Тепловые трубы и термосифоны для использования возобновляемых и вторичных энергоресурсов

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_

УДК 631.152

Л.Л. ВАСИЛЬЕВ д.т.н., проф.; О.Г. ПЕНЯЗЬКОВ д.ф.-м. н., академик

Институт тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова НАН Беларуси

ТЕПЛОВЫЕ ТРУБЫ И ТЕРМОСИФОНЫ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ И ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ

Термосифоны большой длины представляют большой интерес при конструировании теплообменников для рекуперации тепла возобновляемых и вторичных источников энергии и повышения температурного потенциала тепловых насосов. В статье приведены примеры использования пародинамических термосифонов (VDT) оригинальной конструкции, предназначенных для терморегулирования PV солнечных коллекторов, систем кондиционирования, устройств, используемых для таяния снега и льда на железнодорожных стрелочных переводах, осуществления термостатирования в хлебопекарных и обжарочных печах, сушилках и т.д. Пародинамические термосифоны (VDT) , предназначенные для утилизации теплоты грунта, солнечной энергии крайне актуальны и имеют большие перспективы для их широкого применения.

Ключевые слова. Тепловые трубы, пародинамические термосифоны, теплообменники, возобновляемые и вторичные источники энергии

L.L. VASILIEV, DSc (Engineering), professor; O.G. PENIAZ'KOV, Dr. Sci. in Physics and Mathematics, academician

A.V. LUIKOV Heat and Mass Transfer Institute of the National Academy of Sciences of Belarus

HEAT PIPES AND THERMOSYPHONES FOR APPLICATION OF RENEWABLE AND SECONDARY ENERGY SOURCES

Thermosyphons of the long length are of great interest for being used as heat exchangers for heat recuperation from alternative energy sources and for upgrading of temperature potential of heat pumps. Some application examples of vapordynamic thermosyphons (VDT) of original design as the system of thermal control in photovoltaic solar collectors; air conditioning systems; devices combating snow drifts and icing on the active parts of the railway transport track structure; in foodstuff baking ovens and roasters, driers, etc., are considered. It is concluded that VDT used for air conditioning, ground heat exchangers and seasonal thermal storage systems connected with solar thermal collectors have great potential for their widespread use.

25

ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. ИАЭП. 2016. Вып. 88.

Keywords, heat pipe, vapordynamic thermosyphon, heat exchanger, renewable and secondary energy sources.

Согласно прогнозу Международной организации Bloomberg New Energy Finance (BNEF) в период с 2015 по 2040 гг. 12.2 триллиона долларов США будет вложено в мировое потребление энергии. Основная часть денег направлена на модернизацию энергетики развивающихся стран. В ближайшие 25 лет на использование возобновляемых (экологически чистых) источников энергии будет потрачено две трети данного финансирования (78%). Для использования традиционных видов топлива (уголь, газ и ядерное топливо) предусмотрено финансирование соответственно 1.6 триллиона, 1.2 триллиона и 1.3 триллиона долларов. Использование традиционных видов энергии является дорогостоящим и экологически опасным (глобальное потепление климата). Альтернатива - возобновляемые и вторичные энергоресурсы.

За последние 10 лет в мире происходят значительные изменения в энергетике сельского хозяйства, жилищно-коммунального комплекса, легкой и пищевой промышленности, архитектуре и строительстве городов и зданий. Наиболее характерные изменения имеют место в секторе теплоснабжения, горячего водоснабжения и кондиционирования помещений. Традиционные источники энергии быстро вытесняются возобновляемыми источниками. Волна энергоэффективной модернизации постепенно охватывает миллионы зданий, где основными тенденциями стали стремительное сокращение их потребности в тепловой энергии от источников на углеводородном топливе и снижение потерь тепловой энергии при ее транспортировке от генерирующих мощностей к потребителям. В крупных городах работают и проектируются многочисленные котельные и мини-ТЭЦ с низкими параметрами пара. Основное энергопотребление осуществляется на температурном уровне 250 °С и ниже. До 80% мирового производства тепловой энергии к 2025 г. будет вырабатываться не на котельных и ТЭЦ, а в самих модернизированных энергоэффективных зданиях и комплексах.

Ключевой технологией производства тепловой энергии, которая приходит на смену прямому сжиганию углеводородного топлива, становятся теплонасосные технологии и инновационные системы обеспечения оптимального микроклимата внутри помещений.

