Science.tatsel.tu - Молекулярно-кинетическая теория  
  Испарение и
конденсация
Пленочное
кипение
Сверхтекучий
гелий
События и
мероприятия
Библиотека  


Испарение и конденсацияПленочное кипениеСверхтекучий гелийСобытия и мероприятияБиблиотека• История холода• Разделение газовых смесей БольцманиадаХейке Камерлинг-ОннесКриогениус


Бродянский В.М. От твердой воды до жидкого гелия (история холода)

Перспективы развития низкотемпературной техники

Итак, что можно сказать о ближайших перспективах развития низкотемпературной техники и технологии? Если оставить в стороне конструктивные улучшения техники, которые будут происходить постоянно, но дают сравнительно небольшой эффект, а обратиться к фундаментальным, то нужно назвать четыре. (Напомним, что термин «техника» охватывает все то, посредством чего достигается нужный результат; термин "технология" – все способы, которыми он достигается. Первый связан с вопросом «чем?», второй – «как»?)

1. Использование текучих рабочих тел с новыми полезными теплофизическими свойствами, в том числе смесей жидкостей в метастабильном состоянии2 и двухфазном (типа "шуги"). (Имеются в виду переохлажденные жидкости, т.е. охлажденные ниже температуры затвердевания, но остающиеся жидкостями - см. гл. 7.)

2. Применение новых способов сжатия, расширения и транспортировки рабочих тел в электрическом и магнитном полях.

З. Использование вторичных и других низкотемпературных энергетических ресурсов для привода (основного или вспомогательного) оборудования низкотемпературных систем.

4. Использование электрокалорического и магнитокалорического (ЭК и МК) эффектов на основе поиска новых диэлектриков и магнетиков, а также высокотемпературной сверхпроводимости.

Прогнозировать новые приложения низкотемпературной техники в разных технологиях - это еще более трудная задача; их число очень велико. Единственное, что следует при этом отметить – это тенденция ко все большему выходу криотехнологий за пределы области их известных применений: пищевой, медицинской, биологической, а также радиоэлектронной. Здесь можно выделить два новых направления – криохимию и криоэнергетику. Криохимия возникла в связи с открытием своеобразных химических реакций, активно протекающих при низких температурах. Это открывает большие возможности создания новых веществ и материалов.

Интерес к криоэнергетике возник в связи с неизбежным в перспективе освоением полярных областей на Земле и необходимостью освоения ближнего космоса, в частности поверхности Луны. Использование низких температур окружающей среды в этих условиях дает возможность создания достаточно эффективной и, главное, экологически чистой энергетики:

Необходимо в заключение уделить внимание несколько неожиданному, но очень важному направлению низкотемпературной техники – использованию ее не для охлаждения, а для нагревания различных объектов при температурах 80-1500?С и выше. Этот, на первый взгляд противоречащий нормальной логике перенос: техника, специально созданная для производства холода, используется для диаметрально противоположной ее назначению цели, да еще в несвойственной ей температурной области.

Возникает, естественно, два классических вопроса: каким образом это стало возможно и зачем это нужно?

Ответ на первый вопрос будет дан ниже; предварительно можно лишь отметить, что поскольку перенос технических идей из "горячей' области в "холодную" осуществляется успешно3, то обратный процесс тоже не исключается. (Вспомним, например, турбодетандер Капицы, родившейся от "теплых" паровой и водяной турбин (см. п. 8.1), или столь же "холодный" регенератор Френкля (п. 8.1), происходящий от горячих регенераторов металлургических печей. Да и сама парокомпрессионная холодильная установка – это, по существу, паровая машина, пущенная "наоборот".)

Однако, кроме возможности, надо принимать во внимание и целесообразность. Ведь гораздо проще производить нагрев старым, известным тысячи лет классическим способом – непосредственным сжиганием топлива! Однако оказывается, что этот простой путь далеко не всегда хорош как с экономической, так и с экологической точек зрения.

Известно, что современная энергетика в основном базируется, несмотря на появление атомных электростанций, на сжигании ископаемого органического топлива (угля, нефти и газа). Настоятельная необходимость его экономии очевидна. Дело не только в истощении запасов и возрастающей стоимости добычи. Не меньшее значение имеет и настоятельная необходимость замедлить, а затем и радикально снизить негативное воздействие энергетики на окружающую среду.

