Тепловые трубы, тепловые насосы, холодильники
С инициативой проведения семинара выступили НАН РБ, ИТМО, межреспубликанская ассоциация "Тепловые трубы", Белорусская инженерно-технологическая академия, Фонд фундаментальных исследований РБ, Министерство промышленности РБ, Государственный комитет по энергосбережению и энергонадзору РБ, АО "Атлант" и целый ряд других учреждений, организаций и предприятий республики.
В работе семинара приняли участие специалисты-энергетики, ученые и изобретатели, работающие в области тепло- и массопереноса, холодильной техники, тепловых труб и тепловых насосов.
Целями семинара явились: ознакомление специалистов РБ с современными достижениями в области холодильной техники и энергосберегающих систем нагрева и охлаждения, новыми направлениями развития и совершенствования тепловых насосов и холодильных устройств, возможностями их применения в различных отраслях хозяйства республики, а также оказание содействия предприятиям, фирмам и научным учреждениям в установлении производственных и коммерческих связей.
Актуальность семинара заключается в том, что в настоящее время в РБ децентрализованные потребители тепловой энергии используют для обогрева, охлаждения и кондиционирования множество устройств, характеризуемых, как правило, низкими теплообменными параметрами и повышенным выбросом в атмосферу загрязняющих веществ. Лишь незначительная часть сельского населения имеет централизованное отопление и горячее водоснабжение. Сложная ситуация обеспечения республики топливно-энергетическими ресурсами, усугубляемая либерализацией цен на топливо и электроэнергию, понуждает к использованию наряду с традиционными источниками энергии вторичных энергоресурсов и альтернативных источников тепла в сочетании с тепловыми трубами, тепловыми насосами, холодильными устройствами и системами кондиционирования на твердых сорбентах.
Тематика семинара охватывала фундаментальные исследования физических процессов, протекающих в тепловых трубах, тепловых насосах и холодильниках, теоретические и экспериментальные исследования тепловых труб и термосифонов, капиллярных насосов, холодильных машин на твердых и жидких сорбентах, компьютерное моделирование процессов, проходящих в тепловых трубах, тепловых насосах и холодильных системах, действующих на основе принципа сорбции, разработку, научное и промышленное применение тепловых труб, тепловых насосов и холодильников, а также возникающие в данных типах оборудования материаловедческие проблемы. Серьезное внимание было уделено обзору современного состояния исследований и применений тепловых труб и сорбционных машин в разных странах.
Всему перечисленному были посвящены 5 лекций, 14 устных и 22 стендовых доклада.
В работе семинара приняли участие более 60 специалистов, представляющих 26 учреждений, организаций и предприятий РБ, а также ученые и специалисты из стран дальнего и ближнего зарубежья - Германии, Индии, Канады, Китая, Нидерландов, России, США, Украины, Франции, ЮАР, Южной Кореи. Прислали доклады, но не смогли принять участие специалисты из Австралии и Тайваня.
Доклад заведующего лабораторией пористых сред ИТМО доктора технических наук профессора Л. Л. Васильева, президента межреспубликанской ассоциации "Тепловые трубы" и Республиканского фонда поддержки рационального использования энергоресурсов, назывался "Природный газ и аммиак - озонобезопасные заменители фреонов для холодильников, тепловых насосов и систем кондиционирования". Совместно с коллегами Леонард Леонидович участвовал еще в семи докладах.
Мы встретились с ним спустя некоторое время после завершения семинара. Вот что он рассказал:
- Говоря о направлениях осуществления деятельности лаборатории пористых сред, в первую очередь хотелось бы упомянуть тепловые трубы. Эти элементы имеют сверхвысокую теплопроводность, которая обусловливается интенсивным внутренним теплообменом, происходящим за счет испарения и конденсации. Теплопотери при таком способе передачи тепла минимальны. Внутри тепловой трубы находится пористая среда, чаще всего металлическая, насыщенная жидкостью. Среда эта используется, во-первых, как капиллярный насос - для перекачивания жидкости из одного конца трубы в другой. Создания дополнительного разрежения при этом не требуется. Во-вторых, данная конструкция способствует активному теплообмену. Мы нагреваем один конец трубы, происходит переход жидкости из одного агрегатного состояния в другое. Центральная часть трубы свободна для прохода пара. Поток пара устремляется в более холодную часть трубы, где конденсируется, отдавая теплоту. Высокая скорость протекания всех описанных процессов обеспечивает быструю передачу тепла из одного конца трубы в другой и как следствие практическую однородность температурного поля на всем протяжении трубы. Тепловые трубы могут быть различной длины - от десятков метров (именно такие чаще всего применяются в строительной отрасли) до нескольких сантиметров (а такие применяются при конструировании компьютеров). Одна часть трубы может, например, омываться горячей жидкостью либо обдуваться горячим газом, другая - иметь контакт с аналогичными, но холодными средами, нагревая их. Такого рода теплообменники оказались особенно удобными для создания систем кондиционирования. И конструкции современных кондиционеров все чаще включают тепловые трубы.
