«Технические науки»

Энергетика

Свириденко Ю.Ф., Кунцов В.П.

Южный филиал «Крымский агротехнологический университет» Национального аграрного университета

О возможностях применения эффекта Джоуля - Томсона в теплоэнергетике

С технической и научной точки зрения перед ХХΙ веком стоят три наиболее значительные проблемы: проблема энергетики, проблема обработки и передачи информации и проблема экологии. Эти проблемы тесно взаимосвязаны, но ведущей является энергетика. К энергетике относятся направления техники, связанные с производством, передачей и использованием энергии. Развитие энергетики определяет в значительной степени промышленный потенциал и темпы развития любого государства, так как прогресс в машиностроении, металлургии, электронике и других отраслях производства возможен только при обеспечении их необходимой энергией.

Энергетический потенциал страны определяется её энергоресурсами и топливно-энергетическим балансом. Энергоресурсы характеризуются запасами нефти, угля, природного газа, ядерного горючего и гидропотенциалом.

В энергетике особое значение имеет транспортировка энергии.

Известно, что существуют различные методы транспортировки энергии. Обычно метод транспортировки энергии определяется географическими или топографическими условиями, но в ряде случаев существует возможность выбора.

В прошлом энергетические потребности и состояние технологии были такими, что допускали возможность экономически оправданного строительства небольших энергопреобразующих установок. В этих случаях единственной проблемой транспортировки энергии была проблема подвоза топлива. Проблема транспортировки конечных энергоносителей, как правило, отсутствовала.

В наши дни большая часть потребителей энергии сосредоточена в крупных городах, возросли масштабы экономики и размеры отдельных промышленных предприятий, увеличились затраты на перевозку топлива, возникла неопределённость в отношении безопасности отдельных типов генерирующих установок. Всё это выдвинуло в число важнейших факторов проблему передачи энергии, как в виде топлива, так и в виде конечных энергоносителей. А также поиск альтернативных технологий и новых технологий энергосбережения. На долю тепловой энергии приходится более 75% из всего количества потребляемой энергии. Поэтому совершенствование тепловых установок является актуальной задачей современности.

Одним из возможных путей повышения эффективности тепловых систем – это применение эффекта Джоуля-Томсона.

Предлагается к обсуждению вопрос о замене энергоносителя в системах отопления с целью увеличения коэффициента полезного действия системы теплоисточник - потребитель.

Существующая система теплоснабжения характеризуется следующими недостатками:

- протяженность линий наружных (подводящих) систем отопления, что приводит к значительным потерям тепла и высокой трудоемкости обслуживания;

- невысокий коэффициент полезного действия теплогенераторов;

- большая материалоемкость системы и агрессивные свойства теплоносителя.

Устранение первого недостатка осуществляется установкой различных типов малых теплогенераторов - газовых, электрических, на твердом топливе с мощностью обеспечивающей обогрев помещений различного объема от 50 кубов до крупногабаритного дома (миникотельные). Однако передача топлива осуществляется традиционным способом – горячая вода по металлическим или металлопластиковым трубам.

Устранение второго недостатка осуществляется путем замены устаревших теплогенераторов на более современные с высоким КПД. Однако со временем за счет окисления и осадки нерастворимых солей теплопередача нагревательных приборов ухудшается и КПД снижается. Кроме того, зачастую усилия по увеличению КПД теплогенераторов сводятся «на нет» из-за высоких потерь тепла в линиях передачи, что ощутимо заметно в холодную погоду.

По третьему недостатку следует отметить, что теплоноситель выбран весьма неудачно, т.к. он обладает достаточно высокой агрессивностью ко всем материалам, загрязненностью и массой. Последний параметр приводит к дополнительным затратам по увеличению прочности теплотрасс.

Наше предложение, выносимое, на обсуждение могло бы, по крайней мере, в значительной степени уменьшить влияние указанных выше недостатков за счет применения теплогенераторов, работающих на эффекте Джоуля – Томсона. Этот эффект заключается в том, что при медленном дросселировании под действием перепада давления наблюдается изменение температуры реального газа, которое может быть как положительное ΔТ >0, так и отрицательное ΔТ < 0. Последнее нашло широкое применение в холодильной технике, которое, несмотря на наличие термопарных и полупроводниковых термоэлементов, конкурентов пока что не имеет из-за высокого КПД и простоты технического решения.

Перепад температур можно вычислить по формуле:

Из уравнения видно, что знак ΔТ определяется знаком, слагаемым в числителе (bRT- 2a), т.е. определяется параметрами реального газа а и в, и температурой сжатого газа. Для однокомпонентных газов температура сжатого газа при давлении 1Мпа (10 атм.), входящих в состав воздуха (О₂, N₂, Ar, Ne), составляет от 600⁰С до 2000⁰С.

Если во всем диапазоне давлений дифференциальный эффект Джоуля-Томсона положителен, то таким же будет и интегральный эффект, т.е. в результате дросселирования газ должен охлаждаться. При комнатных температурах это имеет место для большинства газов, в частности для воздуха и углекислоты. Если взять баллон с газообразной углекислотой под давлением 100-200 атм. и заставить ее вытекать в атмосферу через вентиль, то получится настолько значительное охлаждение, что углекислота перейдет в твердое состояние.

Совсем иначе ведет себя водород. Для него при комнатных температурах дифференциальный, а следовательно, интегральный эффект Джоуля- Томсона отрицателен, при дросселировании водород нагревается. Такое нагревание иногда приводило к катастрофам, в которых сильно сжатый водород самопроизвольно воспламеняется при истечении из поврежденных труб. При внезапном расширении водород может охлаждаться лишь тогда, когда его температура ниже –80⁰С. При более высоких температурах водород всегда нагревается.

Гелий, водород имеют температуру ≈ 100⁰С, что показывает реальную возможность реализации такого термогенератора.

Применяя смеси газов можно добиться снижения начальной температуры Т₁, а величиной давления увеличивать изменение температуры ΔТ. При таком способе получения тепла преобразование внутренней энергии сжатого газа в тепловую энергию производиться непосредственно в теплоприемнике, что исключает потери в газопроводе и не приводит к временному износу труб и батарей из-за нейтральности среды.