stringtranslate.com

Отходящее тепло

Термические окислители могут использовать процесс регенерации отработанного тепла промышленных систем.
Установки кондиционирования воздуха извлекают тепло из внутреннего пространства жилого помещения с помощью охлаждающей жидкости и передают его наружу в виде отходов. Они выделяют дополнительное тепло при использовании электричества для питания устройств, которые передают тепло к охлаждающей жидкости и от нее.

Отходящее тепло – это тепло , вырабатываемое машиной или другим процессом, использующим энергию , как побочный продукт выполнения работы . Все подобные процессы выделяют некоторое количество отработанного тепла, что является фундаментальным результатом законов термодинамики . Отходящее тепло имеет меньшую полезность (или, в терминах термодинамики, меньшую эксергию или более высокую энтропию ), чем исходный источник энергии. Источники отработанного тепла включают в себя все виды деятельности человека, природные системы и все организмы, например, лампы накаливания нагреваются, холодильник нагревает воздух в помещении, здание нагревается в часы пик, двигатель внутреннего сгорания генерирует высокую температуру. выхлопные газы и электронные компоненты нагреваются во время работы.

Вместо того, чтобы «тратиться» в окружающую среду, иногда отходящее тепло (или холод) может быть использовано в другом процессе (например, при использовании горячей охлаждающей жидкости двигателя для обогрева автомобиля), или часть тепла, которая в противном случае была бы потрачена впустую, может быть использована в другом процессе (например, при использовании горячей охлаждающей жидкости двигателя для обогрева транспортного средства). использоваться повторно в том же процессе, если в систему добавляется добавочное тепло (как в случае вентиляции с рекуперацией тепла в здании).

Хранение тепловой энергии , которое включает технологии как для краткосрочного, так и для долгосрочного сохранения тепла или холода, может создать или улучшить полезность отходящего тепла (или холода). Одним из примеров является отходящее тепло от оборудования для кондиционирования воздуха, хранящееся в буферном резервуаре для обогрева в ночное время. Другой вариант — сезонное хранение тепловой энергии (СТЭС) на литейном заводе в Швеции. Тепло сохраняется в скальной породе, окружающей группу скважин, оборудованных теплообменниками, и используется для обогрева помещений на соседнем заводе по мере необходимости, даже несколько месяцев спустя. [1] Примером использования STES для использования природного отходящего тепла является солнечное сообщество Drake Landing Solar Community в Альберте , Канада, которое, используя группу скважин в коренных породах для межсезонного хранения тепла, получает 97 процентов своего круглогодичного тепла от солнечной энергии . тепловые коллекторы на крышах гаражей. [2] [3] Еще одно применение СТЕС — хранение зимнего холода под землей для кондиционирования воздуха летом. [4]

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

Антропогенное отходящее тепло может способствовать возникновению эффекта городского острова тепла . [5] Крупнейшими точечными источниками отходящего 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 источником отходящего тепла.

Преобразование энергии

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

Источники

В большинстве энергетических приложений энергия требуется в различных формах. Эти формы энергии обычно включают в себя некоторую комбинацию: отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха , механической энергии и электроэнергии . Часто эти дополнительные формы энергии производятся тепловым двигателем , работающим на источнике высокотемпературного тепла. Согласно второму закону термодинамики , тепловая машина никогда не может иметь идеальный КПД , поэтому тепловая машина всегда будет производить избыток низкотемпературного тепла. Это обычно называют отходящим теплом, или «вторичным теплом», или «низкопотенциальным теплом». Это тепло полезно для большинства целей отопления, однако иногда нецелесообразно транспортировать тепловую энергию на большие расстояния, в отличие от электроэнергии или топливной энергии. Наибольшая доля общего отходящего тепла приходится на электростанции и двигатели транспортных средств. [ нужна цитата ] Крупнейшими источниками являются электростанции и промышленные предприятия, такие как нефтеперерабатывающие заводы и сталелитейные заводы. [ нужна цитата ]

