Энергоинформ /
Точка зрения /
В России создан высокоэффективный тепловой насос, не требующий топлива
В России создан высокоэффективный тепловой насос, не требующий топлива
Отечественный ученый модернизировал работу двигателя Стерлинга. Инновация позволяет значительно повысить энергоэффективность теплового насоса, а также обеспечить его работу без применения топлива.
Тепловой насос — это устройство, которое потребляет электроэнергию и закачивает теплоту с морозной улицы в радиатор отопления квартиры. Его эффективность определяется отношением количества теплоты в радиаторе отопления к затратам на привод теплового насоса. В настоящее время этот коэффициент находится, как правило, в пределах от 3,0 до 3,5 условных единиц.
Но, чтобы получить электрическую энергию для привода теплового насоса, приходится сжигать топливо на электростанциях и т.п., кроме того, часть электрической энергии всегда потеряется в линии электрических передач. Тогда из единицы теплоты, выделившейся при сгорании топлива в виде электрической энергии, до потребителя в России доходит не более 20% энергии от сгоревшего топлива.
Если использовать эту энергию на привод теплового насоса, у которого эффективность не более 3,5 условных единиц, то потребителю будет передано крайне малое количество теплоты от сгоревшего топлива (по отношению с теплотой, затраченной при генерации электрической энергии).
Поэтому применение тепловых насосов в России совершенно нелогично.
Существует два варианта устранения этой нелогичности:
— поднять КПД электростанций и снизить потери в электрических сетях;
— поднять эффективность теплового насоса.
Отечественные ученые и инженеры Ю.Е. Виноградов и О.В. Вигдорчиков уверены, что возможна реализация тепловых насосов нового поколения со значительно большей эффективностью, превосходящей существующие тепловые насосы. Например, тепловые насосы нового поколения на каждую единицу энергии, необходимой на привод, будут передавать потребителю не 3.5 условных единицы теплоты, а в 10 раз больше, т.е. 35 (тридцать пять!) условных единиц теплоты.
Русский ученый, Юрий Евгеньевич Виноградов, ведет исследования в области новых термодинамических процессов, начиная с 2002 года. В настоящее время Юрием Евгеньевичем рассчитана и доказана возможность реализации тепловых насосов нового поколения, которые вообще не будут потреблять внешней энергии.
Работа тепловых насосов нового поколения предполагает две стадии — сначала теплота окружающего воздуха, даже с морозной улицы, преобразуется в механическую работу, а затем уже механическая работа преобразуется в электрическую энергию, или, например, в вихревом нагревателе — сразу непосредственно в теплоту. На привод такого теплового насоса будет отвлекаться всего 10% механической работы, полученной на первом этапе работы.
Основой осуществления инновационного способа реализации такого теплового насоса является преобразователь теплоты в механическую работу, который, в свою очередь, базируется на известном двигателе Стирлинга.
Отличительной особенностью двигателя Стирлинга является наличие в нём особого регенератора теплоты. Реализуя рабочий термодинамический цикл, регенератор, при его горячей продувке отработавшим рабочим телом, накапливает теплоту из отработавшего рабочего тела. А при холодной продувке, регенератор отдаёт накопленную теплоту нагреваемому рабочему телу. Но отдать всю накопленную теплоту регенератор не может по причине того, что при холодной продувке удельная теплоёмкость рабочего тела меньше, чем при горячей продувке.
Найден и запатентован способ устранения этого недостатка, вследствие чего, вся накопленная регенератором теплота при горячей продувке отработавшим рабочим телом — возвращается при холодной продувке в процедуру нагрева рабочего тела перед рабочим тактом. В таком термодинамическом цикле теплота не выбрасывается и не требуется система охлаждения двигателя Стирлинга. Новый двигатель получается не дороже обычного двигателя Стирлинга, но при этом не требует никакого топлива — он питается теплотой окружающего воздуха или воды.
Кроме того, найдены технические решения, которые позволяют избавиться в двигателе Стирлинга от трущихся деталей, и срок безотказной (и даже непрерывной) работы таких устройств будет составлять многие десятки лет.
При достаточном объеме финансирования (120 миллионов рублей) предсерийные образцы тепловых насосов нового поколения, мощностью до 100 кВт будут изготовлены в течение до одного года.
Область использования бестопливных тепловых насосов безгранична.
Это и стационарные, и мобильные энергоэффективные рефрижераторы (морозильники), весь рынок внеконкурентных инновационных кондиционеров, холодильные и криогенные машины нового поколения любых типов и модификаций, не потребляющих внешней энергии.
В частности, возможно использование тепловых насосов, не требующих внешней энергии, для глубокого замораживания грунтов, которое уже осуществляется на практике, под фундаментами строений и сооружений, а также при строительстве метрополитена, железных и автомобильных дорог.
При таком скоростном дорожном строительстве не нужно будет расчищать ложе под полотно дороги от мягкого грунта и засыпать ложе песком и гравием, чтобы сверху положить асфальт или железнодорожное полотно.
Вполне будет достаточно дешевой, технологичной и глубокой (до минус 80°С) заморозки грунтов. Замороженный грунт имеет прочность гранита. Такие технологии целесообразно использовать при очень дешевом и суперскоростном строительстве новых железных дорог в труднодоступных районах РФ, например, в северных территориях, в заболоченных местностях, в регионах вечной мерзлоты и т.д.
В частности, с использованием этой технологии можно с успехом решить, например, вопрос дешевого и скоростного строительства Северного Широтного Хода — новой железной дороги на севере нефтегазодобывающих и портовых районов Западной Сибири, а также сопутствующих автодорожных магистралей и мостов по территории ЯНАО и ХМАО.
Сегодня применение такого подхода при дорожном строительстве сдерживает высокая стоимость энергии на привод и малый холодильный коэффициент существующих тепловых насосов.
Виноградов Ю.Г.
