Перспективные энергетические технологии и проблемы теплофизики. Часть 2

Рассмотрены перспективные технологии в области теплоэнергетики и связанные с ними проблемы в области теплофизики.

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2011
Автор:	Халатов, А.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут технічної теплофізики НАН України 2011
Назва видання:	Промышленная теплотехника
Теми:	Тепло- и массообменные процессы
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/60311
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Перспективные энергетические технологии и проблемы теплофизики. Часть 2 / А.А. Халатов // Промышленная теплотехника. — 2011. — Т. 33, № 2. — С. 5-10. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-60311
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-603112014-04-15T03:01:15Z Перспективные энергетические технологии и проблемы теплофизики. Часть 2 Халатов, А.А. Тепло- и массообменные процессы Рассмотрены перспективные технологии в области теплоэнергетики и связанные с ними проблемы в области теплофизики. Розглянуті перспективні технології в царині теплоенергетики і пов'язані з ними проблеми в галузі теплофізики. The perspective technologies in the power engineering are considered. The associated thermal phisics problems are also discussed. 2011 Article Перспективные энергетические технологии и проблемы теплофизики. Часть 2 / А.А. Халатов // Промышленная теплотехника. — 2011. — Т. 33, № 2. — С. 5-10. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 0204-3602 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/60311 532.516 ru Промышленная теплотехника Інститут технічної теплофізики НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Тепло- и массообменные процессы Тепло- и массообменные процессы
spellingShingle	Тепло- и массообменные процессы Тепло- и массообменные процессы Халатов, А.А. Перспективные энергетические технологии и проблемы теплофизики. Часть 2 Промышленная теплотехника
description	Рассмотрены перспективные технологии в области теплоэнергетики и связанные с ними проблемы в области теплофизики.
format	Article
author	Халатов, А.А.
author_facet	Халатов, А.А.
author_sort	Халатов, А.А.
title	Перспективные энергетические технологии и проблемы теплофизики. Часть 2
title_short	Перспективные энергетические технологии и проблемы теплофизики. Часть 2
title_full	Перспективные энергетические технологии и проблемы теплофизики. Часть 2
title_fullStr	Перспективные энергетические технологии и проблемы теплофизики. Часть 2
title_full_unstemmed	Перспективные энергетические технологии и проблемы теплофизики. Часть 2
title_sort	перспективные энергетические технологии и проблемы теплофизики. часть 2
publisher	Інститут технічної теплофізики НАН України
publishDate	2011
topic_facet	Тепло- и массообменные процессы
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/60311
citation_txt	Перспективные энергетические технологии и проблемы теплофизики. Часть 2 / А.А. Халатов // Промышленная теплотехника. — 2011. — Т. 33, № 2. — С. 5-10. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
series	Промышленная теплотехника
work_keys_str_mv	AT halatovaa perspektivnyeénergetičeskietehnologiiiproblemyteplofizikičastʹ2
first_indexed	2025-07-05T11:26:54Z
last_indexed	2025-07-05T11:26:54Z
_version_	1836806113920548864
fulltext	ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №2 5 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Розглянуті перспективні тех- нології в царині теплоенергети- ки і пов'язані з ними проблеми в галузі теплофізики. Рассмотрены перспективные технологии в области теплоэнерге- тики и связанные с ними проблемы в области теплофизики. The perspective technologies in the power engineering are considered. The associated thermal phisics problems are also discussed. УДК 532.516 Халатов А.А. Институт технической теплофизики НАН Украины ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОБЛЕМЫ ТЕПЛОФИЗИКИ ЧАСТЬ 2 Нанотехнологии в энергетике. В соот- ветствии с данными ВТИ (Россия) возможнос- ти дальнейшего повышения КПД наиболее востребованных энергоблоков мощностью 300 МВт весьма ограничены. Они составля- ют 2…3 % для угольных электростанций и 6…8 % для газовых. Однако это потребует значительных финансовых инвестиций. Поэтому на данном этапе требуются принци- пиально новые технологии производства элект- рической энергии. Наряду с перспективными угольными и парогазовыми технологиями, рассмотренными выше, большие перспективы связываются с использованием достижений бурно развивающихся нанотехнологий. Квантовая полирезонансная активация (КПРА) позволяет управлять энтропией систе- мы на молекулярном уровне и интенсифици- ровать