уровень технических характеристик материалов
1. Температуроустойчивые стеклокерамические и стеклокристаллические покрытия для химической и пищевой промышленности. 1. Разработка рецептуры и технологии нанесения гетерогенных покрытий для автоклавов и реакционных камер: химическая устойчивость в 20%-ной соляной кислоте – 0,05 – 0,1 мг/см2·ч., сопротивление термоудару – 200 °С, температура формирования на сталь – до 780 °С. 2. Разработка рецептуры и технологии нанесения антикоррозионных покрытий на железо, титан, никель с службой эксплуатации при 1250 °С в течение 2000 ч.	0,1 мг/см2·ч 120°С 780 – 800°С. 1000 оС
2. Многофункциональные высококремнеземистые волокна и материалы на их основе 1. Разработка технологии фильтровального мате- риала для тонкой очистки металлов и носителей катализаторов при температуре эксплуатации 1100 - 1200°С и теплопроводности 0,15 Вт/м∙ºС.	900°С 0,25 Вт/м∙ºС
Аморфнокристаллические материалы нового поколения, получаемые спеканием стекол 1. Разработка технологии биоимплантантов и кост- ных остеопротезов, насадок параболических антенн спутниковой связи, детекторов теплового излучения: объемная масса 1,0 – 1,2 т/м3, удельная пористость не выше 40 %, коэффициент термического расширения (90 – 120)·10-7 К-1, теплопроводность 0,6 – 0,8 Вт/м·ºС.	1,5 т/м3 45 – 50 % 140·10-7 К-1 1,0 Вт/м·ºС
3. Ресурсосберегающие стеклообразные материалы 1. Разработка тепло- и звукоизолирующих материалов на основе пеностекла: плотность – 0,2 т/м3, прочность на изгиб – 100 МПа, на сжатие – 50 МПа, коэффициент звукопоглощения при 250 – 400 Гц –0,45, теплопроводность – 0,1 Вт/м∙ºС	0,25–0,3 т/м3 50–100 МПа 0,25 0,2 Вт/м∙ºС
4. Стеклообразные и ситалловые оптически прозрачные материалы 1. Разработка технологии оптических материалов для медицины и новой техники на основе фосфатных, силикофосфатных и других стекол: электрооптических стекол с величиной управляющего поля в 10 В/мкм; магнитооптических стекол с постоянной Верде до 0,36, лазерных стекол с порогом оптического пробоя до 15 Дж/см2, материалов для термостойких светофильтров с интегральным пропусканием в 90 % и термостойкостью 700 °С.	12 В/мкм 0,32 5–10 Дж/см2 90 % и 400°С

Дальнейшее развитие перспективных направлений научных исследований может привести к середине ХХI века к созданию новых керамических и стеклокристаллических материалов и технологий, способствующих развитию новых отраслей промышленности, обеспечивающих улучшение качества жизни человека и повышение экологической безопасности страны (табл. 2).

Новые научные направления и технологии ХХI века

Новые научные направления и технологии	Области использования	Эффект
1. Развитие принципов конвергенции неорганических, органических и биологических материалов	Энергетические установки нового типа, системы утилизации всех видов отходов, интенсификация производства биофункциональных материалов	Создание высокоэффективной экологически чистой энергетики, экологически здоровой среды обитания
2. Развитие мониторинга оксидных расплавов на основе нового стандарта для расплавов оксидных систем	Совершенствование технологий производства цемента, стекла, керамики, металлов	Сокращение энергозатрат на единицу продукции, повышение безопасности производства
3. Создание теоретических представлений о <пятом> состоянии вещества. Исследования физико-химических процессов в системах с наноразмерными величинами частиц (менее 10 нм)	Создание нового поколения материалов и их технологий, а также новых машин и оборудования с экстремальными свойствами. Создание многофункциональных микропроцессоров	Развитие новых отраслей промышленности, в том числе производства бытовых приборов
4. Создание программы компьютерного моделирования материалов, изделий и конструкций на основе развития принципов моделирования структуры и свойств кристаллических и аморфных сред	Дизайн и конструирование новых материалов, машин и механизмов, их испытание в виртуальном пространстве	Улучшение условий труда и повышение производительности труда. Сокращение сроков разработки материалов в автоматизированном процессе

1. Температуроустойчивые стеклокерамические и стеклокристаллические

покрытия для химической и пищевой промышленности.

2. Высококремнеземистые волокна и материалы на их основе.

3. Ресурсосберегающие стеклообразные пеноматериалы.

4. Стеклообразные и ситалловые оптически прозрачные материалы.

5. Новые научные направления и технологии XXI века.

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.