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_

Энергоемкость производимой энергии - показатель, который определяет, сколько единиц первичной энергии в виде топлива для ТЭЦ и ГРЭС будет затрачено, чтобы получить одну единицу товарной продукции - тепловой или электрической энергии. Обеспечение микроклимата внутри зданий с минимальными энергетическими потерями и гарантией поддержания оптимальной температуры, влажности и минимальной концентрации СО2 в воздухе - одна из технологий, отвечающих современным требованиям к энергоэффективному потреблению органического топлива.

В лаборатории пористых сред Института тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова НАН Беларуси изобретены и запатентованы в ряде стран мира, таких, как США, Франция, Швеция, Бельгия, пародинамические термосифоны (ПДТ) - новые теплопередающие устройства, в которых реализуется замкнутый испарительно-конденсационный цикл переноса тепла [1-4].

ПДТ имеют принципиальное отличие от других известных в мире термосифонов и тепловых труб такого же диаметра (рис. 1). Тепловые трубы оригинальной конструкции и пародинамические термосифоны (ПДТ) как теплообменники тепловых насосов (адсорбционных и абсорбционных) в комбинации с солнечными коллекторами являются одной из базовых технологий для утилизации возобновляемых и вторичных энергоресурсов.

Основными областями применения тепловых труб и термосифонов являются:

- Теплообменники на тепловых трубах, используемые с возобновляемыми источниками энергии (солнечная энергетика, энергия воздуха, природных водоемов и грунта).

- Теплообменники-рекуператоры выбрасываемой энергии в различных технологических процессах (экономайзеры различного применения), а также в системах вентиляции и кондиционирования воздуха.

- Системы поддержания теплового контроля в пищевой/холодильной промышленности, литейном, штамповочном процессах и других.

Применение данных устройств в различных технологических процессах (сушка, кондиционирование помещений, термообработка пищевых продуктов, подогрев тротуаров и парковок для автомобилей, поддержание нужной температуры асфальта, бетона при их транспортировке, получение биотоплива, холодильная

27

ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 2016. Вып. 88._

техника и т.д.) позволяет эффективно использовать низкотемпературные источники энергии (отходящие газы, отработанная вода, возобновляемые виды энергии).

1 2

3 4

Рис. 1. ПДТ на экспериментальном стенде: 1 - испаритель с теплоизоляцией, 2 - конденсатор, 3 - термопарный провод, 4 - провода питания электронагревателя

ПДТ предназначены для передачи теплового потока в горизонтальном направлении на большие расстояния (десятки и сотни метров). Коэффициент полезного действия ПДТ составляет 90% и более. Как показали результаты исследования термодинамических параметров термосифона с конденсатором длиной 2,5 м при наружном диаметре трубы 24 мм и моделирование его работы на специальном стенде, в зависимости от передаваемой тепловой нагрузки и величины кольцевого зазора в канале конденсатора имеют место различные режимы течения рабочей жидкости, которые определяют теплопередающие характеристики устройства. Конденсатор ПДТ можно выполнить в виде гибкого шланга из полимерных трубок малого диаметра. Такой ПДТ не боится коррозии и длительное время может находиться в земле.

Последние инновации в конструкции ПДТ, связанные с использованием нанотехнологий, дают возможность создавать тепловые трубы и термосифоны для нагрева и охлаждения воздуха, грунта и дорожного покрытия (в частности, осуществления таяния

снега и льда на крышах зданий, стоянок автомобилей, а также в

28

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_

качестве теплообменников тепловых насосов, аккумуляторов теплоты и холода).

Широкое внедрение, проектирование и строительство теплонасосных систем перспективно для теплохладоснабжения зданий, а также других систем, использующих возобновляемые источники энергии и вторичные энергетические ресурсы. В частности оно эффективно для создания системы подогрева придомовых площадок, а также подогрева тротуаров. Термосифоны длиной более 10 м (рис. 2, а) прошли испытания в качестве нагревателей пола в помещениях и компонентов сушильных панелей для сушки древесины, семян трав и зерна. Термосифоны длиной 6 м, предназначенные для обогрева асфальта и бетонных панелей с целью борьбы с обледенением и обеспечением интенсивного таяния снега (рис. 2, б), испытывались в лабораторных условиях и показали хорошую их работоспособность.

