Электроэнергетика в мире очень важна. Фактически, спрос на энергию растет по всему миру с каждым годом, что приводит к увеличению потребления топлива. Это увеличение привело к значительному прогрессирующему росту дефицита энергии во многих странах. Таким образом, необходимо оптимизировать энергопотребление, повысить эффективность применяемой энергии и использовать возобновляемые источники энергии. В настоящее время в мире электричество является одним из самых важных ресурсов для жизнедеятельности человека. Оно является основным источником энергии, которая имеет самое различное применение. Например, в промышленности, в сельском хозяйстве, в транспортной отрасли, а также приводит в движение большое количество устройств и в общем обеспечивает комфортную жизнь людей. Но, к сожалению, большая доля энергии теряется в виде тепла и сопровождается негативным влиянием на окружающую среду. Для минимизации этих потерь и более эффективной утилизации тепловой энергии в электрических установках разрабатываются и внедряются специальные системы [1]. Они, в первую очередь, снижают нагрузку на окружающую среду, а ресурсы можно использовать эффективнее, а также позволяют использовать дополнительный источник энергии. В данной статье будут рассмотрены системы утилизации тепловой энергии в электрических установках, а также их влияние на снижение негативного воздействия на окружающую среду.
В настоящее время ведется большое количество обсуждений на тему: «экономия энергии», а также: «снижение выбросов в окружающую среду». Ученые и аналитики выдвигают различные предложения и обосновывают разносторонние мнения. Но, именно сегодня, как никогда важно рационально использовать ресурсы как можно эффективнее. Существуют различные способы по эффективному использованию доступной энергии. Прогресс в данной отрасли не стоит на месте. Потребители все больше анализируют свое потребление и внедряют в свою систему альтернативные источники питания, например солнечные батареи или ветрогенераторы [2]. Но, подавляющее большинство оборудования, используемое в жизнедеятельности, на котором используется энергия — изношенное. По сравнению с более современным устройствами, они имеют более высокое энергопотребление. В результате этого они непреднамеренно теряют большое количество энергии в виде потерь тепла в результате их работы. Данную тепловую энергию в электроустановках можно использовать для увеличения эффективности и снижения негативного воздействия на окружающую среду [3].
Утилизация тепловой энергии является процессом преобразования отходов, в данном случае тепла, в полезную энергию. В электрических установках возникает значительное количество тепла, которое обычно уходит в атмосферу без какого-либо использования. Однако можно получить дополнительно топливо, электроэнергию, снизить потери с помощью специальных систем и технологий. Первый способ эффективного использования тепловой энергии в электрических установках является применение когенерации, или совместного производства электрической энергии и тепла. Переработанная энергия, представляет собой одновременное производство двух или более форм энергии из одного источника топлива. Данные электростанции часто работают с КПД на 50–70 процентов выше, чем у установок с одной генерацией. С практической точки зрения когенерация обычно подразумевает использование того, что в противном случае было бы потрачено впустую, для получения дополнительной энергетической мощи, например, для обеспечения тепла или электричества для здания, в котором оно находится. Это позволяет значительно повысить полезный выход энергии и снизить затраты на энергоресурсы [4].
Вторым способом эффективного использования тепловой энергии является применение тепловых насосов. Тепловой насос функционирует как холодильник, только наоборот. Холодильник переносит тепло изнутри во внешнюю среду. Тепловой насос переносит тепло, накопленное в воздухе в систему отопления. Его система представляет собой 6 компонентов (рис. 1): компрессор, расширительный клапан, вентилятор, внешний радиатор, теплообменник, внутренний радиатор, заполненный хладогентом. Хладогент — жидкость, имеющая низкую температуру.
Рис. 1. Демонстрация системы теплового насоса
В тот момент, когда хладогент теплый, он находится в парообразном состоянии, а при охлаждении снова превращается в жидкость. При запуске теплового насоса первым начинает запускаться компрессор. Удерживаемый расширительным клапаном, это увеличивает давление газообразного хладагента в одной половине систем. Молекулы плотно сжимаются вместе из-за сжатия этого газа, сталкиваются друг с другом и мгновенно нагреваются. Это нагревает теплообменник, который передает свое тепло воде, которая прокачивается по радиаторам. В момент, когда вода циркулирует по радиаторам, она возвращается в охладитель, который охлаждает пластину и конденсирует газообразный хладагент в жидкость. Далее, этот сжатый хладагент проходит через расширительный клапан и разгерметизируется, с температурой ниже температуры наружного воздуха. Эта жидкость, имеющая также низкое давление проходит через внешний радиатор, чтобы собрать тепло из окружающего воздуха с помощью вентилятора. Он нагревается, закипает и снова превращается в газ и возвращается в компрессор (рис. 2).