процессы горения [1]. Для возникнове- ния КПРА необходимо, чтобы средняя энергия движения частиц окружающей среды была бы выше псевдостабильного уровня возбужденно- го состояния частиц, вызывающих КПРА. Для этого может быть использована теплота сго- рания топлива. В качестве инициаторов КПРА используются наночастицы с низким уровнем возбуждения, и поэтому система непрерывно получает накачку за счет теплоты сгорания. Для инициации КПРА требуется очень малое количество квантовых наноактиваторов, обыч- но для перевода в состояние с пониженной энт- ропией хватает одной частицы наноактиватора на миллиард молекул пассивной среды. При использовании жидких углеводородов применяются хорошо растворимые наноакти- ваторы. Добавление к дизельному топливу ма- лого количества наноактиватора (около 100 мг на тонну) вызывает снижение удельного рас- хода топлива на 10…15 %. Применение акти- ваторов мазута снижает его вязкость, а при его горении происходит активация топочных газов, которая приводит к увеличению температуры факела на 100…150 ºС и снижению вредных выбросов. На электростанциях, использующих газ и уголь, можно применять водный раствор наноактиватора, который инжектируется в топ- ку или вторичный воздух. Расход наноактива- тора в этом случае составляет 0,5 г на тонну угля или на 1000 м3 природного газа. Возможно также использование наноактиватора в котло- вой воде агрегата. Снижение вредных выбросов в окружаю- щую среду является одним из важных на- правлений угольной энергетики. Компания «Hydrocarbon Technologies» (США) с помощью нанотехнологий разработала методику пред- варительной обработки угля таким образом, чтобы создавать из него экологически чистое топливо с малым выбросом вредных продук- тов в атмосферу [1]. Экологически чистая тех- нология сжигания некондиционных топлив с использованием каталитических свойств нано- частиц сажи предложена в России (СО РАН). Будущее энергетики связывают с твер- доокисными топливными элементами с нано- керамическими электролитами с ионной про- водимостью, которые могут являться основой промышленных энергетических установок прямого преобразования химической энергии в электрическую. Такие топливные элементы ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №26 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ работают при температуре 800…1000 ºС, они используют водород, природный газ, а также синтез-газ, полученный из природного газа или за счет газификации и конверсии угля. Конверсия углеводородного сырья в водо- род является сложным и многостадийным про- цессом, поэтому традиционные химические реакторы имеют большие размеры и слож- ны в управлении. Принципиальным решени- ем проблемы является использование мини- генераторов водорода с каналами микронного размера, которые покрыты наноструктурными катализаторами. Нанотехнологии позволяют создавать катализаторы с оптимальными харак- теристиками с целью повышения активности, селективности и производительности генера- торов водорода. В Институте теплофизики СО РАН (Россия) созданы нанокатализаторы раз- мером около 10 микрон на основе благородных металлов, которые характеризуются повышен- ной поверхностной энергией и большой аб- сорбционной емкостью [1]. Они использованы для получения синтез-газа при неполном окис- лении и паровой конверсии метана. Определе- ны условия получения синтез-газа с высокой селективностью по водороду и окиси углерода. Значительные перспективы для прямого син- теза углеводородов из синтез-газа, а также для очистки нефти имеет использование наноката- лизаторов на основе нанопорошков Fe, Ni, Fe- CО. Наножидкости и микроканалы. Очень малые добавки наночастиц к жидкости (доли процента по объему) приводят к росту ее теп- лопроводности до 60 %, теплоотдачи – до 60 %, критического теплового потока – до 300 % [2]. При этом дополнительные потери давления практически отсутствуют. В качестве материалов наночастиц используются керами- ка (SiN), оксиды (Al2O3, Fe3O4, CuO), карбиды (SiC, TiC), металлы (Ag, Au, Cu, Fe), полупро- водники (TiO2), углеродные нанотрубки. Потен- циальные области применения наножидкостей – теплоэнергетика, ядерная энергетика, радиоэ- лектроника, транспорт, электроника, оборонная техника, медицина, химический анализ. В на- ножидкости дополнительный перенос теплоты осуществляется за счет движения наночастиц под действием силы Ван-дер-Ваальса (малые расстояния между наночастицами), электроста- тической силы (малые размеры наночастиц), стохастической силы (броуновское движение частиц) и гидродинамических сил [3]. Выполненные исследования показали, что вязкость наножидкости незначительно изменяется с температурой и концентраци- ей наночастиц [4]. Это является