Кондиционер

Обычные системы кондиционирования воздуха являются источником отработанного тепла, выделяя отработанное тепло в наружный воздух при охлаждении внутренних помещений. Выброс отработанного тепла от кондиционирования воздуха может усугубить эффект городского острова тепла . [5] Отходящее тепло от кондиционирования воздуха можно уменьшить за счет использования конструкции здания с пассивным охлаждением и методов с нулевым потреблением энергии, таких как испарительное охлаждение и пассивное дневное радиационное охлаждение , последнее из которых отправляет отходящее тепло непосредственно в космическое пространство через инфракрасное окно . [6] [7]

Выработка энергии

Электрический КПД тепловых электростанций определяется как соотношение между входной и выходной энергией. Обычно он составляет только 33%, если не учитывать полезность тепловой мощности для отопления здания. [8] На изображениях показаны градирни , которые позволяют электростанциям поддерживать низкую разницу температур, необходимую для преобразования разницы тепла в другие формы энергии. Выброшенное или «отходящее» тепло, которое теряется в окружающей среде, вместо этого может быть использовано с пользой.

Угольная электростанция . Они преобразуют химическую энергию в 36–48% электроэнергии, а оставшиеся 52–64% — в отходящее тепло.

Промышленные процессы

Промышленные процессы, такие как нефтепереработка , производство стали или стекла, являются основными источниками отходящего тепла. [9]

Электроника

Несмотря на небольшую мощность, утилизация отходящего тепла от микрочипов и других электронных компонентов представляет собой серьезную инженерную задачу. Это требует использования вентиляторов, радиаторов и т. д. для отвода тепла.

Например, в центрах обработки данных используются электронные компоненты, которые потребляют электроэнергию для вычислений, хранения и работы в сети. Французский CNRS объясняет, что центр обработки данных подобен резистору, и большая часть потребляемой им энергии преобразуется в тепло и требует систем охлаждения. [10]

Биологический

Люди, как и все животные, производят тепло в результате обмена веществ . В теплых условиях это тепло превышает уровень, необходимый для гомеостаза у теплокровных животных, и утилизируется различными методами терморегуляции , такими как потоотделение и дыхание . Фиала и др. моделировала терморегуляцию человека. [11]

Градирни , испаряющие воду на электростанции Рэтклифф-он-Сор , Великобритания

Утилизация

Низкотемпературное тепло содержит очень небольшую способность совершать работу ( эксергия ), поэтому тепло квалифицируется как отходящее тепло и выбрасывается в окружающую среду. Экономически наиболее удобным является отказ от такого тепла для воды из моря , озера или реки . Если недостаточно охлаждающей воды, установка может быть оборудована градирней или воздухоохладителем для отвода отработанного тепла в атмосферу. В некоторых случаях можно использовать отходящее тепло, например, в системах централизованного теплоснабжения .

Использование

Преобразование в электричество

Существует множество различных подходов к преобразованию тепловой энергии в электричество, а технологии для этого существуют уже несколько десятилетий.

Устоявшийся подход заключается в использовании термоэлектрического устройства [12] , где изменение температуры полупроводникового материала создает напряжение посредством явления, известного как эффект Зеебека .

Родственным подходом является использование термогальванических элементов , где разница температур приводит к возникновению электрического тока в гальваническом элементе. [13]

Органический цикл Ренкина , предлагаемый такими компаниями, как Ormat , представляет собой очень известный подход, при котором в качестве рабочей среды вместо воды используется органическое вещество . Преимущество заключается в том, что этот процесс может отводить тепло при более низких температурах для производства электроэнергии, чем обычный водопаровой цикл. [14] Примером использования парового цикла Ренкина является циклонный тепловой двигатель .

Когенерация и тригенерация

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 проблем инженерных затрат и эффективности эффективного использования небольших перепадов температур для производства других форм энергии. Приложения, использующие отходящее тепло, включают отопление плавательных бассейнов и бумажные фабрики . В некоторых случаях охлаждение также можно производить с помощью абсорбционных холодильников , например, в этом случае это называется тригенерацией или CCHP (комбинированное охлаждение, тепло и электроэнергия).

