Терморегулирование как один из видов экономии энергии

Лаборатория терморегулирования создана в Институте тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси. Цель лаборатории состоит в разрабатывании решений, обеспечивающих экономию тепловой энергии и повышение коэффициента полезного действия эксплуатируемой техники. Многие работы выполняются для применения на территории как Беларуси, так и стран ближнего и дальнего зарубежья.
Вот лишь некоторые из этих разработок.

Тепловые насосы для жилья
Основным видом энергии, потребляемой при эксплуатации жилых зданий, является тепловая. При этом пик ее расхода приходится на зимнее время, когда количество альтернативной энергии минимально. В таких условиях наиболее эффективно использовать тепловые насосы, которые производят тепловую энергию при затратах, составляющих 1/3 от отдаваемой энергии. Большое преимущество тепловые насосы имеют при обогреве помещений, нагреве воды, сушке белья. Они позволяют использовать тепловую энергию грунта, сбросных потоков или солнечную энергию. При этом внутри здания, как правило, нагревается воздух или вода, а снаружи воздух, вода или грунт охлаждаются. Тепловые насосы имеют максимальную тепловую эффективность при оснащении их тепловыми аккумуляторами и удвоенную эффективность, когда, кроме нагрева одной среды, необходимо охлаждать другую (например, каток плюс плавательный бассейн).
В развитых странах производство тепловых насосов интенсивно развивается. Так, за последние 10 лет количество проданных устройств превысило 1 млн единиц в год, а их суммарная тепловая мощность составляет 250 млн кВт. Эксперты говорят о том, что в перспективе классические электронагреватели использоваться не будут, а будут применяться в три раза более экономичные тепловые насосы. Причем среди различных видов распространение получат только компрессионные как более совершенные с технологической точки зрения, по цене же ненамного опережающие современные холодильники.
Лабораторией разработаны теплонасосы теплопроизводительностью 2,5, 5, 10, 15, 20, 25, 30 и 40 кВт и проработан вопрос их мелкосерийного производства.
С экономической точки зрения один тепловой насос со средней теплопроизводительностью 30 кВт при коэффициенте загрузки 0,4 позволяет экономить примерно $4500 в год. При этом окупаемость такой системы составляет 0,5-1,5 года.
В настоящее время ведутся работы по созданию базового ряда малогабаритных компрессионных тепловых насосов теплопроизводительностью 5, 10, 15, 20, 25 и 30 кВт для отопления малоэтажных зданий, коттеджей и соизмеримых с ними объектов.

Система выравнивания температуры высоковязких и низкотеплопроводных сред
При разогреве и охлаждении высоковязких (масло, мазут, смола) и низкотеплопроводных (газы, пары, дисперсные материалы) сред происходит перегрев слоев, примыкающих к поверхностям нагрева, из-за плохой теплопередачи к глубинным слоям вещества, что приводит к таким негативным последствиям, как слишком медленный разогрев всей массы вещества, термическое разрушение вещества в зоне перегрева, перерасход тепловой энергии, необходимой для разогрева вещества, разрушение оболочки контейнера, содержащего разогреваемое вещество, а также высокая степень пожароопасности.
Для разрешения указанных проблем разработана автономная система выравнивания температуры высоковязких и низкотеплопроводных сред на основе замкнутых испарительно-конденсационных циклов. Система выравнивания состоит из цилиндрических элементов тепловых труб, обладающих эффектом сверхтеплопроводности и размещаемых в разогреваемой среде.
Преимущества системы выравнивания температуры — малый вес и габариты, автономность, простота в эксплуатации, а также высокая термодинамическая эффективность и изотермичность.
Технические данные используемого теплообменника следующие: максимальная масса вещества — 50000 кг, рабочая температура вещества — от -40°С до +200°С.