Еще одна сторона нашей деятельности связана с активным получением холода либо тепла. Речь идет о системах аккумулирования тепла, его длительного хранения. Можно запасти тепло впрок в большом количестве и хранить месяцы, а то и годы. В этом и состоит принципиальное отличие наших систем от обычных систем аккумулирования тепла, где срок хранения зависит от того, насколько хороша теплоизоляция. То же самое касается получения и хранения тепла. В числе используемых нами для этого тепловых машин, называемых машинами на твердых сорбентах, могут быть и холодильники, и тепловые насосы, и тепловые трансформаторы. Это может быть система кондиционирования в целом, это может быть система комбинированного получения холода, тепла и электричества.
Занимаемся мы и традиционными системами аккумулирования тепла. Имеется в виду в первую очередь теплоаккумулятор для предварительного нагрева двигателя для того, чтобы его можно было быстро завести в зимнее время. Здесь нами используются фазопеременные вещества и процессы плавления-отвердевания, сопровождающиеся выделением и поглощением тепла.
Тепловыми трубами мы занимаемся уже более 20 лет и имеем много наработок в этой области, что же касается машин на твердых сорбентах, то на сегодняшний день нами созданы пока лишь экспериментальные образцы такой техники: просто холодильник, холодильник-сушилка, солнечный холодильник (система получения тепла и холода от Солнца). Последняя разновидность оборудования способна найти достойное применение в любой из тропических стран, в тех их районах, где есть проблемы с энергоснабжением. Система является гибридной, так как в качестве резерва может включать, например, горелку, работающую на природном газе. Экспериментальный образец такой системы был удачно испытан нами в Индии.
Крайне важным направлением является охлаждение электроники с помощью тепловых микротрубок. Все больше инструментов и машин, используемых на стройплощадках, компьютеризируется. Безотказная работа этой техники не должна зависеть от погодных условий, от колебаний температуры наружного воздуха. Микрохолодильники на твердых сорбентах также находят в этой области достойное применение.
В прошедшем семинаре участвовали представители пятнадцати стран, в то время как в предыдущем (в 1993 г.) - пяти-шести. Это говорит о растущем интересе к обсуждаемой тематике как среди ученых, так и среди практиков, о растущем спросе на подобные разработки.
Следует сказать, что современные системы вентиляции и кондиционирования существенно отличаются от того, к чему мы привыкли. В них предусмотрена глубокая утилизация тепла. Холодный воздух с улицы не попадает в помещение напрямую, но предварительно подогревается и очищается от пыли. Довольно высокие современные требования к этим системам выражаются, в частности, и в том, что, оценивая комфортность помещения, мы обращаем внимание в первую очередь на влажность воздуха, а не на его температуру. Поэтому сегодня системы кондиционирования должны быть предметом первоочередной заботы строителей. Решить задачу теплоизоляции - полдела; должны быть обеспечены также требуемые освещенность помещения и качество внутреннего воздуха.
Например, в Индии сейчас предполагается начать строительство заглубленных жилых комплексов с прозрачными крышами. Такое решение обеспечивает не столько отопление, сколько охлаждение в летнее время. Земля как таковая является великолепным аккумулятором и тепла и холода. Зимой она достаточно тепла, летом же достаточно прохладна, чтобы чувствовать себя в ней сколь необходимо комфортно. Это хороший выход из положения при условии, что в помещении обеспечены требуемые воздухообмен и влажность воздуха.
Либо мы тратим внушительные суммы на устройство теплоизоляции, либо заглубляемся, и тогда нам остается решить вопрос нормального освещения.
Для РБ сейчас крайне важно использовать такого рода системы, коль скоро реален переход к новым типам ограждающих конструкций.
С другой стороны, в связи с необходимостью срочного решения энергетической проблемы в РБ сегодня идут горячие споры о том, какой вид топлива является наиболее предпочтительным для республики. В частности, серьезно обсуждается проблема строительства атомных котельных и АЭС. Вероятно, прежде чем начать достаточно глубоко прорабатывать вопрос строительства АЭС в РБ, следует не менее досконально изучить возможности применения того, что доступно. Например, мы явно недостаточно касаемся в наших спецразработках проблемы использования природного газа. Это вещество можно использовать не только как топливо, но и как среду для получения холода, как перспективный заменитель фреонов. Если мы научимся хранить природный газ, его можно будет использовать и в быту. Возможность хранения метана неограниченно долго и использования его в нужный момент помогла бы по-другому решить многие проблемы энергетики, в частности малой энергетики. Мне кажется, что любой обладатель деревенского дома либо дачного коттеджа мечтает об автономном источнике энергии в виде баллонов с достаточно дешевым метаном. Почему бы не использовать метан для отопления, храня его при низком (не выше 20 атмосфер) давлении?