Районное отопление

Отходящее тепло можно использовать в централизованном теплоснабжении . В зависимости от температуры отходящего тепла и системы централизованного теплоснабжения необходимо использовать тепловой насос для достижения достаточных температур. Простой и дешевый способ использования отходящего тепла в холодных системах централизованного теплоснабжения , поскольку они работают при температуре окружающей среды и, следовательно, даже низкопотенциальное отходящее тепло можно использовать без необходимости использования теплового насоса на стороне производителя. [15]

Предварительный нагрев

Отходящее тепло можно заставить нагревать поступающие жидкости и предметы до того, как они сильно нагреются. Например, выходящая вода может отдавать отработанное тепло поступающей воде в теплообменнике перед нагревом в домах или на электростанциях .

Антропогенная жара

Антропогенное тепло – это тепло, выделяемое человеком и человеческой деятельностью. Американское метеорологическое общество определяет его как «Тепло, выбрасываемое в атмосферу в результате деятельности человека, часто связанное со сжиганием топлива. Источники включают промышленные предприятия, отопление и охлаждение помещений, обмен веществ человека и выхлопные газы транспортных средств. В городах этот источник обычно способствует 15 –50 Вт/м 2 в локальном тепловом балансе и несколько сотен Вт/м 2 в центре крупных городов, в холодном климате и в промышленных зонах». [16] В 2020 году общее годовое антропогенное энерговыделение составило 168 000 тераватт-часов; учитывая площадь поверхности Земли 5,1×10 14 м 2 , это составляет среднюю глобальную скорость антропогенного тепловыделения 0,04 Вт/м 2 . [17] [18]

Воздействие на окружающую среду

Антропогенное тепло оказывает небольшое влияние на температуру в сельской местности и становится более значительным в густонаселенных городских районах. [19] Это один из факторов образования городских островов тепла . Другие антропогенные эффекты (такие как изменения альбедо или потеря испарительного охлаждения), которые могут способствовать образованию городских островов тепла, по этому определению не считаются антропогенным теплом .

Антропогенное тепло вносит гораздо меньший вклад в глобальное потепление , чем парниковые газы . [20] В 2005 году антропогенный поток отработанного тепла во всем мире составлял лишь 1% от потока энергии , создаваемого антропогенными парниковыми газами. Тепловой поток распределяется неравномерно: в некоторых регионах он выше, чем в других, а в некоторых городских районах он значительно выше. Например, глобальное воздействие отходящего тепла в 2005 году составляло 0,028 Вт/м 2 , но составляло +0,39 и +0,68 Вт/м 2 для континентальной части США и Западной Европы соответственно. [21]

Хотя было показано, что отходящее тепло влияет на региональный климат, [22] воздействие на климат от отходящего тепла обычно не рассчитывается в современных моделях глобального климата. Эксперименты по равновесному климату показывают статистически значимое потепление поверхности в континентальном масштабе (0,4–0,9 °C), вызванное одним сценарием 2100 года, но не текущими оценками или оценками 2040 года. [21] Простые глобальные оценки с различными темпами роста антропогенного тепла [23] , которые были актуализированы в последнее время [24] , показывают заметный вклад в глобальное потепление в последующие столетия. Например, темпы роста отходящего 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. [25]