Aвтономный тепловой выключатель
Автономный тепловой выключатель (АТВ) основан на принципе испарительно-конденсационной теплопередачи, не имеет отечественных и зарубежных аналогов и позволяет обеспечивать тепловые режимы приборов в автономном режиме. Теплопередающая функция АТВ состоит в обеспечении малого термического сопротивления при температуре на управляющем элементе больше заданной.
Эксплуатационное назначение АТВ определено тремя областями: управление по температуре осуществляется от независимого источника тепловой энергии; управление осуществляется температурой испарителя АТВ; управление осуществляется температурой конденсатора АТВ.
Разработка реализована в трех модификациях: собственно автономный тепловой выключатель (предназначен для тепловой связи прибора и любого стока тепла); автономный тепловой выключатель+радиатор (АТВ+Р, реализует управляемый сброс тепла на радиатор-излучатель); тепловой аккумулятор+автономный тепловой выключатель+радиатор (ТА+АТВ+Р, обеспечивает тепловую функцию со сглаживанием).
Пример: в открытом режиме работы АТВ имеет малое термическое сопротивление и не препятствует теплопередаче от источника (работающего прибора) к стоку тепла (радиатору), которые связаны между собой конструкцией АТВ. Если управляющий температурный элемент расположен на испарителе, при прекращении работы прибора, которое характеризуется отсутствием тепловыделения, его температура будет падать за счет продолжающегося охлаждения (посредством радиатора).

После достижения прибором заданной температуры АТВ переходит в закрытое состояние с большим значением термического сопротивления, предотвращая теплопередачу к радиатору.
Происходит своего рода тепловая консервация прибора, незначительное охлаждение которого определяется только качеством экранно-вакуумной теплоизоляции. Степень переохлаждения неработающего прибора при длительной неактивной фазе эксплуатации может быть снижена за счет размещения теплового аккумулятора.
Преимущества АТВ — автономность; отсутствие механических, электронных и электрических элементов; отсутствие дополнительного энергопотребления; малый вес и габариты; высокая надежность; сверхтеплопроводность; точность терморегулирования; экономичность.
Разработка может включать анализ тепловых режимов объекта, определение целесообразности использования АТВ и комплектации тепловой сети; полную комплексную разработку АТВ; поставку экспериментального образца АТВ с актами испытаний; поставку опытных образцов АТВ, а также выполнение сопутствующих работ.

Изотермализатор
В технологических процессах производства изделий из плоских листовых, пленочных и тканых искусственных материалов важное место занимает обеспечение тепловых режимов, что особенно важно при такой технологической операции, как тепловая сшивка двух и более слоев.
Существующие устройства обладают рядом недостатков, состоящих, в первую очередь, в неравномерности температуры (как по поверхности, так и во времени).
Эти недостатки ведут к ухудшению качества теплового шва свариваемых материалов (прочности и герметичности, а также внешнего вида), а также снижению производительности за счет увеличения времени тепловой фиксации и паузы между производством двух швов. Следствием отмеченных недостатков является увеличение теплопотребления. Уменьшается и ресурс работы электронагревателей.
Для обеспечения теплового режима технологии теплового сшивания пленок, пластин, тканей из искусственных материалов, например, таких как полиэтилен, предлагается изотермализатор — устройство, действующее на основе эффекта сверхтеплопроводности. Конструктивно изотермализатор выполнен в виде замкнутого герметичного элемента, например, стержня, которым оснащается нагреваемый теплосваривающий элемент. Устройство обеспечивает практически равномерную температуру по длине нагреваемого элемента (модификация I — изотермализатор).
При необходимости изотермализатор обеспечивает изотермичность на заданном температурном уровне, вне зависимости от внешних условий (модификация II — изотермализатор-термостат). С целью повышения качества задаваемый температурный уровень можно перестраивать (модификация III — изотермализатор-регулятор).
Преимущества — высокая изотермичность, экономичность, повышение производительности технологической линии, увеличение срока службы электронагревателя, малый вес и габариты, автономность, надежность.
Разработка может включать модернизацию существующих теплосшивающих устройств, оснащение их изотермализаторами, создание новых теплосшивающих устройств совместно с изотермализаторами.

