Використання термоакустичних технологій для зменшення впливу на довкілля теплових викидів

Сучасне суспільство характеризується зростаючим рівнем споживання енергетичних ресурсів. Більшість технологій в промисловості, транспорті базується на енергоємних процесах і така ситуація має сталий характер. Така діяльність веде до негативного впливу на довкілля за рахунок різноманітних викидів фізичної та хімічної природи: шкідливі речовин, теплоти, тощо. У відповідності до цього, наукові дослідження, що спрямовані на вирішення питань захисту довкілля та енергозбереження набувають першочергового значення.

Постановка задачі. Більшу частину потреб суспільства в енергії забезпечують теплові енергетичні установки (ТЕУ), де застосовуються теплові двигуни (ТД).  Умовно, рівняння теплового балансу для будь якої ТЕУ можна представити як:

QПАЛИВА = QТД + QВЕР  + QВТРАТИ

Тобто, ТД в змозі перетворити в механічну енергію тільки частку теплоти палива, яка позначена як  QТД. Робота будь яких ТД супроводжується емісією теплоти в навколишнє середовище – (QВЕР + QВТРАТИ). Частина емісійної теплоти яку здатна використати наявна ТЕУ, це вторинні теплові ресурси – QВЕР. Теплота, яку технологічно неможливо, або економічно недоцільно використовувати формує локальне теплове забруднення середовища – QВТРАТИ.  Зрозуміло, що в кінцевому результаті вся теплова енергія палива QПАЛИВА буде розподілена в  навколишньому середовищі.

Про досконалість ТД (технічну та термодинамічну) свідчить величина QТД, частка енергії палива, що перетворена та використана самим двигуном. Обсяг QВЕР залежить від теплофізичних якостей теплоносіїв, ефективності схемних рішень,  наявних технологічних можливостей. Підвищення кількості QВЕР, яку здатні заощадити існуючі енергетичні установки за рахунок нових технологій є актуальною задачею.


Рис. 1. Структура  ВЕР сучасного нафтопереробного комплексу [5]

Відомі різні схеми теплових установок що використовують вторинні енергоресурси. Найбільш поширені ТЕУ які працюють з ресурсами високого температурного рівня (200º C – 600º C). В цей час QВЕР низького температурного рівня – (60º C – 200º C) мають менші можливості для їх ефективного застосування і частіше за все забруднюють довкілля (рис.1).

Сьогодні поширені технології комплексного використання енергії палива – когенераційні та тригенераційні.

Вони дозволяють низькопотенційні ВЕР спрямувати на обігрів або охолодження певних об’єктів.

Але, ці системи потребують застосування додаткового обладнання, яке досить коштовне, крім того необхідні споживачі, які мають постійну потребу в тепловій енергії – локальні теплофікаційні мережі або потужні кліматичні установки.  Отже проблема ефективного використання ВЕР набуває рис «БІЗНЕС ІДЕЇ», тобто потребує коректного економічного обґрунтування. 

За цих обставин перспективними технологіями можна вважати такі, що здатні підвищувати потенціал вторинних енергоресурсів, перш за все це теплові насоси (ТН), що набули широкого використання для споживання низько потенційного тепла. Для роботи традиційні ТН потребують електричну енергію, а їх термодинамічні цикли застосовують шкідливі для довкілля робочі середовища – фреони, аміак. Діапазон підвищення температури теплоносіїв не перевищує 30º C – 50º C, тобто вони придатні здебільшого для теплофікаційних потреб. 

Останнім часом поширюються нові технології, що базуються на використанні  термоакустичних ефектів – виникненні акустичних коливань в об’ємі резонатора, які визиває різниця температур [1 – 5]. Існують термоакустичні апарати (ТА) двох типів: прямої дії – теплові двигуни (ТАД), та зворотної дії – теплові насоси (ТАН). Конструкція ТА має певні переваги щодо механічних пристроїв: це відсутність рухомих частин, простота конструкції, відсутність шкідливих робочих речовин.

В ТАД різниця температур генерує потужні пульсації, яких достатньо для приводу електрогенераторів або підтримування роботи ТАН. Деякі сучасні ТАД здатні працювати від температурної різниці у 60º C, відносно довкілля.


Рис.2.  Принципова схема термоакустичної установки підвищення потенціалу ВЕР

Тому дуже перспективним напрямком розвитку ТА технологій є підвищення температурного потенціалу ВЕР (рис.2). Так зараз на кращих дослідницьких зразках ТАН рівень підвищення температури досягає 150º C, а ефективність кращих ТАД становить 42% [5].