Работу в этом направлении можно вести как с "головы" энергетики (производство энергии из природных источников), так и со стороны "хвоста" (использование произведенной энергии). Когда говорят об энергетике, обычно основное внимание обращают на "голову" – производство электроэнергии. Находящиеся на "хвосте" потребители пользуются гораздо меньшим вниманием. Между тем, каждый 1 кВт·ч электроэнергии, используемый в конце энергетической цепи, стоит намного больше, чем в ее "голове". Действительно, если, например, КПД электростанции составляет 35%, системы электропередачи – 96%, а холодильника – 15%, то общий КПД всей цепочки преобразования энергии η=0,35·0,96·0,15=0,05, или 5%. (Напомним, что КПД – коэффициент полезного действия любого устройства преобразования энергии – это отношение действительного энергетического эффекта его работы к тому, который был бы получен, если бы оно было идеальным. Для тепловых и холодильных установок идеальным образцом служит цикл Карно - см. "первый научный комментарий", п. 2.2.) Это означает, что 1 кВт·ч электроэнергии, сэкономленный в холодильнике, даст экономию энергии в "голове", равную 1/0,05=20 кВт·ч! В денежном выражении разница будет еще больше, так как эксплуатационные затраты делаются не только вначале (на топливо), но и на всех этапах преобразования энергии.

Таким образом, как с точки зрения экономии ресурсов, так и уменьшения вредных воздействий на окружающую среду, нельзя недооценивать важность усовершенствования технических объектов, замыкающих цепочку энергетических превращений. О КПД расположенных именно здесь холодильных и криогенных установок мы уже говорили. Каков этот коэффициент у отопительных устройств?

Чтобы его вычислить, нужно сравнить действительный, реальный процесс нагрева с идеальным для тех же условий. Используем для этого формулу С. Карно, переместив цикл из нижней температурной области (под То.с) в верхнюю (над То.с). Тогда нижняя температура Т0 < То.с должна быть заменена на То.с, а верхняя "теплая", соответствующая условиям нагрева, - на Т>То.с. В этом случае значение L=((Т-То.с)/T)Q покажет работу, которую можно получить в идеальном процессе, используя теплоту Q при температуре Т>То.с.

Таким образом, значение работы L становится мерой качества, работоспособности теплоты Q. Из формулы видно, что чем выше Т, тем она больше при данной температуре среды Tо.с. Если температура очень высока, то работоспособность, измеряемая значением L, становится близкой (а в пределе и равной) Q, поскольку значение τ=(Т-То.с)/T=1-То.с)/T стремится к единице. Если же температура Т будет снижаться, то ценность теплоты, измеряемой ее работоспособностью, падает и при Т=То.с=293 K становится равной нулю, что видно из данных, приведенных ниже:

Т, K 3000 2000 1000 800 500 400 300 293
L/Q 0,90 0,85 0,71 0,63 0,41 0,27 0,02 0,0

Напротив, при высоких температурах энергетическая ценность теплоты очень высока, и она почти целиком может быть превращена в работу. Зная значение работоспособности (в термодинамике для нее используется термин "эксергия" [18]) теплоты Q, можно определить эффективность различных способов нагрева при разных температурах. Если речь идет, например, о металлургических процессах, где нужны температуры 1200-1500oС (1473-1773 К), то очевидно, что прямое использование теплоты, получаемой непосредственно при сжигании топлива (в идеале здесь τ→1) выгодно, поскольку τ горячего металла составляет 0,8-0,84. Однако для отопления и других процессов, где нужны температуры 80-150oС (353-423 К), ситуация выглядит иначе.

Соответствующее значение τ находится в пределах от 0,31 до 0,17. Это означает, что большая часть (60-80 %) работоспособности теплоты, которую можно было бы использовать для производства работы или электроэнергии, теряется бесполезно при ее переходе с верхнего уровня на нижний. Соответственно КПД таких процессов, когда, например, вода или воздух помещения нагреваются прямым сжиганием топлива или электроэнергией (у которой τ = 1) очень низок и не превышает 20%. При современной энергетической и экологической ситуации такая варварская трата работоспособности топлива в крупном масштабе недопустима.

Еще в прошлом веке некоторые выдающиеся научные деятели обратили внимание на это обстоятельство. Были намечены два пути решения задачи, но начало их реализаций было положено только в 20-х годах нашего века.

Первый из них – теплофикация - основан на том, чти турбины электростанций расширяют пар не до давления, соответствующего температуре окружающей среды То.с, как это делается на конденсационных электростанциях, а до некоторого промежуточного давления. При этом еще достаточно горячий пар может использоваться для отопления или других нужд либо непосредственно, либо нагревая воду. В результате такие станции (теплоэлектроцентрали) используют верхнюю часть перепада температур, которая бы терялась при непосредственном нагреве для получения работы, превращаемой в электро-энергию, а нижнюю его часть – для нагрева при промежуточной температуре Тн. Отдаваемая при этом работа несколько уменьшается, но зато нагрев осуществляется экономично – использованием отработанной низкотемпературной теплоты. Таким образом, весь интервал температур разбивается на две части – верхнюю от Т до Тн, которая используется для работы; и нижнюю – от Тн до То.с – для получения теплоты. Потеря работоспособности в интервале от Т до Тн, связанная с непосредственным нагревом потребителя, исключается, и расход топлива на цели обогрева снижается более чем вдвое.