Охлаждающее устройство для герметичных объектов
Использование электронных, электрических, оптических, механических устройств и систем в неблагоприятных помещениях (вакуумная или водяная окружающая среда, пылевая и газовая загазованность, гальванические цеха, повышенная влажность, металлургические и лакокрасочные производства, химические и биохимические цеха, северные и сложные сезонные условия) требует для их функционирования создания локального микроклимата, то есть такие приборы помещаются в герметичную оболочку.
Однако такое исполнение ведет к ухудшению охлаждения прибора, его перегреву и невозможности работы. Это, например, лазерные приборы, шкафы для станков с ЧПУ, системы управления станков, электронные термостаты, компьютеры и процессоры, системы автоматики, электроприводы, двигатели, генераторы.
Охлаждающее устройство реализовано на принципе тепловой трубы и представляет собой высокоэффективный компактный мини-теплообменник с герметичной межтрубной доской. Разработка включает базовый ряд различной тепловой мощности, выделяемой приборами или схемными решениями, скомпонованными в герметичные шкафы.

Мини-теплообменник размещается следующим образом: одна половина — внутри герметичного объекта, вторая — снаружи.
При этом как внутри объекта, так и снаружи может быть реализовано свободное охлаждение с помощью прокачки охлаждающей среды (воздух, вода), возможно и комбинированное охлаждение. Компоновка мини-теплообменника может быть реализована с любой стороны герметичного объекта, в том числе и на его дверце (люке).
Технические параметры устройства следующие: количество модификаций мини-теплообменника в базовом ряде — 10, рабочая температура — от -40°С до +200°С, тепловая мощность — 80, 150, 250, 500, 750, 1000, 2500, 5000, 10000 и 20000 Вт.
Высота — 150-1000 мм, ширина — 60-750 мм, толщина — 20-400 мм.
Количество тепловых труб в одном теплообменнике — от 1 до 200 штук.
Режим охлаждения — либо естественная конвекция, либо вынужденная (с использованием вентилятора) конвекция.
Преимущества: обеспечение возможности реализации герметичного исполнения, повышение надежности за счет снижения температуры, улучшение компоновки, снижение массогабаритных параметров.

Энергосберегающие сауны для коттеджей
Разработанные сауны позволяют экономить от 40% до 90% энергии по сравнению с традиционными благодаря применению более 10 новых технических решений, касающихся нагрева, теплоаккумулирования, тепло- и гидроизоляции, регулирования, воздухообмена, а также медико-биологических аспектов.
С учетом того, что основным элементом сауны является система обеспечения нагрева и подготовки пара (каменка), лабораторией разработаны электрокаменки и каменки, отапливаемые дровами, для саун или бань. Предлагаются электрокаменки мощностью 8, 12 и 18 для саун площадью 8, 16 и 24 м3 соответственно. В данных устройствах используется оптимальный конвективный режим теплообмена, который обеспечивает регулирование температурного режима и влажности, приемлемый состав воздуха, обогащенного кислородом, а также благоприятное медико-биологическое воздействие.
Предлагаемые каменки, отапливаемые дровами, могут работать как в непрерывном, так и в дискретном режимах.
Для этих устройств характерен оптимальный режим медленного горения с блоком каталитического дожига, благодаря чему достигаются высокий коэффициент полезного действия, минимальное время разогрева каменки, помещения и воды.

Высокоэффективные твердотельные каменки ТК для энергосберегающих бань и саун
Разработанные твердотельные каменки позволяют экономить от 40% до 70% энергии по сравнению с традиционными благодаря применению тех же новых технических решений (см. выше).
Тепловая мощность твердотельных электрокаменок, обеспечивающих необходимый тепловой и влажностный режим бань и саун площадью 15-30м2, составляет 20-25 кВт. Вышеупомянутый оптимальный конвективный режим теплообмена обеспечивает регулирование тех же параметров.
Твердотельные каменки могут работать как в непрерывном, так и в дискретном режиме.
Для этих устройств характерен оптимальный режим медленного горения с блоком эффективного дожига, благодаря чему достигаются высокий коэффициент полезного действия, минимальное время разогрева каменки, помещения и воды.

Подготовил Сергей ЗОЛОТОВ