Це дозволяє завдяки поєднанню ТАД+ТАН збільшити обсяг  QВЕР за рахунок застосування низькотемпературних ресурсів для вирішення самих різних потреб – виробництва механічної або електричної енергії, для задач рефрижерації, кріотехніці, то що. ТА технології, відносно нові, знаходяться на стадії інтенсивного розвитку.

Проведення комплексних досліджень має сприяти поліпшенню їх якостей та впровадженню в нових областях техніки.


а) синусоїдальний сигнал ()


б) синусоїдальний сигнал з прослизанням ()

Система ТАР 1
в)
sin_pause
г)
                                                                                                             
                                                                                                                                          
Рис.3. Вивчення впливу форми акустичної хвилі на роботу термоакустичного рефрижератору [7]
а) синусоїдальна хвиля, б) синусоїдальна хвиля з прослизанням, в) схема ТА рефрижератору; г) СFD модель синусоїдальної хвилі з прослизанням
 

Методи досліджень та результати. В 2010 році в НУК створена наукова лабораторія з дослідження та впровадження термоакустичних технологій. За цей час розроблено і виготовлено дослідні діючи зразки ТАД та ТАР. Створено дослідницький стенд для вивчення комплексу теплофізичних процесів в термоакустиці. Стенд оснащений мікропроцесорною контрольно-вимірювальною системою на базі ПЛК ICP DAS uPAC7186 EX-SM, модулю I7018P.  Для вивчення швидкодіючих процесів застосовано модуль з використанням мікроконтролеру Atmel Xmega A3 [6]. На базі SCADA Trace Mode 6.0 розроблено спеціалізоване програмне забезпечення для регістрації різноманітних параметрів та їх подальшого аналізу. Заплановано великий обсяг досліджень, орієнтованих на створення ефективних ТА апаратів призначених для використання низькотемпературних ВЕР. На базі СFD пакету Flow Vision [6] створена комп’ютерна модель ТА пристроїв, що дозволяють чисельно вивчати теплофізичні процеси в каналах при наявності потужної акустичної хвилі. 

На рис 3. показані результати дослідження впливу форми акустичної хвилі на роботу ТА рефрижератора. В якості контрольного параметру обрано різницю температур, що утворюється повздовж стеку завдяки його взаємодії з потужною акустичною хвилею. Отримані данні свідчать, що форми акустичної хвилі на роботу ТА рефрижератора. Форма акустичної хвилі залежить від впливу сторонніх технологічних факторів на термоакустичний  механізму виникнення коливань.

Висновки

  • Проблема використання вториннихенергетичних ресурсів з низьким температурним рівнем є актуальною і потребує вирішення.
  • Термоакустичні апарати дозволяють створити технологічні схеми ефективного використання таких ВЕР шляхом підвищення їх температурного рівня.
  • Термоакустичні технології мають певні переваги перед традиційними рішеннями завдяки таким якостям ТА, як відсутність рухомих механізмів та шкідливих речовин, простоті та надійності.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Backhaus S, Swift G W. A thermoacoustic-Stirling heat engine. Nature, 1999, 399: 335-338
2. Garrett S L, Backhaus S. The power of sound. American Scientist. 2000, 88: 516-525
3. Ward W C, Swift G W. Design environment for low-amplitude thermoacoustic engines. J Acoust Soc Am, 1994, 95(6): 3671-3672
4. Swift G W. Thermoacoustic: A unifying perspective for some engines and refrigerators. Condensed Matter and Thermal Physics Group, Los Alamos National Laboratory, USA, 1999
5. K. De Blok Low operating temperature integral thermo acoustic devices for solar cooling and waste heat recovery, Аcoustic-2008, International conference, Paris, 2008
6. Система моделирования движения жидкости и газа Flow Vision. Версия 2.3 Руководство пользователя. ООО «Тесис» Москва, 2006. - 311 с.
7. Кондратенко Ю.П., Коробко В.В., Коробко О.В. Експериментальні дослідження впливу фронту звукової хвилі на ефективність термоакустичних процесів // Технічні вісті, 2010/1 (31), 2(32)., с. 37-41.

УДК 621.56
Коробко В.В. Використання термоакустичних технологій для зменшення впливу на довкілля теплових викидів  [Електронний ресурс]  / [Коробко В.В., Трушляков Є.І.] // Збірник наукових статей “ІІІ-го Всеукраїнського з’їзду екологів з міжнародною участю”. – Вінниця, 2011. – Том.2. – С.380–382. Режим доступу: http://eco.com.ua/

Скачати в форматі pdf:

Оцінка: 
0
No votes yet