фактором, обуславливающим отсутствие дополнитель- ных гидравлических потерь [2]. На тепло- проводность наножидкости влияют объемная концентрация наночастиц, природа, размер и форма наночастиц, природа и температура жидкости, а также добавки инородных матери- алов в наножидкость. Аномально высокий рост (до 260 %) теплопроводности наножидкости на основе углеродных нанотрубок и масла обус- ловлен высокой теплопроводностью нанотру- бок (3000 Вт/м·К) и большим отношением их длины к диаметру (~ 2000) [4, 5]. На конвективный теплообмен при течении наножидкости в каналах влияет большое ко- личество факторов – скорость движения, те- плопроводность, теплоемкость, концентрация, природа, размер и форма наночастиц. Несмотря на увеличение теплопроводности наножидкос- ти, при ее кипении происходит ухудшение те- плообмена по сравнению с кипением «чистой» жидкости [4]. Это происходит потому, что на- ночастицы заполняют элементы шероховатости поверхности кипения и ухудшают условия для формирования пузырьков жидкости. На шеро- ховатой поверхности этот эффект проявляется еще сильнее. Что касается критического тепло- вого потока, то он увеличивается до 300 %, при- чем наиболее заметно в области более высоких значений массового расхода. Этот факт может быть использован в ядерной энергетике. Теплообмен и гидродинамика в микрока- налах (диаметром менее 100 микрон) предс- тавляют большой интерес для новых отраслей техники (микроэнергетика, радиоэлектроника, биомедицина и др.). Для прокачки теплоноси- ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №2 7 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ теля в микроканалах необходимо приложить значительное давление, поэтому более пред- почтительным является движение потока за счет совместного действия градиента давления и внешнего электрического поля, которое мо- жет «помогать» продольному градиенту дав- ления или противодействовать ему. Как пока- зано в работе [6], распределение температуры и скорости в микроканале зависит от отноше- ния радиуса канала к длине Дебая, мощности внешнего источника электрического поля и па- раметра Ф, который пропорционален отноше- нию движущих сил (dP/dx)/(dФ/dx). В целом, теплообмен и гидродинамика при течении наножидкостей в каналах только начи- нают развиваться и в ряде случаев полученные результаты являются противоречивыми. Осо- бое внимание в ближайшем будущем должно быть обращено на дальнейшее изучение теп- лофизических свойств наносуспензий, зако- номерностей тепло- и массопереноса при ки- пении, вынужденной и свободной конвекции, кинетики и термодинамики фазовых переходов в наноструктурных материалах и объектах, а также при течении жидкости в микроканалах, в том числе при сверхзвуковом течении. Новые источники энергии. Несмотря на высокую стоимость (до 3000 долл. США за киловатт установленной мощности), мировой рынок солнечной энергетики растет ежегодно на 40 % в год, а стоимость солнечной энергии становится дешевле примерно на 20 % в год. Предполагается, что объем рынка солнечных батарей и солнечных панелей к 2013 г. составит около 70 млрд. долл. США [2]. В настоящее время для изготовления тон- копленочных солнечных элементов широко используется микрокристаллический крем- ний. Но экономически выгодное соотношение стоимости и КПД является пока трудно дости- жимым для производителей систем фотоэлект- ричества. Использование нанотехнологий поз- волит создать более производительные, чем кремниевые, солнечные элементы, которые отличаются низкой стоимостью и более вы- соким КПД. Например, применение пленок медь-индий-диселенид галлия (CIGS–пленки) позволит осуществлять «самосборку» жидкос- ти, состоящей из наночастиц, покрывающих поверхность. Такие солнечные элементы могут быть нанесены даже на гибкую основу. Решение проблемы прямого преобразова- ния теплоты ядерной реакции в электричество позволит радикально изменить облик атомных электростанций. В США с использованием нанотехнологий разработан новый материал, повышающий эффективность преобразования радиоактивного излучения в электричество в несколько раз [2]. Он представляет собой мно- жество слоев углеродных нанотрубок, напол- ненных золотом и окруженных гидридом ли- тия. Радиоактивное излучение воздействует на электроны в атомах золота и заставляет их по- кидать свои орбиты. Электроны проходят через нанотрубки, попадают в гидрид лития, а затем движутся к электроду, создавая электрический ток. Соответствующая ориентация нанотрубок по отношению к радиоактивному излучению позволяет использовать его энергию наиболее эффективно. Другим важным направлением прямого преобразования теплоты в электричество яв- ляется термоэлектричество, которое изучается уже много лет. Недавно