Căldură uzată - Waste heat

Oxidanții termici pot utiliza un proces regenerativ pentru căldura reziduală din sistemele industriale.

Unitățile de aer condiționat extrag căldura din interiorul locuinței cu lichid de răcire și o transferă în exteriorul locuinței ca deșeuri. Ele emit căldură suplimentară în utilizarea electricității pentru a alimenta dispozitivele care transmit căldura către și de la lichidul de răcire

Căldura uzată este căldura produsă de o mașină sau de un alt proces care folosește energia , ca produs secundar al lucrării . Toate aceste procese degajează o anumită căldură reziduală ca rezultat fundamental al legilor termodinamicii . Căldura uzată are o utilitate mai mică (sau în lexiconul termodinamic o exergie mai mică sau o entropie mai mare ) decât sursa de energie originală. Sursele de căldură reziduală includ toate activitățile umane, sistemele naturale și toate organismele, de exemplu, becurile cu incandescență se încălzesc, un frigider încălzește aerul camerei, o clădire se încălzește în timpul orelor de vârf, un motor cu ardere internă generează temperaturi ridicate. gazele de eșapament și componentele electronice se încălzesc atunci când funcționează.

În loc să fie „irosit” prin eliberarea în mediul ambiant, uneori căldura uzată (sau rece) poate fi utilizată printr-un alt proces (cum ar fi utilizarea lichidului de răcire fierbinte pentru a încălzi un vehicul) sau o porțiune de căldură care altfel ar fi irosită poate să fie refolosite în același proces dacă se adaugă căldură de machiaj la sistem (ca și în cazul ventilației de recuperare a căldurii într-o clădire).

Depozitarea energiei termice , care include tehnologii atât pentru reținerea pe termen scurt, cât și pe termen lung a căldurii sau a frigului, poate crea sau îmbunătăți utilitatea căldurii reziduale (sau reci). Un exemplu este căldura reziduală de la mașinile de climatizare depozitate într-un rezervor tampon pentru a ajuta la încălzirea pe timp de noapte. Un altul este stocarea sezonieră a energiei termice (STES) la o turnătorie din Suedia. Căldura este stocată în roca de bază care înconjoară un grup de foraje echipate cu schimbător de căldură și este utilizată pentru încălzirea spațiului într-o fabrică adiacentă, după cum este necesar, chiar și luni mai târziu. Un exemplu de utilizare a STES pentru a utiliza căldura naturală reziduală este comunitatea solară Drake Landing din Alberta , Canada, care, prin utilizarea unui grup de foraje în roca de bază pentru stocarea căldurii inter-sezoniere, obține 97% din căldura sa pe tot parcursul anului din colectoarele solare termice de pe acoperișurile garajului. O altă aplicație STES este depozitarea frigului de iarnă subteran, pentru aerul condiționat de vară.

La scară biologică, toate organismele resping căldura reziduală ca parte a proceselor lor metabolice și vor muri dacă temperatura ambiantă este prea mare pentru a permite acest lucru.

Unii consideră că căldura reziduală antropică contribuie la efectul insulei de căldură urbană . Cele mai mari surse punctuale de căldură reziduală provin de la mașini (cum ar fi generatoare electrice sau procese industriale, cum ar fi producția de oțel sau sticlă) și pierderea de căldură prin anvelopele clădirii. Arderea combustibililor pentru transport este o contribuție majoră la căldura reziduală.

Conversia energiei

Mașinile care transformă energia conținută în combustibili în muncă mecanică sau energie electrică produc căldură ca subprodus.