Рис. 2. Принцип работы теплового насоса
Тепловые насосы позволяют использовать низкопотенциальную тепловую энергию, например, излишки тепловой энергии при функционировании трансформатора. Трансформаторы — это устройства, которые изменяют напряжение в цепи переменного тока, а также используются для передачи электроэнергии через электрические цепи. Он состоит из магнитопровода, обмоток, системы охлаждения, регулирующих и контролирующих устройств. Трансформатор передает мощность от первичной обмотки к вторичной, повышая или понижая напряжение. В ходе этого процесса происходят потери тепла в сердечнике и обмотке трансформатора. Потери тепла, вызванные протеканием тока в обмотке, называются потерями в меди, а потери тепла, вызванные намагничиванием стального сердечника, называются потерям в сердечнике. Срок службы сердечника и обмотки зависит от степени охлаждения. Охлаждающей жидкостью трансформатора является- трансформаторное масло. Это тип масла, который обладает электроизоляционными свойствами и стабильностью при высоких температурах. Оно используется для изоляции, для рассеивания тепла трансформатора и предотвращения образования дуги и коронного разряда. Одно из свойств трансформаторного масла — удельное сопротивление мера сопротивления постоянному току между двумя противоположными сторонами одного кубического сантиметра блока масла. При длительной непрерывной нагрузки трансформатор выделяет огромное количество энергии в виде тепла, из-за чего трансформаторное масло нагревается и может иметь температуру близкую к 90 градусам по Цельсию. Эту энергию, которая в основном теряется в окружающую среду, можно использовать и применять в качестве дополнительного источника энергии. Утилизация тепловой энергии трансформаторов имеет несколько применений [5]. Во-первых, тепловую энергию трансформаторного масла можно использовать для нагрева воды, как дополнительный источник питания. Имея в трансформаторе температуру масла выше 70 градусов по Цельсию, установим теплообменник в расширительный бак трансформатора. Теплообменник представляет собой устройство, которое позволяет передать тепло от одной среды к другой без их смешивания. Его заполним таким же трансформаторным маслом, которое будет принимать тепловую энергию трансформатора и передавать на второй теплообменник за пределами расширительного бака, в котором будет находить вода. Поэтому получается, тепловая энергия трансформатора будет передаваться через теплообменники на воду, которая далее будет использоваться в отоплении, например, диспетчерского пункта. Использование тепловой энергии трансформатора позволяет снизить затраты на отопление и создать более эффективную систему. Также такое использование является безопасным, уменьшает выбросы углекислого в атмосферу, экологично, снижает энергозатраты на отопление помещений, природные ресурсы будут использованы обоснованно, трансформаторное масло будет быстрее охлаждаться, что положительно скажется на работе самого трансформатора.
Таким образом, использование тепловой энергии трансформатора для нагрева воды в системах отопления является целесообразным решением, которое позволяет сэкономить пропорционально затратам на отопление. Использование систем утилизации тепловой энергии в электрических установках играет важную роль в современной энергетике. Развитие в данной отрасли обещает принести значительные преимущества в плане снижения затрат на энергию, энергоэффективности и сокращения негативного воздействия на окружающую среду. Для успешного развития следует совершенствовать технологии, вводить в эксплуатацию новейшее оборудование, а также инвестировать научные и промышленные сектора.
В статье были рассмотрены способы системы утилизации тепловой энергии в электрических установках. Развитие и использование новых технологий могут способствовать более широкому использованию и созданию более устойчивой и эффективной энергетической системы.
Литература:
- Кузнецов Дмитрий Витальевич, «Современные способы утилизации тепла в холодильных установках»/ Тиханкин Дмитрий Викторович, Артемов Илья Игоревич;
- Риполь-Сарагоси, Т.Л. «Возобновляемые и нетрадиционные источники энергии»: учебно-методическое пособие / Т. Л. Риполь-Сарагоси, А. Б. Кууск; ФГБОУ ВО РГУПС. — Ростов н/Д, 2019. — 120 с;
- Карабарин Денис Игоревич «Повышение эффективности утилизации низкопотенциальной энергии теплотехнологических установок»
- Ямаева А. М., Сарачева Д. А. Альметьевский государственный нефтяной университет «Система утилизации тепла в газопоршневых агрегатах»;
- Богословский В. Н., Поз М. Я. Теплофизика аппаратов утилизации тепла систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. -М: Стройиздат, 1983–320 с.
