stringtranslate.com

Отработанное тепло

Термические окислители могут использовать процесс регенерации отходящего тепла промышленных систем.
Кондиционеры извлекают тепло из внутреннего пространства жилища с помощью хладагента и передают его наружу жилища в виде отходов. Они выделяют дополнительное тепло, используя электроэнергию для питания устройств, которые передают тепло хладагенту и обратно.

Отработанное тепло — это тепло , которое вырабатывается машиной или другим процессом, использующим энергию , как побочный продукт выполнения работы . Все такие процессы выделяют некоторое количество отработанного тепла как фундаментальный результат законов термодинамики . Отработанное тепло имеет меньшую полезность (или в лексиконе термодинамики — меньшую эксергию или большую энтропию ), чем исходный источник энергии. Источниками отработанного тепла являются все виды человеческой деятельности, природные 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 нагреваются во время работы.

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

Тепловое хранение энергии , которое включает технологии как для краткосрочного, так и для долгосрочного удержания тепла или холода, может создавать или улучшать полезность отработанного тепла (или холода). Одним из примеров является отработанное тепло от оборудования для кондиционирования воздуха, хранящееся в буферной емкости для обогрева в ночное время. Другим примером является сезонное хранение тепловой энергии (STES) на литейном заводе в Швеции. Тепло хранится в коренной породе, окружающей группу скважин, оборудованных теплообменниками, и используется для отопления помещений на соседнем заводе по мере необходимости, даже месяцы спустя. [1] Примером использования STES для использования естественного отработанного тепла является Drake Landing Solar Community в Альберте , Канада, которая, используя группу скважин в коренной породе для межсезонного хранения тепла, получает 97 процентов своего круглогодичного тепла от солнечных тепловых коллекторов на крышах гаражей. [2] [3] Другое применение STES — хранение зимнего холода под землей для летнего кондиционирования воздуха. [4]

В биологическом масштабе все организмы отбрасывают отработанное тепло в ходе своих метаболических процессов и погибнут, если температура окружающей среды будет слишком высокой, чтобы это допустить.

Антропогенное отходящее тепло может способствовать возникновению эффекта городского острова тепла . [5] Крупнейшие точечные источники отходящего тепла возникают из машин (таких как электрогенераторы или промышленные процессы, такие как производство стали или стекла) и потери тепла через ограждающие конструкции зданий. Сжигание транспортного топлива вносит значительный вклад в отходящее тепло.

Преобразование энергии

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

Источники

В большинстве 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 вырабатываются тепловым двигателем, работающим на источнике высокотемпературного тепла. Тепловой двигатель никогда не может иметь идеальную эффективность, согласно второму закону термодинамики , поэтому тепловой двигатель всегда будет вырабатывать избыток низкотемпературного тепла. Это обычно называют отходящим теплом или «вторичным теплом», или «низкопотенциальным теплом». Это тепло полезно для большинства отопительных приложений, однако иногда нецелесообразно транспортировать тепловую энергию на большие расстояния, в отличие от электроэнергии или топливной энергии. Наибольшая доля общего отходящего тепла поступает от электростанций и двигателей транспортных средств. [ необходима цитата ] Крупнейшими отдельными источниками являются электростанции и промышленные предприятия, такие как нефтеперерабатывающие заводы и сталелитейные заводы. [ необходима цитата ]

Кондиционер

Обычные системы кондиционирования воздуха являются источником отработанного тепла, выделяя отработанное тепло в наружный окружающий воздух, одновременно охлаждая внутренние помещения. Такое вытеснение отработанного тепла из системы кондиционирования воздуха может ухудшить эффект городского острова тепла . [5] Отработанное тепло от системы кондиционирования воздуха можно сократить за счет использования пассивного охлаждения зданий и методов с нулевым потреблением энергии, таких как испарительное охлаждение и пассивное дневное радиационное охлаждение , последнее из которых отправляет отработанное тепло непосредственно в космическое пространство через инфракрасное окно . [6] [7]

Генерация электроэнергии

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

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

Промышленные процессы

Промышленные процессы, такие как переработка нефти , производство стали или стекла, являются основными источниками отработанного тепла. [9]