Surse

În majoritatea aplicațiilor energetice, energia este necesară în mai multe forme. Aceste forme de energie includ de obicei o combinație de: încălzire, ventilație și aer condiționat , energie mecanică și energie electrică . Adesea, aceste forme suplimentare de energie sunt produse de un motor termic , care funcționează pe o sursă de căldură la temperaturi ridicate. Un motor termic nu poate avea niciodată o eficiență perfectă, conform celei de- a doua legi a termodinamicii , prin urmare un motor termic va produce întotdeauna un surplus de căldură la temperatură scăzută. Aceasta este denumită în mod obișnuit căldură reziduală sau „căldură secundară” sau „căldură slabă”. Această căldură este utilă pentru majoritatea aplicațiilor de încălzire, cu toate acestea, uneori nu este practic să transportați energia termică pe distanțe lungi, spre deosebire de energia electrică sau combustibilă. Cele mai mari proporții ale căldurii reziduale totale provin de la centrale electrice și motoare ale vehiculelor. Cele mai mari surse individuale sunt centralele electrice și centralele industriale, precum rafinăriile de petrol și fabricile de oțel .

Generarea de energie electrică

Eficiența electrică a centralelor termice este definită ca raportul dintre energia de intrare și de ieșire. Este de obicei doar 33% atunci când nu se ia în considerare utilitatea puterii de căldură pentru căldura clădirii. Imaginile arată turnuri de răcire care permit centralelor electrice să mențină partea joasă a diferenței de temperatură esențiale pentru conversia diferențelor de căldură la alte forme de energie. Căldura aruncată sau „uzată” care se pierde în mediul înconjurător poate fi folosită în avantaj.

Centrală electrică pe cărbune care transformă energia chimică în 36% -48% electricitate și rămân 52% -64% în căldură uzată

Procese industriale

Procesele industriale, precum rafinarea petrolului , fabricarea oțelului sau fabricarea sticlei sunt surse majore de căldură reziduală.

Electronică

Deși este mică în ceea ce privește puterea, eliminarea căldurii reziduale de la microcipuri și alte componente electronice reprezintă o provocare inginerească semnificativă. Acest lucru necesită utilizarea ventilatoarelor, radiatoarelor etc. pentru a elimina căldura.

De exemplu, centrele de date utilizează componente electronice care consumă energie electrică pentru calcul, stocare și rețea. CNRS francez explică că un centru de date este ca o rezistență și cea mai mare parte a energiei pe care o consumă este transformată în căldură și necesită sisteme de răcire.

Biologic

Animalele, inclusiv oamenii, creează căldură ca urmare a metabolismului . În condiții calde, această căldură depășește nivelul necesar pentru homeostazie la animalele cu sânge cald și este eliminată prin diferite metode de termoreglare , cum ar fi transpirația și gâfâitul . Fiala și colab. termoreglare umană modelată.

Turnuri de răcire care evaporă apa la Ratcliffe-on-Soar Power Station , Regatul Unit .

Eliminarea

Căldura la temperatură scăzută conține foarte puțină capacitate de muncă ( Exergy ), astfel că căldura este calificată drept căldură reziduală și este respinsă în mediul înconjurător. Cel mai convenabil din punct de vedere economic este respingerea unei astfel de călduri către apă dintr-o mare , lac sau râu . Dacă nu este disponibilă suficientă apă de răcire, instalația poate fi echipată cu un turn de răcire sau un răcitor de aer pentru a respinge căldura reziduală din atmosferă. În unele cazuri, este posibil să se utilizeze căldura uzată, de exemplu în sistemele de încălzire urbană .

Utilizări

Cogenerare și trigenerare

Pierderea căldurii subprodusului este redusă dacă se utilizează un sistem de cogenerare , cunoscut și sub denumirea de sistem combinat de căldură și putere (CHP). Limitările la utilizarea căldurii subproduse apar în primul rând din provocările de cost / eficiență inginerești în exploatarea eficientă a diferențelor mici de temperatură pentru a genera alte forme de energie. Aplicațiile care utilizează căldura reziduală includ încălzirea piscinei și fabricile de hârtie . În unele cazuri, răcirea poate fi produsă și prin utilizarea frigiderelor cu absorbție, de exemplu, în acest caz se numește trigenerare sau CCHP (răcire combinată, căldură și putere).

