Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Термические окислители могут использовать регенеративный процесс для отработанного тепла промышленных систем.
Установки кондиционирования воздуха отбирают тепло из интерьера жилища с помощью хладагента и передают его наружу в виде отходов. Они выделяют дополнительное тепло при использовании электричества для питания устройств, передающих тепло к хладагенту и от него.

Отработанное тепло - это тепло, которое вырабатывается машиной или другим процессом, в котором используется энергия , в качестве побочного продукта при выполнении работы . Все такие процессы выделяют некоторое количество отработанного тепла, что является фундаментальным результатом законов термодинамики . Отработанное тепло имеет более низкую полезность (или, в терминологии термодинамики, более низкую эксергию или более высокую энтропию ), чем исходный источник энергии. Источники отходящего тепла включают в себя все виды деятельности человека, естественные системы и все организмы, например, лампы накаливания нагреваются, холодильник нагревает воздух в помещении, здание нагревается в часы пик, двигатель внутреннего сгорания. генерирует высокотемпературные выхлопные газы, а электронные компоненты при работе нагреваются.

Вместо того, чтобы «растрачиваться» из-за выброса в окружающую среду, иногда отработанное тепло (или холод) может быть использовано другим процессом (например, с использованием горячей охлаждающей жидкости двигателя для обогрева транспортного средства), или часть тепла, которая в противном случае была бы потрачена впустую, может быть использована в другом процессе. можно повторно использовать в том же процессе, если в систему добавлено тепло подпитки (как в случае вентиляции с рекуперацией тепла в здании).

Накопление тепловой энергии , которое включает в себя технологии как для краткосрочного, так и для долгосрочного удержания тепла или холода, может создавать или улучшать использование отработанного тепла (или холода). Одним из примеров является отработанное тепло от оборудования для кондиционирования воздуха, которое хранится в буферном баке для обогрева в ночное время. Другой пример - сезонное накопление тепловой энергии (STES) на литейном заводе в Швеции. Тепло накапливается в скальной породе, окружающей группу скважин, оборудованных теплообменником, и используется для обогрева помещений на соседнем заводе по мере необходимости, даже спустя месяцы. [1] Примером использования STES для утилизации естественного отходящего тепла является компания Drake Landing Solar Community в Альберте., Канада, которая, используя группу скважин в коренных породах для межсезонного накопления тепла, получает 97 процентов своего круглогодичного тепла от солнечных тепловых коллекторов на крышах гаражей. [2] [3] Еще одно применение STES - хранение зимнего холода под землей для летнего кондиционирования воздуха. [4]

В биологическом масштабе все организмы отвергают отходящее тепло как часть своих метаболических процессов и погибнут, если температура окружающей среды будет слишком высокой для этого.

Некоторые считают, что антропогенное отходящее тепло способствует возникновению эффекта городского теплового острова . Самыми крупными точечными источниками отработанного тепла являются машины (например, электрические генераторы или промышленные процессы, такие как производство стали или стекла) и потери тепла через ограждающие конструкции зданий. Сжигание транспортного топлива является основным вкладом в отходы тепла.

Преобразование энергии [ править ]

Смотрите также: Второй закон термодинамики

Машины, преобразующие энергию, содержащуюся в топливе, в механическую работу или электрическую энергию, производят тепло в качестве побочного продукта.

Источники [ править ]

В большинстве энергетических приложений энергия требуется в нескольких формах. Эти формы энергии обычно включают некоторую комбинацию: отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха , механической энергии и электроэнергии . Часто эти дополнительные формы энергии производятся тепловым двигателем , работающим от источника высокотемпературного тепла. Согласно второму закону термодинамики, тепловая машина никогда не может иметь идеального КПД., поэтому тепловая машина всегда будет производить избыток низкотемпературного тепла. Это обычно называют отходящим теплом, или «вторичным теплом», или «низкопотенциальным теплом». Это тепло используется в большинстве систем отопления, однако иногда нецелесообразно передавать тепловую энергию на большие расстояния, в отличие от электроэнергии или энергии топлива. Наибольшая доля общего количества отработанного тепла приходится на электростанции и двигатели транспортных средств. [ необходима цитата ] Самыми крупными источниками являются электростанции и промышленные предприятия, такие как нефтеперерабатывающие и сталеплавильные заводы. [ необходима цитата ]

Производство электроэнергии [ править ]

Электрический КПД от тепловых электростанций определяется как отношение между входной и выходной энергии. Обычно она составляет всего 33%, если не учитывать полезность тепловой мощности для отопления здания. [5] На изображениях показаны градирни, которые позволяют электростанциям поддерживать низкий уровень разницы температур, необходимой для преобразования разницы тепла в другие формы энергии. Вместо этого можно выгодно использовать выброшенное или «ненужное» тепло, которое теряется в окружающую среду.