3

а б

Рис. 2. ПДТ для нагрева пола и сушки древесины, длина 10 м, тепловой поток

1 кВт (а) и обогрева железнодорожных стрелочных переводов,длина 6 м,

тепловой поток 3 кВт (б): 1 - остряк стрелки,

2 - конденсатор пародинамического термосифона, 3 - механизм перевода

стрелки

Существенный интерес представляют теплообменники на тепловых трубах и термосифонах для систем кондиционирования воздуха в помещениях (рис. 3). Для получения оптимальных параметров системы кондиционирования, работающей во влажном и теплом климате, необходимо создать условия для охлаждения/нагрева приточного воздуха и охлаждения/подогрева воздуха на выходе кондиционера. Теплообменники на тепловых трубах и термосифонах позволяют осуществить интенсивный

29

ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 2016. Вып. 88._

теплообмен между входящим и выходящим потоками воздуха, а охладитель сорбционного теплового насоса конденсирует пары воды в потоке воздуха, контролируя, таким образом, его влажность на выходе системы кондиционирования. Инновацией данной системы кондиционирования воздуха является:

• охладитель воздуха выполнен на базе солнечного холодильника на твердых сорбентах с использованием ПДТ;

• охладитель воздуха выполнен на базе ПДТ (альтернатива солнечному холодильнику в холодное время года, (когда температура окружающей среды ниже температуры входящего воздуха);

• теплообменник выполнен на базе ПДТ (рекуперация тепла входящего воздуха для подогрева воздуха после его охлаждения в холодильнике).

Горячая вода/ 2

Рис. 3. Теплообменники на тепловых трубах и пародинамических термосифонах для утилизации тепла отходящих газов и теплого воздуха в системе кондиционирования помещений: а) система кондиционирования на сорбционных тепловых трубах ИТМО (генератор горячей воды, пара и холодной воды);

б) кондиционер с теплообменником на базе термодинамического термосифона

Типичным объектом потребления низкотемпературной энергии являются хлебопекарные, обжарочные и кондитерские печи (рис. 4, 5). В Республике Беларусь используется множество таких печей в пищевой промышленности, в которых в качестве источника энергии применяется природный газ либо электричество. Рабочая

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_

температура при термообработке продуктов питания обычно равна 150-250 °С. Поскольку большинство энергозатрат связано с удалением воды из пищевых продуктов в виде пара, процесс термообработки хлеба происходит при температуре близкой к 100 °С. Отходящие газы хлебопекарных печей не контактируют непосредственно с продуктом. Нагретый теплообменником воздух с помощью вентилятора равномерно нагревает хлебопродукты.

Основными факторами, определяющими конструкцию и размеры печей, являются обеспечение однородности температурного поля при термообработке и стоимость изделия. Теплообменники на ПДТ, обогреваемые газовой горелкой либо электронагревателем, являются наиболее удобным вариантом, удовлетворяющим вышеуказанным условиям и гарантирующим изотермичность процесса термообработки (рис. 4, 5). При этом существенно улучшается качество продукта и экологическая составляющая процесса. Применение нагревателей на базе тепловых труб в печи для обжарки снижает энергопотребение и позволяет свести до минимума концентрацию канцерогенных веществ в подсолнечном масле с за счет оптимизации температуры обжарки продукта. Успешно применяются ПДТ в процессах сушки. В Институте тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова НАН Беларуси разработана и изготовлена экспериментальная сушилка, принцип действия которой основан на совместном использовании явления адсорбции/десорбции, вакуума и нагрева сушимого материала (древесина) тепловыми панелями, выполненными на базе термосифонов (рис. 6).

_ , Выхлопная труба

I ермосифоны

Рис. 4. Кондитерская печь с ПДТ

31

ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. ИАЭП. 2016. Вып. 88.

Наклонная Влажность на входе 39%

часть конденсаторов

Конде нсаторы ПДТ

Га

зовые Тормоси

а б

Рис. 5. Туннельная печь (а) и печь для обжарки (б) с ПДТ в качестве системы

терморегулирования

Использование метода удаления влаги из древесины путем ее сушки в вакууме с применением сорбентов и энергоподводом тепловыми трубами для интенсификации тепло- и массообмена позволяют снизить энергопотребление, улучшить качество конечного продукта, сократить время сушки.

а б

Рис. 6. Экспериментальная вакуумная камера для сушки пиломатериалов (а) и штабель древесины, нагреваемый с помощью тепловых панелей на базе

ПДТ

Витрины охлаждения хлебопекарных и кондитерских изделий нуждаются в изотермических полках, температура которых поддерживается ниже температуры окружающей среды. ПДТ сорбционных охладителей, испарители которых нагреваются электричеством либо энергией солнечного излучения, позволяют получить однородное температурное поле внутри витрин для хранения продуктов.