Există multe abordări diferite pentru a transfera energia termică către electricitate, iar tehnologiile pentru a face acest lucru există de câteva decenii. Ciclul organic Rankine , oferit de companii precum Ormat , este o abordare foarte cunoscută, prin care o substanță organică este utilizată ca mediu de lucru în loc de apă. Avantajul este că acest proces poate respinge căldura la temperaturi mai scăzute pentru producerea de energie electrică decât ciclul obișnuit de abur cu apă. Un exemplu de utilizare a ciclului Rankine cu abur este Cyclone Waste Heat Engine . O altă abordare stabilită este folosirea unui dispozitiv termoelectric , unde o modificare a temperaturii pe un material semiconductor creează o tensiune printr-un fenomen cunoscut sub numele de efect Seebeck . O abordare conexă este utilizarea celulelor termogalvanice , unde o diferență de temperatură dă naștere unui curent electric într-o celulă electrochimică.

Termoficare

Căldura uzată poate fi utilizată la termoficare . În funcție de temperatura căldurii reziduale și de sistemul de încălzire urbană, trebuie utilizată o pompă de căldură , pentru a atinge temperaturi suficiente. O modalitate ușoară și ieftină de a utiliza căldura uzată în sistemele de încălzire urbană rece , deoarece acestea sunt operate la temperaturi ambientale și, prin urmare, chiar și căldura reziduală de calitate inferioară poate fi utilizată fără a fi nevoie de o pompă de căldură la partea producătorului.

Preîncălzire

Căldura uzată poate fi forțată să încălzească fluidele și obiectele primite înainte de a fi puternic încălzite. De exemplu, apa de ieșire poate da căldura reziduală apei primite într-un schimbător de căldură înainte de a încălzi în case sau centrale electrice .

Căldură antropică

Căldura antropogenă este căldura generată de oameni și de activitatea umană. Meteorologie Societatea Americana îl definește ca „căldura degajată în atmosferă , ca urmare a activităților umane, care implică adesea arderea combustibililor. Sursele includ instalațiile industriale, încălzirea și răcirea, metabolismul uman și de eșapament ale autovehiculelor. În orașele mari , această sursă contribuie în mod tipic 15 –50 W / m ² până la echilibrul termic local și câteva sute de W / m ² în centrul orașelor mari din climă rece și zone industriale. "

Impact asupra mediului

Căldura antropică are o influență mică asupra temperaturilor rurale și devine mai semnificativă în zonele urbane dense . Este un factor care contribuie la insulele urbane de căldură . Alte efecte cauzate de om (cum ar fi modificările albedo sau pierderea răcirii prin evaporare) care ar putea contribui la insulele de căldură urbane nu sunt considerate căldură antropică prin această definiție.

Căldura antropică este un factor mult mai mic la încălzirea globală decât gazele cu efect de seră . În 2005, fluxul antropic de căldură reziduală a reprezentat la nivel global doar 1% din fluxul de energie creat de gazele cu efect de seră antropice. Fluxul de căldură nu este distribuit uniform, unele regiuni fiind mai mari decât altele și semnificativ mai mari în anumite zone urbane. De exemplu, forțând de căldură reziduală în 2005 la nivel mondial a fost de 0,028 W / m ² , dar a fost 0.39 și 0.68 W / m ² pentru partea continentală a Statelor Unite și Europa de Vest, respectiv.

Deși s-a demonstrat că căldura reziduală are influență asupra climelor regionale, forțarea climei din căldura reziduală nu este calculată în mod normal în simulări climatice globale de ultimă generație. Experimentele climatice de echilibru arată o încălzire a suprafeței la scară continentală semnificativă statistic (0,4-0,9 ° C) produsă de un scenariu 2100 AHF, dar nu de estimările actuale sau 2040. Estimările simple la scară globală, cu rate de creștere diferite ale căldurii antropice, care au fost actualizate recent, arată contribuții notabile la încălzirea globală, în secolele următoare. De exemplu, o rată de creștere de 2% pa a căldurii reziduale a dus la o creștere de 3 grade ca limită inferioară pentru anul 2300. Între timp, acest lucru a fost confirmat de calcule model mai rafinate.

O cercetare a arătat că, dacă emisiile antropice de căldură continuă să crească la ritmul actual, acestea vor deveni o sursă de încălzire la fel de puternică ca și emisiile de GES în secolul XXI.

Languages

In other projects