Преобразование тепловой энергии в холод – Способ преобразования тепла в холод (варианты) устройство для его осуществления (варианты) и система преобразования тепла в холод

Как из тепла сделать… холод?

В нашем воображении само понятие «теплофизика» обычно связывается с производством тепла,  эффективностью сжигания топлива, с получением энергии. Понятно, что для жителей Сибири тепло стоит на более важном месте, нежели холод. Тем не менее, производство холода – это тоже одна из актуальных задач для ученых, работающих в области теплофизики. И самое примечательное – для производства холода они предлагают привлекать всё то же тепло!

Зачем нужно производить холод, думаю, многим из нас понятно. Холод нужен для хранения продуктов, для создания благоприятного микроклимата в помещениях, для определенных производственных процессов. У каждого из нас в доме стоит холодильник,  все нормальные общественные здания оборудованы кондиционерами. Представьте себе кафе, магазин, гостиницу или бизнес-центр без кондиционера, и вы поймете, что система охлаждения не менее важна, чем система отопления, даже если речь идет о Сибири. Зимой, ясное дело, мы нуждаемся в тепле. А летом? Лето в наших краях тоже иногда бьет рекорды по жаре. А уж про южные страны и говорить нечего.

Короче говоря, современные параметры комфорта и потребность в хранении продуктов так или иначе требуют производства холода. И надо сказать, что из года в год потребность в искусственном холоде увеличивается как в России, так и за рубежом.

Как производят холод? На сегодняшний день существует два основных типа холодильных машин – парокомпрессионные холодильные машины и абсорбционные бромистолитиевые машины. Первый тип нам хорошо известен – так устроены наши бытовые холодильники, работающие от электросети. Работа таких машин основана на изменении агрегатных состояний холодильного агента – хладона (фреона) – под воздействием механической энергии. Для превращения электрической энергии в механическую здесь, как мы знаем, используются компрессоры.

Что касается холодильных машин второго типа, то их работа основана на химическом взаимодействии веществ рабочей пары – абсорбента и хладогента, и изменении агрегатного состояния хладогента под воздействием тепловой энергии. Иначе говоря, для своей работы такие машины используют тепло.

 И вот здесь мы как раз и подходим к самому важному моменту, касающемуся холодильных машин второго типа. Так вот, если в первом случае нам для производства холода необходимо тратить электроэнергию, то во втором случае мы вполне можем использовать «лишнее» тепло, которое при иных обстоятельствах очень часто вылетает в трубу (в буквальном смысле). Конечно, греющими источниками для таких машин могут служить и обычные энергоресурсы – газ или  мазут, но также можно вовсю использовать пар из котельных, промежуточные отборы ТЭЦ, горячую воду, дымовые газы или отходящие пары производств. Иначе говоря, тепло, выбрасываемое в атмосферу, благодаря абсорбционным машинам вполне пригодно для производства холода. То есть, в этом случае нет необходимости тратить ценные энергоресурсы - достаточно рачительно использовать «излишки» тепла, коих особенно много образуется как раз в летний период, когда имеет смысл охлаждать помещения.

Надо сказать, что экономичность – это одно из важнейших преимуществ абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин перед парокомпрессионными. Как мы понимаем, в условиях постоянного роста тарифов на электроэнергию это становится особенно важно.

Другое немаловажное преимущество – экологичность, связанная с  отсутствием хладонов (фреонов), применение которых ограничено во многих странах в соответствии с Монреальским и Киотским протоколами. На бромистолитиевые машины подобные ограничения не распространяются. Используемый здесь в качестве абсорбента водный раствор бромистого лития является нелетучим и нетоксичным, относящимся к малоопасным веществам.

Еще одно преимущество связано с низким уровнем шума при роботе. Также можно упомянуть простоту в обслуживании, длительный срок службы и пожаро- и взрывобезопасность.

Благодаря указанным преимуществам такие машины в состоянии найти широкое применение как в быту, так и в хозяйственной деятельности.  Спектр их применения достаточно широк – от металлургических предприятий, атомных электростанций, нефтехимических комбинатов – до тепличных хозяйств, многоквартирных домов, торговых центров и прочих общественных зданий, где требуется создать комфортный микроклимат. И самое важное (подчеркнем еще раз), этого комфорта можно добиться при минимальных затратах электроэнергии!