Электроника

Несмотря на небольшую мощность, утилизация отработанного тепла от микросхем и других электронных компонентов представляет собой значительную инженерную задачу. Это требует использования вентиляторов, радиаторов и т. д. для утилизации 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 резистору, и большая часть потребляемой им энергии преобразуется в тепло и требует систем охлаждения. [10]

Биологический

Люди, как и все животные, вырабатывают тепло в результате метаболизма . В теплых условиях это тепло превышает уровень, необходимый для гомеостаза у теплокровных животных, и утилизируется различными способами терморегуляции, такими как потоотделение и одышка . [11]

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

Утилизация

Тепло низкой температуры содержит очень мало мощности для выполнения работы ( Эксергия ), поэтому тепло квалифицируется как отходящее тепло и выбрасывается в окружающую среду. Экономически наиболее выгодным является сброс такого тепла в воду из моря , озера или реки . Если недостаточно охлаждающей воды, установка может быть оборудована градирней или воздухоохладителем для сброса отходящего тепла в атмосферу. В некоторых случаях возможно использование отходящего тепла, например, в системах централизованного теплоснабжения .

Использует

Преобразование в электричество

Существует множество различных подходов к преобразованию тепловой энергии в электрическую, и соответствующие технологии существуют уже несколько десятилетий.

Общепринятым подходом является использование термоэлектрического устройства [12] , где изменение температуры в полупроводниковом материале создает напряжение посредством явления, известного как эффект Зеебека .

Схожий подход заключается в использовании термогальванических элементов , где разница температур приводит к возникновению электрического тока в электрохимической ячейке. [13]

Органический цикл Ренкина , предлагаемый такими компаниями, как Ormat , является очень известным подходом, при котором в качестве рабочего тела вместо воды используется органическое вещество. Преимущество заключается в том, что этот процесс может отводить тепло при более низких температурах для производства электроэнергии, чем обычный пароводяной цикл. [14] Примером использования парового цикла Ренкина является двигатель Cyclone Waste Heat .

Когенерация и тригенерация

Отходы побочного тепла сокращаются, если используется система когенерации , также известная как система комбинированного производства тепла и электроэнергии (CHP). Ограничения по использованию побочного тепла возникают в первую очередь из-за проблем с инженерными затратами/эффективностью при эффективном использовании небольших разниц температур для генерации других форм энергии. Приложения, использующие отходящее тепло, включают подогрев бассейнов и бумажные фабрики . В некоторых случаях охлаждение также может производиться с помощью, например, абсорбционных холодильников , в этом случае это называется тригенерацией или CCHP (комбинированное охлаждение, тепло и электроэнергия).

Централизованное теплоснабжение

Отработанное тепло может использоваться в централизованном отоплении . В зависимости от температуры отработанного тепла и системы централизованного отопления, тепловой насос должен использоваться для достижения достаточных температур. Это простой и дешевый способ использования отработанного тепла в холодных системах централизованного отопления , поскольку они работают при температуре окружающей среды, и поэтому даже низкосортное отработанное тепло может использоваться без необходимости использования теплового насоса на стороне производителя. [15]

Предварительный нагрев

Отработанное тепло может быть использовано для нагрева входящих жидкостей и объектов до того, как оно будет сильно нагрето. Например, отработанное тепло может отдаваться входящей воде в теплообменнике перед нагревом в домах или на электростанциях .

Антропогенное тепло

Антропогенное тепло — это тепло, вырабатываемое людьми и деятельностью человека. Американское метеорологическое общество определяет его как «тепло, выделяемое в атмосферу в результате деятельности человека, часто включающей сжигание топлива. Источники включают промышленные предприятия, отопление и охлаждение помещений, человеческий метаболизм и выхлопные газы транспортных средств. В городах этот источник обычно вносит 15–50 Вт/м 2 в местный тепловой баланс и несколько сотен Вт/м 2 в центре крупных городов в холодном климате и промышленных зонах». [16] В 2020 году общий антропогенный годовой выброс энергии составил 168 000 тераватт-часов; учитывая площадь поверхности Земли 5,1×10 14 м 2 , это составляет глобальную среднюю скорость антропогенного выделения тепла 0,04 Вт/м 2 . [17] [18]