Угольная электростанция , преобразующая химическую энергию в электричество на 36% -48%, а оставшиеся 52% -64% в отходящее тепло.

Промышленные процессы [ править ]

Промышленные процессы, такие как переработка нефти , производство стали или стекла, являются основными источниками отходящего тепла.

Электроника [ править ]

Несмотря на небольшую мощность, утилизация отработанного тепла микрочипов и других электронных компонентов представляет собой серьезную техническую проблему. Это требует использования вентиляторов, радиаторов и т. Д. Для отвода тепла.

Например, центры обработки данных используют электронные компоненты, которые потребляют электроэнергию для вычислений, хранения и работы в сети. Французский CNRS объясняет, что центр обработки данных подобен сопротивлению, и большая часть потребляемой энергии преобразуется в тепло и требует систем охлаждения. [6]

Биологический [ править ]

Животные, в том числе люди, выделяют тепло в результате метаболизма . В теплых условиях, это тепло превышает уровень , необходимый для гомеостаза в теплокровных животных, и утилизировать различными терморегуляции методов , такие как потение и отдуваясь . Fiala et al. смоделированная терморегуляция человека. [7]

Градирни испаряют воду на электростанции Рэтклифф-он-Соар , Великобритания .

Удаление [ править ]

Низкотемпературное тепло обладает очень небольшой производительностью ( эксергия ), поэтому тепло квалифицируется как отходящее тепло и отбрасывается в окружающую среду. Экономически наиболее удобен отказ от такого тепла в воду из моря , озера или реки . Если нет достаточного количества охлаждающей воды, установка должна быть оборудована градирней, чтобы отводить отходящее тепло в атмосферу. В некоторых случаях можно использовать отходящее тепло, например, для отопления домов путем когенерации . Однако, замедляя выделение отходящего тепла, эти системы всегда влекут за собой снижение эффективности для основного потребителя тепловой энергии. [ необходима цитата ]

Использует [ редактировать ]

Когенерация и тригенерация [ править ]

Потери побочного тепла сокращаются, если используется система когенерации , также известная как система комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ). Ограничения на использование побочного тепла возникают в первую очередь из-за технических проблем с точки зрения затрат и эффективности при эффективном использовании небольших температурных перепадов для выработки других форм энергии. Применения, использующие отходящее тепло, включают обогрев плавательных бассейнов и бумажные фабрики . В некоторых случаях охлаждение также может производиться с помощью абсорбционных холодильников, например, в этом случае это называется тригенерацией или CCHP (комбинированное охлаждение, тепло и мощность).

Существует множество различных подходов к передаче тепловой энергии в электричество, и технологии для этого существуют уже несколько десятилетий. Органический цикл Ренкина , предлагаемые компании , такие как Ormat , является очень известным подходом, в котором органическое вещество используется в качестве рабочей среды вместо воды. Преимущество заключается в том, что этот процесс может отклонять тепло при более низких температурах для производства электроэнергии, чем при обычном пароводяном цикле. [8] Примером использования парового цикла Ренкина является Циклонный двигатель-утилизатор . Другой установленный подход заключается в использовании термоэлектрическогоустройство, в котором изменение температуры полупроводникового материала создает напряжение за счет явления, известного как эффект Зеебека . [9] Связанный подход - использование термогальванических ячеек , где разница температур вызывает электрический ток в электрохимической ячейке. [10]

Центральное отопление [ править ]

Отработанное тепло можно использовать в централизованном теплоснабжении . В зависимости от температуры отходящего тепла и системы централизованного теплоснабжения необходимо использовать тепловой насос для достижения достаточной температуры. Простой и дешевый способ использования отработанного тепла в холодных системах централизованного теплоснабжения , поскольку они работают при температуре окружающей среды, и поэтому даже низкопотенциальное отработанное тепло можно использовать без использования теплового насоса на стороне производителя. [11]

Предварительный нагрев [ править ]

Отработанное тепло можно заставить нагреть поступающие жидкости и предметы перед их сильным нагревом. Например, отходящая вода может отдавать свое отработанное тепло поступающей воде в теплообменнике перед отоплением в домах или на электростанциях .

