Виконуємо навчальний проект разом. Екологічні проблеми використання теплових машин

Шановні друзі! Ви ознайомилися з особливостями перебігу теплових процесів та їх використанням у техніці. Досягнення фізики в цій галузі дали можливість людству створити різноманітні теплові машини, які широко застосовуються в побуті та техніці. Разом із розвитком науково-технічного процесу виникла необхідність вирішення важливих проблем, пов’язаних із ефективним використанням теплової енергії, розробленням енергозберігаючих технологій та зменшенням негативного впливу теплових машин на екологію.

Пропонуємо вам спробувати використати набуті знання з розділу «Теплові явища» у процесі виконання навчальних проектів і запропонувати власні способи розв’язання екологічних проблем теплоенергетики та теплокористування, запровадження енергоощадних технологій, ефективного використання теплових машин.

Наведемо основні питання, які можуть бути розвинені у проекті.

1. Холодильні машини. З підручника ви дізналися, що теплові машини поділяються на два основних типи: теплові двигуни та холодильні установки. За звичайних умов теплота самочинно не може переходити від менш нагрітих до більш нагрітих тіл. Для того щоб теплоту або внутрішню енергію від менш нагрітого тіла передати більш нагрітому тілу, потрібно виконати роботу. З цією метою використовують спеціальні пристрої — холодильні машини, або холодильники.

У холодильних машинах енергія передається від одного до іншого тіла за рахунок витрат енергії третього тіла, тоді як теплові двигуни виконують роботу за рахунок внутрішньої енергії палива. Тобто холодильна машина працює за принципом, зворотним до принципу дії теплового двигуна (рис. 17.5).

Найпоширенішими холодильними машинами в побуті та на виробництві є парокомпресорні холодильники, де робочим тілом, що охолоджується, є зріджені гази (в рідкому стані киплять за температури від -15 до -20 °С і нижче). У старих моделях холодильників використовували аміак або фреон. У сучасних холодильних установках застосовують спеціальні суміші екологічно більш чистих газів.

Сьогодні поширені холодильники нового покоління із системою «Без інею» («No frost»), яка запобігає утворенню інею на внутрішніх робочих поверхнях і необхідності ручного розморожування. У таких холодильниках випаровувачі розміщують у нижній чи верхній частині морозильної камери або за нею. За допомогою турбіни (потужного вентилятора) забезпечується циркуляція повітря, яке охолоджується випаровувачем та по спеціальних повітряних каналах подається в морозильну та холодильну камери.

Рис. 17.5. Принцип дії холодильної машини

У побутових холодильниках підтримується температура від 0 до -6 °С, у морозильних камерах — до -20 °С, а у великих промислових холодильниках — до -40 °С. Для отримання низьких температур у лабораторних умовах як охолоджувач використовують рідкий гелій, що за нормального атмосферного тиску кипить при температурі -269 °С (4 К).

Одним із поширених сьогодні видів холодильних машин є кондиціонери. Вони працюють за принципом холодильної машини й використовуються для охолодження повітря.

Сучасні кондиціонери мають різні розміри та функціональне призначення. Вони застосовуються в побуті та на виробництві. Поширення набувають мобільні кондиціонери, які не потребують встановлення зовнішнього блоку і легко переміщуються за потреби.

2. Теплові насоси. Сучасні технології дають можливість створювати теплові машини з розширеними функціональними можливостями. Одним із прикладів таких машин є теплові насоси. Ці пристрої забезпечують передавання тепла від середовища з нижчою температурою до середовища з вищою температурою. Тепловий насос працює за принципом, оберненим принципу дії теплової машини Карно. Вперше схему теплового насосу, що мав практичне значення, запропонував у 1852 р. лорд Кельвін, який назвав цей прилад «помножувачем тепла». Прикладом теплового насосу є кондиціонер, який працює в режимі обігрівача. При цьому холодовий агент тече в протилежному напрямі, ніж під час кондиціювання повітря.

Важливою особливістю теплових насосів є те, що вони забезпечують можливість використання низькопотенціальної енергії навколишнього середовища, наприклад, повітря, землі, стічних вод, для генерації тепла з метою опалення будинків і нагрівання води, а також холоду для охолодження будинків. При цьому не потрібно використовувати газ та інші види органічного палива, що надзвичайно важливо з огляду на екологічні проблеми, пов’язані з експлуатацією теплових машин.

Дедалі популярнішими як альтернативні джерела теплової енергії стають ґрунтові та водні геотермальні теплові насоси.

Рис. 17.6. Принцип дії ґрунтового геотермального теплового насосу

Принцип їхньої дії ґрунтується на тому, що труби з незамерзаючим рідким тепловим агентом розміщують у свердловинах або водоймищах поблизу будівель (рис. 17.6).

Україна має повний цикл розроблення та виготовлення теплових машин нового покоління. Важливі дослідження в цьому напрямі здійснюються в Інституті технічної теплофізики Національної академії наук України, який працює в м. Києві з 1963 р. В інституті виконуються фундаментальні науково-дослідні роботи з питань тепло- й масообміну в дисперсних системах при дискретно-імпульсному введенні енергії; теплофізики високофорсованих процесів у теплоенергетичному обладнанні; наукових основ теплометрії та теплофізичного приладобудування.

Практичним результатом наукових досліджень інституту стало створення та налагодження промислового виробництва енергоощадних теплонасосних технологій із застосуванням альтернативних відновлюваних джерел енергії. Теплові геотермальні насоси вітчизняного виробництва використовують теплову енергію землі за допомогою свердловин глибиною до 25 м, а також енергію води (рис. 17.7).