Разрабатывают ли в нашей стране такие машины? Да, разрабатывают! И даже производят. Как раз такой образец, разработанный специалистами Института теплофизики СО РАН, производится в Кемеровской области. Причем важно заметить, что отечественные машины обладают некоторыми  преимуществами в сравнении с иностранными.  Например, они, что называется, «подстраиваются» под конкретного потребителя. Наши специалисты используют гибкую систему проектирования и осуществляют сборку на самом объекте. Причем, заказчикам они могут предложить машину очень большой мощности – до 5,3 МВт. Кроме того, учитывая сложные реалии, разработчики предусмотрели  – специально для аварийных случаев – дублирование автоматической системы управления ручной системой (с помощью «кнопочек»). 

Однако такой индивидуальный подход выявил и свои слабые места. Речь идет о рыночной конкуренции с зарубежными серийными образцами (поступающими, главным образом, – из Китая). Так, зарубежные производители, «штампующие» такие машины на конвейере, в состоянии прибегнуть к демпингу. А если говорить о китайцах, то те вообще могут рассчитывать на государственную поддержку, осуществляя завоевание российского рынка. Нашим производителям государство помогать не собирается (и не будет).

Так что пока еще о серийном производстве отечественных машин речь не идет. Это, конечно, только в планах. Поэтому в настоящее время (что очень важно), специалисты ИТ СО РАН доводят свое детище до совершенства, максимально подстраиваясь под запросы каждого потребителя. Возможно, в этом индивидуальном подходе есть свой плюс. Не исключено, что такая вот «ручная сборка» когда-нибудь станет показателем высокого качества и будет высоко оценена на рынке.

 

Олег Носков

academcity.org

Энергия тепла и холода: зачем нужны термоэлектрики

Экология познания. Наука и техника:Новые материалы позволят получить полностью автономные источники электроэнергии.

Термоэлектрики — материалы, способные преобразовывать электрическую энергию в разницу температур или, наоборот, из разницы температур получить электричество — давно известны ученым, но новые технологии могут расширить сферу их применения. Сейчас термоэлектрики используются, например, для создания холода под действием напряжения. Правда, здесь речь идет не об обычных бытовых холодильниках, а о том, что через некоторые устройства, состоящие из полупроводниковых материалов, пропускается электрический ток и в результате возникает активное охлаждение. Такие устройства можно использовать, в том числе и в быту. Например, в корзинках для пикника, которые можно подключить к прикуривателю автомобиля, и от 12 вольт получать достаточно холода, чтобы продукты не испортились.  

Diomedia

Что касается генерации электроэнергии, то здесь использование термоэлектрических материалов пока на стадии экспериментальных моделей. Например, термоэлектрическое устройство устанавливается на автомобиль, и бросовое тепло, потерянное или в результате торможения, или в результате работы двигателя на холостом ходу, преобразуется в некоторую мощность. Около 40% потерянного тепла можно таким образом перевести в дополнительное электричество, в дополнительное питание бортовой системы.

Такого же типа устройства могут быть использованы в ЖКХ. Если в доме имеются нагревательные системы, значит есть и условия для создания разницы температур. А термоэлектрические материалы уже преобразуют избыточную часть тепла в дополнительное электричество. Правда, пока они это делают с очень малым КПД (6–7%).

Но и этого может хватить для обеспечения энергией телевизора или компьютера.

Термоэлектрические материалы были открыты довольно давно. Сначала немецкий ученый Томас Иоганн Зеебек обнаружил взаимосвязь между теплом и электричеством. Затем термоэлектрические явления более подробно изучил французский физик Жан Пельтье. Сумма законов Зеебека и Пельтье послужила основой для первого экспериментального наблюдения термоэлектрического эффекта. Его в середине XIX века произвел российский физик Эмилий Христианович Ленц. Он взял спай из проволок висмута и сурьмы, поместил на него каплю воды, пропустил электричество, и капля замерзла.