Научная статья 2008 года показала, что если антропогенные выбросы тепла будут продолжать расти нынешними темпами, они станут таким же сильным источником потепления, как выбросы парниковых газов в 21 веке. [26]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Андерссон, О.; Хэгг, М. (2008 г.), «Результат 10 - Швеция - Предварительный проект сезонного хранилища тепла для IGEIA - Интеграция геотермальной энергии в промышленные применения. Архивировано 11 апреля 2020 г. в Wayback Machine» , стр. 38–56 и 72–76, получено 21 апреля 2013 г.
  2. ↑ Вонг, Билл (28 июня 2011 г.), «Солнечное сообщество Drake Landing». 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. ^ Вонг Б., Торнтон Дж. (2013). Интеграция солнечных и тепловых насосов. Архивировано 15 октября 2013 г. в мастерской по возобновляемым источникам тепла Wayback Machine .
  4. ^ Паксой, Х.; Стайлз, Л. (2009 г.), «Система холодного хранения тепловой энергии водоносного горизонта в колледже Ричарда Стоктона». Архивировано 12 января 2014 г. в Wayback Machine , Effstock 2009 (11-е Международное мероприятие) - Хранение тепловой энергии для эффективности и устойчивости, Стокгольм.
  5. ^ аб Ковац, Сари; Брисли, Рэйчел (2021). Беттс, РА; Ховард, AB; Пирсон, К.В. (ред.). «Здоровье, сообщества и искусственная среда» (PDF) . Третий технический отчет Великобритании по оценке рисков изменения климата . Подготовлено для Комитета по изменению климата, Лондон: 38. Хотя в будущем потребление может увеличиться автономно, полагаться на кондиционирование воздуха для борьбы с риском является потенциально неадаптивным решением, поскольку оно выбрасывает ненужное тепло в окружающую среду, тем самым увеличивая городской остров тепла. эффект.
  6. ^ Чен, Мэйцзе; Панг, Дэн; Ян, Хунцзе (ноябрь 2022 г.). «Цветные пассивные дневные радиационно-охлаждающие покрытия на основе диэлектрических и плазмонных сфер». Прикладная теплотехника . 216 : 119125. doi :10.1016/j.applthermaleng.2022.119125. S2CID  251420566 – через Elsevier Science Direct. Одной из таких многообещающих альтернатив является радиационное охлаждение, которое представляет собой повсеместный процесс потери поверхностного тепла за счет теплового излучения. Вместо того, чтобы выделять отработанное тепло в окружающий воздух, как это делают традиционные системы охлаждения, радиационное охлаждение пассивно выбрасывает его в космическое пространство.
  7. ^ Айли, Аблимит; Инь, Сяобо; Ян, Жунгуй (февраль 2022 г.). «Пассивное охлаждение ниже окружающей среды: радиационное охлаждение по сравнению с испарительным охлаждением». Прикладная теплотехника . 202 : 117909. arXiv : 2107.04151 . doi : 10.1016/j.applthermaleng.2021.117909. S2CID  235790365 – через Elsevier Science Direct.
  8. ^ «Годовой отчет об электрогенераторе» . Управление энергетической информации США . 1 января 2018 года.
  9. ^ Фернандес-Яньес, П. (2021). «Тепловый менеджмент термоэлектрических генераторов для утилизации отходов энергии». Прикладная теплотехника (опубликовано 1 сентября 2021 г.). 196 : 117291. doi : 10.1016/j.applthermaleng.2021.117291 .
  10. ^ «Бесполезная трата энергии новых технологий». Новости CNRS . Проверено 6 июля 2018 г.
  11. ^ Фиала Д., Ломас К.Дж., Сторер М. (ноябрь 1999 г.). «Компьютерная модель терморегуляции человека для широкого спектра условий окружающей среды: пассивная система». Дж. Прил. Физиол . 87 (5): 1957–72. doi :10.1152/яп.1999.87.5.1957. PMID  10562642. S2CID  5751821.