Тепловые трубы и термосифоны для утилизации солнечной энергии. Солнечное излучение является одним из основных

32

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_

возобновляемых источников энергии. Обычно плотность солнечного излучения невысока. Для его практического использования нужны теплообменники, обладающие большой поверхностью теплообмена, либо специальные фокусирующие устройства (линзы), рис. 7.

Рис. 7. Схема солнечного холодильника (альтернативный источник энергии -электричество для ночного времени): А - рекуперационный контур охлаждения сорбента; Б - высокотемпературный контур;

В - двухфазное теплопередающая система (пародинамический термосифон); Г - аммиачный (низкотемпературный) контур;

1, 2 - адсорберы/десорберы; 3, 4 - сорбент; 5 - конденсатор;

6, 7 - ресиверы аммиачного контура; 8 - конденсатор низкотемпературного контура; 9 - диффузор; 10 - концентратор солнечной энергии; 11 - холодильный шкаф; 12, 13 - холодильные панели; 14, 22 - теплообменники

нагрева/охлаждения сорбента;

15, 16 - термоэлектрические клапаны; 17, 24 - трубопровод;

18 - электронагреватель; 19 - паровой канал; 20 - конденсатор термосифона; 21 - манометр; 23 - испаритель термосифона

Пародинамические термосифоны, рис.8, существенно повышают эффективность использования солнечных РУ панелей, поскольку дают возможность интенсивно охлаждать покрытия из кристаллического кремния (испаритель ПДТ), обеспечивать их

ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 2016. Вып. 88._

изотермичность и поддерживать температуру, близкую к температуре окружающей среды, при их интенсивном солнечном облучении, сбрасывая тепло с тыльной стороны коллекторов (конденсатор ПДТ).

Рис. 8. Пародинамические термосифоны для РУТ солнечных коллекторов

Компонент ПДТ - кольцевой конденсатор может быть выполнен гибким, изготовлен из полимерного материала, не боящегося коррозии. ПДТ эффективно используется в системе терморегулирования солнечного холодильника и позволяет трансформировать постоянный источник солнечной энергии в переменный источник теплового потока для периодического нагрева двух адсорберов солнечного холодильника, содержащих твердый сорбент.

ВЫВОДЫ

Теплообменники на тепловых трубах и термосифонах позволяют эффективно утилизировать тепло, выбрасываемое при различных технологических процессах (включая вентиляцию и кондиционирование энергоэффективных зданий и жилых помещений), возобновляемых источников энергии, улучшить экологические условия производства продукции в разных отраслях промышленности и сельского хозяйства.

Работы выполняются при поддержке Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований, проект № Т13К-081 от 16.04.2015 г.

Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства_

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Васильев Л.Л. Перспективы применения тепловых насосов в Республике Беларусь // ИФЖ. 2005. Т. 78. № 1. С. 23-34.

2. Vasiliev L. L., Morgun V. A., Rabetsky M. I. Heat Transfer Device. US Patent No. 4554966, 26.11.1985.

3. Vasiliev L. L., Vasiliev L. L., Jr. Modeling of Heat and Mass Transfer in Sorption and Chemisorption Heat Converters and Their Optimisation. In: Heat Pipes and Solid Sorption Transformators: Fundamentals and Practical Applications. Ed. by L. L. Vasiliev, S. Kakag. CRC Press, Taylor & Francis Group, Boca Raton . London - New York, 2013. Р. 213-258.

4. Zhuravlyov A. S., Vasiliev L. L., Vasiliev L. L. Jr. Heat Pipe Science and Technology. An International Journal. 2013. Vol. 4, No. 1-2. P. 3952.

УДК 620.91

А.В. БОБЫЛЬ, доктор физ.-мат. наук; Е.И. ТЕРУКОВ, доктор тех.наук

ФТИ им. А.Ф. Иоффе, Санкт-Петербург

РАЗРАБОТКА ДЕШЕВЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ОСНОВЕ Si С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

В ФТИ им. Иоффе совместно с НТЦ при ФТИ им.А.Ф. Иоффе были изготовлены, исследованы и переданы в промышленное производство 2 типа кремниевых солнечных элементов (1) тонкопленочные тандемного типа (кпд 12 %), и (2) гетероструктурные (кпд 20 %) на основе аморфно-микрокристаллических и аморфно кристаллических структур, соответственно. Совместно с НТЦ эффективность солнечных элементов повешена путем использования запатентованных технологий пассивации интерфейсов и плазмохимического осаждения аморфных слоев. Их стоимость понижена путем удешевления технологии, использованием стандартного промышленного оборудования и возможным большим объемом производства солнечных модулей (до 1 ГВт в год) в условиях завода Новочебоксарска, Россия.