Антропогенная жара [ править ]

Антропогенная жара

Антропогенное тепло - это тепло, выделяемое людьми и деятельностью человека. Американское метеорологическое общество определяет его как «Тепло , выделяющееся в атмосферу в результате человеческой деятельности, часто с участием сгорания топлива. Источники включают в себя промышленные предприятия, отопление и охлаждение помещений, человеческий метаболизм и выхлопы автомобилей. В городах этот источник , как правило , способствует 15 –50 Вт / м 2 к локальному тепловому балансу и несколько сотен Вт / м 2 в центре крупных городов с холодным климатом и в промышленных зонах ». [12]

Оценки антропогенного производства тепла могут быть сделаны путем суммирования всей энергии, используемой для отопления и охлаждения, работы бытовых приборов, транспорта и промышленных процессов, а также энергии , непосредственно выделяемой человеческим метаболизмом .

Воздействие на окружающую среду [ править ]

Антропогенная жара мало влияет на температуру в сельской местности и становится более значительной в густонаселенных городских районах. [13] Это одна из причин возникновения городских тепловых островов . Другие антропогенные эффекты (такие как изменение альбедо или потеря испарительного охлаждения), которые могут способствовать возникновению городских тепловых островов, не считаются антропогенной жарой в соответствии с этим определением.

Антропогенное тепло вносит гораздо меньший вклад в глобальное потепление, чем парниковые газы . [14] В 2005 году, хотя антропогенный поток отходящего тепла был значительно высоким в некоторых городских районах (и может быть высоким в регионах). Например, поток отработанного тепла составлял +0,39 и +0,68 Вт / м 2 для континентальной части США и Западной Европы соответственно) в глобальном масштабе на него приходился только 1% потока энергии, создаваемого антропогенными парниковыми газами. Глобальное воздействие отходящего тепла составило 0,028 Вт / м 2 в 2005 году. Прогнозируется, что эта статистика будет расти по мере того, как городские районы станут более распространенными. [15]

Хотя было показано, что отходящее тепло оказывает влияние на региональный климат [16], климатическое воздействие из-за сбросного тепла обычно не рассчитывается в современных моделях глобального климата. Эксперименты по установлению равновесия климата показывают статистически значимое потепление поверхности в континентальном масштабе (0,4–0,9 ° C), вызванное одним сценарием 2100 AHF, но не текущими оценками или оценками 2040 года. [15] Простые глобальные оценки с разными темпами роста антропогенного тепла [17] , которые были актуализированы недавно [18]покажут заметный вклад в глобальное потепление в следующие столетия. Например, темпы роста сбросного тепла на 2% в год привели к увеличению на 3 градуса в качестве нижнего предела для 2300 года. Между тем, это было подтверждено более точными модельными расчетами. [19]

Одно исследование показало, что если антропогенные выбросы тепла будут продолжать расти нынешними темпами, они станут источником такого же сильного потепления, как выбросы парниковых газов в 21 веке. [20]

См. Также [ править ]

  • Районное отопление
  • Установка утилизации отходящего тепла
  • Парогенератор-утилизатор
  • Щипковый анализ
  • Относительная стоимость электроэнергии, произведенной из разных источников
  • Городской остров тепла
  • Городской метаболизм
  • Глобальное потепление

Ссылки [ править ]