Сейчас мы пытаемся создать баллон для хранения метана в связном состоянии. Весьма интересной с точки зрения отопления индивидуальных жилищ представляется перспектива хранения метана в баллонах емкостью, скажем, 3м 2.
Итак, отвечая на вопрос, быть или не быть атомной энергетике в РБ, я не берусь судить о том, обойдемся ли мы без нее вообще или нет; однако прежде, чем решать эту проблему, мы должны со всей определенностью перечислить шаги, которые мы в состоянии предпринять до начала внедрения атомной энергетики.
Сегодня было бы весьма опасно принять за аксиому развитие атомной энергетики и перестать работать над проблемами экономии энергии в промышленности и быту и более комплексного, более умелого, более разумного использования тех видов топлива, которые в настоящее время могут быть к нашим услугам. Одно не должно мешать другому. Лишь установив, что же мы можем делать для решения энергетической проблемы уже сегодня, есть смысл пытаться давать ответ на вопрос: стоит или не стоит строить в РБ АЭС и атомные котельные.
Что же касается фреонов, то они в настоящее время представляют существенную опасность и как озоноразрушающие вещества, и как вещества, прямо связанные с возникновением на Земле парникового эффекта.
Использование фреона при тушении пожаров (горит ли большое здание, часть застройки или часть лесного массива) влечет за собой попадание в атмосферу этого вещества. При этом возможно разложение фреона с появлением различных ядовитых газов.
Мы, таким образом, приходим к осознанию того, что наиболее безопасными представляются вещества, существующие в природе в естественном виде: вода, воздух, аммиак, углекислота, водород. Необходимо в первую очередь использовать все это и лишь в случае невозможности их использования выдумывать что-либо искусственное.
Хотелось бы вернуться к теме использования тепловых труб. Экспериментам по прогреву почвы при помощи тепловых труб в плане борьбы с мерзлотой уже более 20 лет, в настоящее же время в России начали очень активно использовать тепловые трубы и термосифоны для замораживания почвы, в частности болотистой, в процессе дорожного строительства, с целью искусственного получения ледяных оснований для устройства временных мостов, сезонных переправ через водные преграды. Важно то, что это осуществляется автоматически. В конкретном месте, там, где установлены и действуют тепловые трубы, в конце концов вырастает ледяная глыба или надолб.
Еще одно интересное направление лежит в области создания электрических машин - электродвигателей и электрогенераторов. Тепловые трубы дают возможность интенсивно охлаждать роторы и статоры машин, давая им возможность работать при очень низких скоростях вращения. То есть можно делать машины с достаточно широкой гаммой скоростей.
Однако на практике приходится делать то, за что платят в первую очередь, и что нужно конкретному потребителю, то есть активно работать на рынке.
Одно из природных богатств республики - древесина. Высушенная уже на месте заготовки древесина становится вдвое легче. После этого гораздо проще решать вопрос ее транспортировки. Поэтому сегодня мы работаем над проблемой вакуумно-адсорбционной сушки древесины с использованием тепловых труб или панелей, в состав которых входят тепловые трубы. Вакуумная камера дает возможность быстро избавиться от свободной влаги. Ее выдавливает из древесины избыточное давление, возникающее внутри материала. Для удаления же связной влаги и служат тепловые панели, а также панели-сорбенты в качестве своеобразного промокательного элемента. Такой способ сушки крайне экономичен, так как описанную тепловую панель можно нагревать с помощью небольшой локальной горелки. Гамма таких сушилок по производительности может быть чрезвычайно широкой; естественно, не будут забыты и индивидуальные потребители. При этом для нагрева соответствующего конца тепловой трубы можно пользоваться не только электричеством либо паром, но чем угодно - от "буржуйки" до солнечного коллектора.
Работу над сушилками мы ведем совместно с Минлесхозом РБ, над аккумуляторами тепла для автобусов - с Минтрансом РБ. Над заменой фреона пропан-бутаном мы работали вместе с немецкими специалистами.
С нашей помощью в республике в свое время брестским ГСКБ были созданы системы кондиционирования объектов животноводства. Сейчас это направление развивает брестская фирма "Альтернатива".
Сергей ЗОЛОТОВ
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 42 за 1997 год в рубрике наука