в США удалось пре- образовать теплоту в электрический ток более эффективно, используя металлические нано- частицы, соединённые с органической молеку- лой [2]. На каждый градус разности температур получены 8,7 мкВ разности потенциалов для бензолдитиола и 14,2 мкВ – для трибензолди- тиола. Это направление может положить нача- ло разработки принципиально новых типов на- ногенераторов электроэнергии. Большие перспективы связываются с при- менением нанодобавок и наноприсадок к смазочным материалам (теплоэнергетика и энергомашиностроение). Металлоплакирую- щие и полимерные присадки при температуре 150…200 ºС формируют на поверхности нано- структурные пленки с оптимальной шерохова- тостью. Антифрикционные и противоизносные слоистые добавки включают элементы и соеди- ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №28 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ нения с низким усилием сдвига между слоями. Смазки с ультрадисперсным наноразмерным графитом резко снижают трение и износ тру- щихся соединений. При вводе сферических фуллеренов в смазочные масла повышается износостойкость и ресурс оборудования, а вве- дение неабразивных наноалмазов (4…6 мкм) и кластерного углерода в смеси с диэфирами и антиоксидантами позволяет «прирабатывать» трущиеся соединения агрегатов, т.е. обладают свойством самовосстановления. Большой интерес представляет созда- ние аккумуляторов тепловой и электричес- кой энергии большой емкости [2]. Компания «Altair Nanotechnologies» (США) недавно объявила о создании инновационного нано- технологического материала для электродов литий-ионных аккумуляторов. Аккумуляторы с Li4Ti5O12-электродами имеют время зарядки всего 10…15 минут. В 2006 г. эта компания уже начала производство аккумуляторов на своём заводе в штате Индиана. Малогабаритные аккумуляторы тепло- ты большой емкости представляют интерес в жилищно-коммунальном секторе при исполь- зовании в ночное время (с 23:00 до 7:00), когда действует пониженный тариф. Особенно акту- ально создание аккумуляторов изотермическо- го типа (фазовый переход, химические реакции, капиллярно-пористые эффекты), которые не те- ряют теплоту в окружающее пространство. Экспериментальные методы и измери- тельные системы. В последние годы за ру- бежом сделан существенный шаг в создании современных методов экспериментирования, что позволило более глубоко понять многие теплофизические процессы. В числе новых ме- тодов диагностики потоков следует отметить метод лазерно-индуцированной флуоресцен- ции (LIF), метод мгновенного измерения поля скоростей (PIV), лазерно-допплеровская анемометрия нового поколения (LDV), тонко- пленочные датчики теплового потока. Создание микродатчиков размером 100…125 микрон приведет к революционным изменениям в системе глобального контроля работы энергетических установок. Это поз- волит осуществлять постоянный мониторинг сложных технических систем – определять ло- кальные параметры, детектировать появление трещин, контролировать текущее состояние и своевременно прогнозировать возникновение опасных режимов. В США создан и испытыва- ется датчик температуры размером 100 микрон, работающий в потоке с температурой до 870 ºС (в стадии испытаний датчик температуры до 1200 ºС) и датчик давления, работающий в по- токе с температурой до 500 ºС. Одностенные нанотрубки обладают свой- ством ультравысокой чувствительности и мо- гут использоваться для обнаружения опреде- ленных молекул в газовой среде или растворах. Нанодатчик для обнаружения молекул NO2, CO, CO2, H2 и гидрокарбонатов разработан в США; в нем использованы оптические свойства на- ночастиц золота, встроенных в нанокомпозит оксида металла. Компьютерное моделирование. Изучение теплофизических явлений не всегда возможно экспериментальными методами. В этом случае на первое место выдвигается компьютерное моделирование теплофизических процессов, которое основано на прогрессе в области вы- числительной техники, математического мо- делирования, теплофизики и гидрогазодина- мики. За последние 20 лет за рубежом созданы коммерческие пакеты прикладных программ «FLUENT», «STAR-CD» (США), «PHOENICS» (Великобритания) и другие, получившие боль- шое распространение в практике теплофизиче- ских исследований и проектирования энерге- тических установок. В Институте теплофизики СО РАН (Россия) разработан специализирован- ный пакет компьютерных программ «σFlow» для моделирования теплофизических процес- сов в энергетике, в ИПМаш НАН Украины создан программный комплекс FLOWER, ори- ентированный на решение трехмерных задач газодинамики турбомашин. В ИТТФ НАН Украины с использованием коммерческого пакета программ «PHOENICS» выполнен комплекс исследований термогазо- ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №2 9 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ динамики малых котлов ЖКХ и мощных энер- гетических котлов [7]. Численное моделиро- вание термогазодинамики котла НИИСТУ-5 (рис. 1) позволило сформулировать предложе- ния по защите задней стенки котла при инте- грации в объем длиннопламенной горелки. Это дало возможность существенно повысить КПД котла и снизить расход потребляемого газа. Численное моделирование термогазодинамики энергетического котла ТПП-312А Ладыжинс- кой ТЭС (Украина) позволило определить его основные характеристики (рис. 2) и наметить конструктивные мероприятия по снижению выбросов окислов азота в атмосферу. Рис. 1. Распределение температуры в объеме котла НИИСТУ-5 при 50 % нагрузке. Рис. 2. Распределение температуры в объеме котла ТПП-312А Ладыжинской ТЭС [7]. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2011, т. 33, №210 ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ Выполненные расчеты показали, что совре- менные компьютерные технологии обладают широкими возможностями в области проекти- рования и модернизации котлов и камер сгора- ния. Они позволяют проанализировать большое количество вариантов конструкции и режимов эксплуатации на стадии создания конструкции или до ее модернизации, что позволяет принять более обоснованное решение, существенно сэкономить время, материальные и финансовые ресурсы. Компьютерное моделирование позво- ляет также обнаружить некоторые локальные особенности термогазодинамики огневого пространства, которые трудно определяются в эксперименте. Заключение Украина является промышленно разви- той страной, но в значительной степени зави- сит от импорта энергоносителей. Поэтому со- вершенствование энергетики и, прежде всего, внедрение передовых энергосберегающих тех- нологий является главной задачей, как ближай- шего периода, так и далекого будущего. Боль- шой интерес представляют «чистые» угольные технологии, такие как водоугольное топливо, беспламенное сжигание топлива, использо- вание угля микронного помола, эффективные технологии извлечения СО2 из топочных газов, экологическая обработка угля до сжигания и его сжигание в чистом кислороде. Интересно направление, связанное с созданием паровых турбин с температурой пара перед турбиной до 1500 ºС за счет дополнительного сжигания водорода в кислороде перед турбиной, разви- тие технологий газификации и пиролиза угля. Украина пока недостаточно развивает паро- газовую технологию, которая широко исполь- зуется в мире, но имеет все основания для её ускоренного развития. Украина имеет развитую газотранспорт- ную систему, поэтому очень важными явля- ются проблемы повышения экономичности и надежности газотурбинных двигателей и наг- нетателей в целом, утилизация «выбросной» теплоты за газовыми турбинами. Несомненный интерес представляют новые направления – наноактиваторы горения, топливные элементы, наножидкости и микроканалы, методы прямого преобразования радиоактивного излучения и теплоты в электричество, малогабаритные ак- кумуляторы тепловой и электрической энергии большой емкости. Как показано выше, для решения этих задач предстоит выполнить большой объем научно- исследовательских работ и решить ряд исклю- чительно трудных научных проблем в области теплофизики, которая является теоретическим фундаментом всех перспективных энергетичес- ких технологий. ЛИТЕРАТУРА 1. Алексеенко С.В. Теплофизические осно- вы новых энергетических технологий.– http:// www.sibai.ru/content/view/1498/1653/. 2. Халатов А.А., Долинский А.А. Нанотех- нологии в энергетике и проблемы теплофизики // Промышленная теплотехника. – 2010. – № 4. – Т. 32. – С. 5-14. 3. Wang L., Wei X. Nanofluids: Synthesis, Heat Conduction, and Extension // Journal of Heat Transfer.-March 2009. – 131. –2006. – Р. 1-7. 4. Das S., Choi U., Patel H. Heat Transfer in Nanofluids – A Review // Heat Transfer Engineering. – 2006. – 27. – № 10. Р. 1-19. 5. Liang Liao, Zhen-Hua Liu. Forced Convective Flow Drag and Heat Transfer Characteristics of Carbon Nanotube Suspensions in a Horizontal Small Tube // Heat Mass Transfer. – 45. – 2009. – Р. 1129-1136. 6. Мaynes D., Webb B. Fully-Developed Thermal Transport in Combined Pressure and Electro-Osmotically Driven Flow in Microchannels // Journal Heat Transfer. – 125 / – October 2003. Р. 889-915. 7. Халатов А.А., Кобзар С.Г., Голова- тюк П.М., Березницький О.О. Застосуван- ня методів компьютерного моделювання при розробці заходів з реконструкції енергоблоків теплоелектростанцій // Енергетика та електрифікація. – 2008. – № 6. С. 48-55. Получено 13.10.2010 г.

Перспективные энергетические технологии и проблемы теплофизики. Часть 2

Репозитарії

Схожі ресурси