Такой широко распространенный в нашей стране путь решения задачи отопления и нагрева – теплофикация – имеет и некоторые недостатки. Первый из них состоит в том, что производство теплоты тесно связано с выработкой электроэнергии, а соотношения в их потреблении существенно меняются как по сезонам, так и в течение суток. Второй связан с транспортированием горячей воды на большие расстояния по теплоизолированным трубам, что приводит к относительно большим затратам на их прокладку, ремонт и обслуживание.

Второй способ экономичного нагрева осуществляется не "сверху вниз" (от Т до Тн), как на ТЭЦ, а наоборот, "снизу вверх" (от То.с до Тн) на базе принципов холодильной техники. В. Томсон-Кельвин взглянул на парокомпрессионную холодильную установку в несколько неожиданном для своих современников (и не только для них) аспекте. Ведь ее назначение – забирать теплоту на низком уровне Т0 и отдавать на более высоком То.с>>Т0. Что, если ее "передвинуть" вверх по температурам?

Тогда нижним уровнем станет То.с, а верхним - Тн> То.с. В этом случае холодильная установка будет непрерывно "качать" бесплатную теплоту из окружающей среды (воды, воздуха или грунта) – на уровень Тг, , нужный для отопления и других целей, связанных с нагревом. Получится некий "тепловой насос". Энергия будет затрачиваться только на "перекачку" теплоты снизу вверх.

Выгодно ли это? Взглянем на рис. 2.9 и представим с его помощью процесс работы теплового насоса. Отличие от холодильной установки будет состоять только в том, что температуры сдвинутся вверх: Т0 будет заменена на То.с, а То.с на Тг. Тогда отрезок ав будет соответствовать теплоте Qо.с отбираемой из окружающей среды при То.с, а отрезок cd теплоте Qг, отдаваемой потребителю на уровне Тг; работа, нужная для этого, будет равна L (отрезок md). Очевидно, что произведенная теплота Qг=L+Qо.с будет больше как даровой теплоты, отобранной из окружающей среды, так и затраченной работы L. Отношение μ= Qг/L =(L+Qо.с.)/L называется коэффициентом преобразования теплового насоса; он всегда больше единицы. Если, например, Т= 293 K (20oС), а Тг= 353 K (80oС), то Qг/Qо.с=Tг/Tо.с=353/253=1,2. Следовательно, единица бесплатной теплоты из окружающей среды дала 1,2 единицы отопительной теплоты посредством затраты только 0,2 единиц работы! Коэффициент преобразования здесь составит μ = 1,2/0,2 = 6.

Это значение относится, разумеется, к идеальному случаю (цикл Карно). В реальных условиях при КПД теплового насоса η = 0,35÷0,4, μ = 2,1÷2,4.

Но и при таких показателях тепловой насос остается энергетически выгодным. Ведь получение такого же результата прямым электрическим или огневым нагревом потребовало бы затраты в 2,1-2,4 раза больше. В реальных условиях, когда часть теплоты теряется, эта разница еще возрастает. Выгода очевидна!

Тепловые насосы постоянно совершенствуются и находят все большее применение для отопления отдельных зданий, микрорайонов, ферм и т.д. Они дают наряду с теплофикацией большую экономию топлива.

Особенно эффективны они тогда, когда в качестве источника теплоты используются сточные воды, более теплые, чем окружающая среда. Тогда µ будет еще выше. Так, холодильная техника показала свои возможности в новой, "теплой" области, где, казалось бы, ее применение не имеет смысла.

Как это часто бывает при увеличении техническими новинками, находятся изобретатели – энтузиасты, идеи которых переходят границы реально возможного. Так произошло и с тепловыми насосами. Восхищенные тем фактом, что теплового насоса выше единицы (т.е: превышает 100 %) они решили, что это прообраз вечного двигателя, работающего "за счет неограниченного количества теплоты окружающей среды" и имею-щего КПД больше 100 % [7, 18]. Это, разумеется, ошибка, основанная на непонимании того простого факта, что µ - это совсем не КПД, который, как мы видели, не превышает 40%. Но, если бы даже он был 100%, из теплоты, даваемой тепловым насосом, можно было бы получить лишь ровно столько же работы, сколько было затрачено на его привод. Однако, если даже отбросить эти "ненаучно фантастические" идеи, тепловой насос - тепловое детище холодильной техники - входит в современную энергетику как ее существенно важный элемент.

Обо всем, что описано в этой книге, можно было бы рассказать еще много интересного и поучительного. К сожалению, она всего этого вместить не может. Что касается перспектив, то время покажет, как и какие направления низкотемпературной техники будут развиваться на пользу людям в оставшиеся годы ХХ в. и в дальнейшем.



    • Главная   • Библиотека   • История холода   • Перспективы развития низкотемпературной техники  

  Испарение и конденсация Пленочное кипение Сверхтекучий гелий События и мероприятия
Библиотека Больцманиада Камерлинг-Оннес Криогениус
 
  © Science.Tatsel.ru 2006-2017.
Молекулярно-кинетическая теория. Научные публикации.
Испарение и конденсация. Плёночное кипение. Сверхтекучий гелий.
о проекте
условия использования
контакты
карта сайта