С тех пор прошло довольно много времени, прежде чем термоэлектрические материалы нашли практическое применение. Произошло это благодаря нашему соотечественнику академику Абраму Федоровичу Иоффе, который еще в 1940-е годы высказал идею, что термоэлектрические материалы из очень тяжелых элементов могут быть достаточно эффективны для применения. Иоффе предложил два соединения: теллурид висмута и теллурид свинца. Свои работы он опубликовал на рубеже 1940-1950-х годов, после чего началось развитие исследований в области термоэлектрических материалов с целью создать своего рода отрасль промышленности, которая эти термоэлектрические материалы будет выпускать.

Для того чтобы определить, насколько велика эффективность тех или иных термоэлектрических материалов, нужна была система измерения. И тогда придумали такую безразмерную величину, которая называется «добротность термоэлектрического материала». Она учитывает эффект передачи носителей заряда и эффект передачи носителей тепла в одном соединении.

Для соединений, предложенных академиком Иоффе, величина добротности составила примерно 0,6. Благодаря усилиям по легированию, допированию этих соединений, они за довольно короткое время были доведены до большей эффективности, равной уже 0,9, и началось промышленное производство.

С тех пор все попытки улучшить эффективность термоэлектрического материала были бесплодными, пока в середине 90-х годов XX века новую идею не выдвинул Слэк, американский физик из Ренселеровского политехнического университета. Он сказал, что раз огромную роль играют два процесса: транспорта носителей зарядов, то есть электронов или дырок, и транспорта фононов, то есть транспорта тепла, — то нужно создать такое соединение, в котором эти два типа транспорта будут разделены. И он придумал концепцию с названием «фононное стекло — электронный кристалл».

На базе этой концепции, которая уточнялась, видоизменялась (превратившись в «фононную жидкость и электронный кристалл»), в течение последних 15 лет были созданы новые термоэлектрические материалы. У каждого из них есть свои плюсы и минусы, но, если суммировать все, что мы имеем на сегодняшний день, то для того чтобы создать холод под действием электричества, нет ничего лучше теллурида висмута. А вот для того чтобы создавать электричество под действием температур в диапазоне 200-600 градусов, были найдены новые соединения.

Вопрос в том, как довести эти соединения до промышленных технологий.

Чем эти новые соединения интересны? Например, они не содержат такого элемента, как теллур, который является одним из самых редких элементов на Земле. А до сих пор без теллура не обходится производство ни одного термоэлектрического материала. То есть появилась возможность заменить его на более доступные вещества: железо, медь, сурьму, никель, серу, селен.

Появились и новые направления использования термоэлектрических материалов. Еще в 50-е — начале 60-х годов XX века их стали использовать в космосе. Идея заключалась в том, что тепло, необходимое для работы термоэлектрического материала, должен дать радиоактивный источник. Были созданы такие устройства, в которых образец плутония, саморазогреваясь, давал достаточно тепла для того, чтобы на автономных системах — спутниках, космических объектах — работали термоэлектрические материалы и давали бортовое питание.

Сегодня мы хорошо понимаем, что использование радиоактивных материалов небезопасно и уж никак нельзя перенести этот опыт на то, что мы называем объектами народного хозяйства или объектами быта — безопасность здесь превыше всего. Тем не менее, существуют идеи использования альтернативных источников тепла (например, инфракрасного излучения Солнца) для работы термоэлектрических материалов и преобразования тепловой энергии в электрическую.

На сегодняшний день ведется много разработок по всему миру, в том числе в МГУ и питерском Физтехе. Они показывают, что идеи, выдвинутые Слэком в середине 1990-х годов, все еще живы, и на их основе можно создать новые термоэлектрические материалы с более высоким КПД.

Уровень развития термоэлектрических разработок пока таков, что весь рынок составляет порядка $6 млрд в год, и его сильного увеличения пока не предвидится. Тем не менее, эффективность термоэлектрического материала, как материала, который работает, по сути дела, автономно, обеспечивая небольшое, но заметное замещение углеводородных источников энергии, нельзя сбрасывать со счетов. опубликовано econet.ru

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet

econet.ru

Создан преобразователь тепла в холод

А это привычные нам холодильники. Трудно представить жизнь современного человека без них - белых красавцев.