Воздействие на окружающую среду

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

Антропогенное тепло вносит гораздо меньший вклад в глобальное потепление , чем парниковые газы . [20] В 2005 году антропогенный отходящий тепловой поток в глобальном масштабе составлял всего 1% потока энергии, создаваемого антропогенными парниковыми газами. Тепловой поток распределен неравномерно, в некоторых регионах он выше, чем в других, и значительно выше в определенных городских районах. Например, глобальное воздействие отходящего тепла в 2005 году составило 0,028 Вт/м 2 , но было +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] климатическое воздействие от отходящего тепла обычно не рассчитывается в современных глобальных климатических симуляциях. Эксперименты с равновесным климатом показывают статистически значимое континентальное потепление поверхности (0,4–0,9 °C), вызванное одним сценарием AHF 2100, но не текущими или 2040 оценками. [21] Простые оценки глобального масштаба с различными темпами роста антропогенного тепла [23] , которые были актуализированы недавно [24], показывают заметный вклад в глобальное потепление в последующие столетия. Например, темп роста отходящего тепла на 2% в год привел к повышению на 3 градуса в качестве нижнего предела для 2300 года. Между тем, это было подтверждено более точными модельными расчетами. [25]

В научной работе 2008 года было показано, что если антропогенные выбросы тепла продолжат расти нынешними темпами, они станут источником потепления, столь же сильным, как выбросы парниковых газов в 21 веке. [26]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Андерссон, О.; Хэгг, М. (2008), «Доставка 10 — Швеция — Предварительный проект сезонного хранилища тепла для IGEIA — Интеграция геотермальной энергии в промышленные приложения». Архивировано 11 апреля 2020 г. на Wayback Machine , стр. 38–56 и 72–76, получено 21 апреля 2013 г.
  2. ↑ Вонг, Билл (28 июня 2011 г.), «Drake Landing Solar Community» Архивировано 04.03.2016 в 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. на семинаре по возобновляемому теплу Wayback Machine .
  4. ^ Paksoy, H.; Stiles, L. (2009), «Система холодного хранения тепловой энергии водоносного слоя в колледже Ричарда Стоктона». Архивировано 12 января 2014 г. на Wayback Machine , Effstock 2009 (11-я международная выставка) — Хранение тепловой энергии для эффективности и устойчивого развития, Стокгольм.
  5. ^ ab Kovats, Sari; Brisley, Rachel (2021). Betts, RA; Howard, AB; Pearson, KV (ред.). «Здоровье, сообщества и застроенная среда» (PDF) . Третий технический отчет по оценке рисков изменения климата в Великобритании . Подготовлено для Комитета по изменению климата, Лондон: 38. Хотя потребление может автономно увеличиться в будущем, полагаться на кондиционирование воздуха для борьбы с риском является потенциально неадаптивным решением, и оно выбрасывает отработанное тепло в окружающую среду, тем самым усиливая эффект городского острова тепла.
  6. ^ Чэнь, Мэйцзе; Пан, Дэн; Янь, Хунцзе (ноябрь 2022 г.). «Цветные пассивные дневные радиационные охлаждающие покрытия на основе диэлектрических и плазмонных сфер». Applied Thermal Engineering . 216 : 119125. Bibcode :2022AppTE.21619125C. 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 посредством теплового излучения. Вместо того чтобы выделять отработанное тепло в окружающий воздух, как обычные системы охлаждения, радиационное охлаждение пассивно выбрасывает его в космическое пространство.
  7. ^ Aili, Ablimit; Yin, Xiaobo; Yang, Ronggui (февраль 2022 г.). «Пассивное охлаждение ниже уровня окружающей среды: радиационное охлаждение против испарительного охлаждения». Applied Thermal Engineering . 202 : 117909. arXiv : 2107.04151 . Bibcode : 2022AppTE.20217909A. doi : 10.1016/j.applthermaleng.2021.117909. S2CID  235790365 – через Elsevier Science Direct.