  12. ^ Фернандес-Яньес, П. (2021). «Тепловый менеджмент термоэлектрических генераторов для утилизации отходов энергии». Прикладная теплотехника (опубликовано 1 сентября 2021 г.). 196 : 117291. doi : 10.1016/j.applthermaleng.2021.117291 .
  13. ^ Гунаван, А; Лин, Швейцария; Баттри, округ Колумбия; Мухика, В; Тейлор, РА; Прашер, Р.С.; Фелан, ЧП (2013). «Жидкие термоэлектрики: обзор недавних и ограниченных новых данных экспериментов с термогальваническими элементами». Наномасштабные микромасштабы Thermophys Eng . 17 (4): 304–23. Бибкод : 2013NMTE...17..304G. дои : 10.1080/15567265.2013.776149. S2CID  120138941.
  14. ^ Куойлин, Сильвен; Брук, Мартин Ван Ден; Деклей, Себастьен; Деваллеф, Пьер; Леморт, Винсент (1 июня 2013 г.). «Техноэкономическое обследование систем органического цикла Ренкина (ОРЦ)». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 22 : 168–186. дои : 10.1016/j.rser.2013.01.028 . Архивировано из оригинала 3 октября 2016 года . Проверено 7 мая 2018 г.
  15. ^ Симона Буффа; и другие. (2019), «Системы централизованного отопления и охлаждения 5-го поколения: обзор существующих примеров в Европе», Renewable and Sustainable Energy Reviews , vol. 104, стр. 504–522, doi : 10.1016/j.rser.2018.12.059
  16. ^ «Глоссарий метеорологии». АМС . Архивировано из оригинала 26 февраля 2009 года.
  17. ^ Ричи, Ханна; Розер, Макс; Росадо, Пабло (27 октября 2022 г.). «Производство и потребление энергии». Наш мир в данных . Проверено 24 марта 2023 г.
  18. ^ «Какова площадь поверхности Земли?». Вселенная сегодня . 11 февраля 2017 года . Проверено 24 марта 2023 г.
  19. ^ «Эффект острова тепла: Глоссарий». Агентство по охране окружающей среды США . 2009. Архивировано из оригинала 20 апреля 2009 года . Проверено 6 апреля 2009 г.
  20. ^ Чжан, Сяочунь (2015). «Временные масштабы и коэффициенты воздействия на климат из-за тепловых выбросов и выбросов углекислого газа из ископаемого топлива». Письма о геофизических исследованиях . 42 (11): 4548–4555. Бибкод : 2015GeoRL..42.4548Z. дои : 10.1002/2015GL063514 .
  21. ^ аб Фланнер, М.Г. (2009). «Интеграция антропогенного теплового потока с моделями глобального климата» (PDF) . Геофиз. Рез. Летт . 36 (2): L02801. Бибкод : 2009GeoRL..36.2801F. CiteSeerX 10.1.1.689.5935 . дои : 10.1029/2008GL036465. S2CID  8371380. 
  22. ^ Блок, А., К. Кейлер и Э. Шаллер (2004). «Воздействие антропогенного тепла на региональные климатические условия». Письма о геофизических исследованиях . 31 (12): L12211. Бибкод : 2004GeoRL..3112211B. дои : 10.1029/2004GL019852 . Архивировано из оригинала 6 июня 2011 года.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  23. ^ Р. Дёпель , «Über die geophysicalische Schranke der industriellen Energieerzeugung». Виссеншафтль. Zeitschrift der Technischen Hochschule Ilmenau, ISSN  0043-6917, Bd. 19 (1973, Ч.2), 37–52. (В сети).
  24. ^ Х. Арнольд, « Роберт Дёпель и его модель глобального потепления. Раннее предупреждение - и его обновление». (2013) онлайн. 1-е изд.: «Роберт Döpel und sein Modell der globalen Erwärmung. Eine frühe Warnung - und die Aktualisierung». Universitätsverlag Ильменау 2009, ISBN 978-3-939473-50-3 . 
  25. ^ Чессон, EJ (2008). «Долгосрочное глобальное отопление за счет использования энергии» (PDF) . Эос . 89 (28): 253–260. Бибкод : 2008EOSTr..89..253C. дои : 10.1029/2008eo280001 .
  26. ^ Каурн, Ник Э.Б.; Ан, Чихак (ноябрь 2008 г.). «Тепловые выбросы и изменение климата: более холодные варианты будущих энергетических технологий». Каурнская наука . arXiv : 0811.0476 .