Инженеры Государственного университета Орегона (США) создали установку для улавливания тепла и преобразования его в холод, о чём сообщают нам журналисты сайта DailyTech. При проектировании этой установки учёные смогли совместить цикл газовой компрессии с циклом Ранке, в результате чего удалось добиться «возвращения» до 80% уходящей тепловой энергии, правда… в виде холода.

Скромных познаний в физике достаточно для того, чтобы представлять себе общую картину эффективности современных двигателей внутреннего сгорания. На полезную работу уходит всего 25–40% выделяемой при сгорании топлива энергии. Большая её часть в виде тепла «уходит» в окружающую среду. Схожая ситуация происходит на тепловых электростанциях и других промышленных объектах. Помимо повышенного расхода углеводородов, это вредит экологии и является причиной дискомфорта. Даже офисный компьютер может поднять температуру в помещении, не говоря уже про серверные стойки, которые могут нормально функционировать только под постоянным обдувом кондиционерами.

Количество искусственных источников тепла растёт с каждым днём, но, к счастью, научный прогресс не стоит на месте. Инженеры Государственного университета Орегона (США) создали установку для улавливания тепла и преобразования его в холод, о чём сообщают нам журналисты сайта DailyTech. При проектировании этой установки учёные смогли совместить цикл газовой компрессии с циклом Ранке, в результате чего удалось добиться «возвращения» до 80% уходящей тепловой энергии, правда… в виде холода. Преобразование улавливаемого тепла в электричество, к сожалению, не имеет такой эффективности, она составляет около 15–20%, хотя и это уже неплохо.

Очевидно, что подобные устройства могут быть использованы в самом широком спектре отраслей. К примеру, такую установку можно закрепить на выхлопной системе автомобиля, получая кондиционер, не требующий дополнительного расхода топлива.

Бюджет Министерства Обороны США является одним из источников финансирования данного проекта, потому ведомство заинтересовано в возможности охлаждения электроники в полевых условиях, за счёт (если можно так выразиться) тепла дизельных генераторов.

У специалистов университета уже имеется реально функционирующий прототип данной установки. Он работает именно так, как задумывали учёные, и продолжает совершенствоваться.

www.nanonewsnet.ru

Создан преобразователь тепла в холод

Скромных познаний в физике достаточно для того, чтобы представлять себе общую картину эффективности современных двигателей внутреннего сгорания. На полезную работу уходит всего 25-40% выделяемой при сгорании топлива энергии. Большая её часть в виде тепла "уходит" в окружающую среду. Схожая ситуация происходит на тепловых электростанциях и других промышленных объектах. Помимо повышенного расхода углеводородов, это вредит экологии и является причиной дискомфорта. Даже офисный компьютер может поднять температуру в помещении, не говоря уже про серверные стойки, которые могут нормально функционировать только под постоянным обдувом кондиционерами.



Количество искусственных источников тепла растёт с каждым днём, но, к счастью, научный прогресс не стоит на месте. Инженеры Государственного университета Орегона (США) создали установку для улавливания тепла и преобразования его в холод, о чём сообщают нам журналисты сайта DailyTech. При проектировании этой установки учёные смогли совместить цикл газовой компрессии с циклом Ранке, в результате чего удалось добиться "возвращения" до 80% уходящей тепловой энергии, правда… в виде холода. Преобразование улавливаемого тепла в электричество, к сожалению, не имеет такой эффективности, она составляет около 15-20%, хотя и это уже неплохо.

Очевидно, что подобные устройства могут быть использованы в самом широком спектре отраслей. К примеру, такую установку можно закрепить на выхлопной системе автомобиля, получая кондиционер, не требующий дополнительного расхода топлива. Бюджет Министерства Обороны США является одним из источников финансирования данного проекта, потому ведомство заинтересовано в возможности охлаждения электроники в полевых условиях, за счёт (если можно так выразиться) тепла дизельных генераторов. У специалистов университета уже имеется реально функционирующий прототип данной установки. Он работает именно так, как задумывали учёные, и продолжает совершенствоваться.