  8. ^ "Ежегодный отчет по электрогенераторам". Управление энергетической информации США . 1 января 2018 г.
  9. ^ Фернандес-Яньес, П. (2021). «Управление термическими процессами термоэлектрических генераторов для рекуперации энергии из отходов». Прикладная тепловая инженерия . 196 (опубликовано 1 сентября 2021 г.): 117291. Bibcode : 2021AppTE.19617291F. doi : 10.1016/j.applthermaleng.2021.117291 .
  10. ^ "Новые технологии' тратят энергию впустую". CNRS News . Получено 6 июля 2018 г.
  11. ^ Fiala D, Lomas KJ, Stohrer M (ноябрь 1999 г.). «Компьютерная модель терморегуляции человека для широкого спектра условий окружающей среды: пассивная система». J. Appl. Physiol . 87 (5): 1957–72. doi :10.1152/jappl.1999.87.5.1957. PMID  10562642. S2CID  5751821.
  12. ^ Фернандес-Яньес, П. (2021). «Управление термическими процессами термоэлектрических генераторов для рекуперации энергии из отходов». Прикладная тепловая инженерия . 196 (опубликовано 1 сентября 2021 г.): 117291. Bibcode : 2021AppTE.19617291F. doi : 10.1016/j.applthermaleng.2021.117291 .
  13. ^ Гунаван, А.; Лин, Ч. Х.; Баттри, Д. А.; Мухика, В.; Тейлор, Р. А.; Прашер, Р. С.; Фелан, П. Е. (2013). «Жидкостные 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.
  14. ^ Куоилен, Сильвен; Брук, Мартейн Ван Ден; Деклей, Себастьен; Деваллеф, Пьер; Лемор, Винсент (1 июня 2013 г.). «Технико-экономическое исследование систем органического цикла Ренкина (ORC)». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 22 : 168–186. doi : 10.1016/j.rser.2013.01.028 . Архивировано из оригинала 3 октября 2016 г. Получено 7 мая 2018 г.
  15. ^ Симона Буффа и др. (2019), «Системы централизованного теплоснабжения и охлаждения 5-го поколения: обзор существующих случаев в Европе», Renewable and Sustainable Energy Reviews , т. 104, стр. 504–522, doi : 10.1016/j.rser.2018.12.059
  16. ^ "Глоссарий метеорологии". AMS . Архивировано из оригинала 26 февраля 2009 года.
  17. ^ Ритчи, Ханна ; Розер, Макс ; Росадо, Пабло (27 октября 2022 г.). «Производство и потребление энергии». Наш мир в данных . Получено 24 марта 2023 г.
  18. ^ «Какова площадь поверхности Земли?». Universe Today . 11 февраля 2017 г. Получено 24 марта 2023 г.
  19. ^ "Эффект острова тепла: Глоссарий". Агентство по охране окружающей среды США . 2009. Архивировано из оригинала 20 апреля 2009 года . Получено 6 апреля 2009 года .
  20. ^ Чжан, Сяочунь (2015). «Временные масштабы и соотношения воздействия на климат из-за термических выбросов и выбросов углекислого газа из ископаемого топлива». Geophysical Research Letters . 42 (11): 4548–4555. Bibcode : 2015GeoRL..42.4548Z. doi : 10.1002/2015GL063514 .
  21. ^ ab Flanner, 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. S2CID  8371380. 
  22. ^ Блок, А., К. Кейлер и Э. Шаллер (2004). "Влияние антропогенного тепла на региональные климатические модели". Geophysical Research Letters . 31 (12): L12211. Bibcode : 2004GeoRL..3112211B. doi : 10.1029/2004GL019852 . Архивировано из оригинала 6 июня 2011 г.{{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. (онлайн).
  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. ^ Chaisson, EJ (2008). «Долгосрочное глобальное отопление от использования энергии» (PDF) . Eos . 89 (28): 253–260. Bibcode :2008EOSTr..89..253C. doi : 10.1029/2008eo280001 .
  26. ^ Cowern, Nick EB; Ahn, Chihak (ноябрь 2008 г.). «Тепловые выбросы и изменение климата: более холодные варианты для будущих энергетических технологий». Cowern Science . arXiv : 0811.0476 .