  1. ^ Андерссон, O .; Хэгг, М. (2008), «Результат 10 - Швеция - Предварительный проект сезонного накопителя тепла для IGEIA - Интеграция геотермальной энергии в промышленные приложения» , стр. 38–56 и 72–76, получено 21 апреля 2013 г.
  2. ↑ Вонг, Билл (28 июня 2011 г.), «Drake Landing Solar Community» Архивировано 4 марта 2016 г. на Wayback Machine , Конференция IDEA / CDEA District Energy / CHP 2011, Торонто, стр. 1–30, получено 21 апреля 2013 г.
  3. Перейти ↑ Wong B., Thornton J. (2013). Интеграция солнечных и тепловых насосов. Архивировано 15 октября 2013 года в мастерской по производству возобновляемого тепла Wayback Machine .
  4. ^ Паксой, H .; Стайлз, Л. (2009), «Система холодного хранения тепловой энергии водоносного горизонта в колледже Ричарда Стоктона». Архивировано 12 января 2014 года в Wayback Machine , Effstock 2009 (11-я Международная конференция) - Хранение тепловой энергии для повышения эффективности и устойчивости, Стокгольм.
  5. ^ «Годовой отчет электрогенератора» . Управление энергетической информации США . 2018-01-01.
  6. ^ "Потраченная впустую энергия новых технологий" . Новости CNRS . Проверено 6 июля 2018 .
  7. ^ Фиала D, Ломас KJ, Stohrer M (ноябрь 1999). «Компьютерная модель терморегуляции человека для широкого диапазона условий окружающей среды: пассивная система». J. Appl. Physiol . 87 (5): 1957–72. DOI : 10.1152 / jappl.1999.87.5.1957 . PMID 10562642 . 
  8. ^ Куойлин, Сильвен; Брук, Мартин Ван Ден; Деклай, Себастьян; Девальеф, Пьер; Леморт, Винсент (1 июня 2013 г.). «Технико-экономическое исследование систем органического цикла Ренкина (ORC)» . Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии . 22 : 168–186. DOI : 10.1016 / j.rser.2013.01.028 . Архивировано 3 октября 2016 года . Проверено 7 мая 2018 .
  9. ^ «Надежный способ превратить тепло в электричество» . sciencedaily.com . Архивировано 1 сентября 2017 года . Проверено 7 мая 2018 .
  10. ^ Гунаван, А; Lin, CH; Баттри, Д.А. Mujica, V; Тейлор, РА; Прашер, RS; Фелан, ЧП (2013). «Жидкие термоэлектрики: обзор недавних и ограниченных новых данных экспериментов с термогальваническими ячейками». Nanoscale Microscale Thermophys Eng . 17 (4): 304–23. Bibcode : 2013NMTE ... 17..304G . DOI : 10.1080 / 15567265.2013.776149 . S2CID 120138941 . 
  11. ^ Симона Буффа; и другие. (2019), «Системы централизованного теплоснабжения и охлаждения 5-го поколения: обзор существующих примеров в Европе», Renewable and Sustainable Energy Reviews , 104 , pp. 504–522, doi : 10.1016 / j.rser.2018.12.059
  12. ^ «Глоссарий метеорологии» . AMS . Архивировано из оригинала на 2009-02-26.
  13. ^ «Эффект острова тепла: глоссарий» . Агентство по охране окружающей среды США . 2009. Архивировано 20 апреля 2009 года . Проверено 6 апреля 2009 .
  14. ^ Чжан, Сяочунь (2015). «Временные масштабы и соотношения климатических воздействий из-за тепловых выбросов по сравнению с выбросами диоксида углерода из ископаемого топлива» . Письма о геофизических исследованиях . 42 (11): 4548–4555. Bibcode : 2015GeoRL..42.4548Z . DOI : 10.1002 / 2015GL063514 .
  15. ^ а б Фланнер, MG (2009). «Интеграция антропогенного теплового потока с глобальными климатическими моделями» (PDF) . Geophys. Res. Lett . 36 (2): L02801. Bibcode : 2009GeoRL..36.2801F . CiteSeerX 10.1.1.689.5935 . DOI : 10.1029 / 2008GL036465 .  
  16. ^ Блок, А. К. Keuler, и E. Schaller (2004). «Воздействие антропогенной жары на региональные климатические модели» . Письма о геофизических исследованиях . 31 (12): L12211. Bibcode : 2004GeoRL..3112211B . DOI : 10.1029 / 2004GL019852 . Архивировано 06.06.2011.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  17. ^ Р. Döpel , "Über умереть geophysikalische Schranke дер industriellen Energieerzeugung." Wissenschaftl. Zeitschrift der Technischen Hochschule Ilmenau, ISSN 0043-6917 , Bd. 19 (1973, H.2), 37-52. ( онлайн ). 
  18. ^ Х. Арнольд, « Роберт Дёпель и его модель глобального потепления. Раннее предупреждение - и его обновление». (2013) онлайн . 1-е изд .: "Роберт Дёпель унд сейн Модель дер глобален Эрвэрмунг. Eine frühe Warnung - und die Aktualisierung". Universitätsverlag Ilmenau 2009, ISBN 978-3-939473-50-3 . 
  19. ^ Chaisson, EJ (2008). «Долгосрочное глобальное нагревание за счет использования энергии» (PDF) . Эос . 89 (28): 253–260. Bibcode : 2008EOSTr..89..253C . DOI : 10.1029 / 2008eo280001 .
  20. ^ Кауэрн, Ник ЭБ; Ан, Чихак (ноябрь 2008 г.). «Тепловые выбросы и изменение климата: более холодные варианты для энергетических технологий будущего». Cowern Science . arXiv : 0811.0476 .