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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Utilização e recuperação de calor. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Fontes de energia alternativa Antes de falar sobre utilização e recuperação de calor, é necessário definir esses conceitos semelhantes. Utilização (uso) envolve o uso de calor para vários fins. Recuperação (retorno) refere-se ao retorno de calor para uma habitação, processo de produção, etc. Não importa o quanto melhoremos os geradores de calor, não importa o quanto isolemos e selemos nossas casas, todo 100% do calor produzido, mais cedo ou mais tarde, deixará a residência. O processo respiratório, que requer ventilação, é o culpado por tudo. Durante a ventilação, junto com o ar usado, o calor também sai de nossa casa. A ideia de utilizar de alguma forma as emissões de calor não é nova. O dispositivo mais simples que permite aproveitar a diminuição da densidade dos gases quando aquecidos é a conhecida chaminé. Este, como dizem os especialistas em energia térmica, é um alisador fixo que fornece tiragem no forno, o que, por sua vez, permite atingir uma temperatura de combustão mais alta do combustível. Um exemplo de ventilação da sala é uma lareira. Hoje é erroneamente considerado um gerador de calor. Mas o gerador de calor da lareira, francamente, é inútil: em termos de eficiência, este dispositivo ocupa o último lugar entre todos os geradores de calor conhecidos. A ideia de recuperação de calor na metalurgia é especialmente relevante. Mais da metade da energia consumida pela indústria, e mais de um terço do carvão extraído, é direcionado justamente para as necessidades da metalurgia. Os trocadores de calor permitem utilizar o calor dos processos metalúrgicos para aquecer o jateamento. Esses dispositivos também podem ser usados para recuperação de calor em instalações residenciais [1]. O esquema de ventilação forçada com troca de calor entre o ar de entrada e saída é mostrado na Fig.1.
O ventilador elétrico conduz o ar usado através do trocador de calor. Ao mesmo tempo, o ar fresco entra na sala aquecida. Para aumentar o grau deste aquecimento, é necessário aumentar a pressão do ar de exaustão descarregado para o exterior. Freqüentemente usados para recuperação de calor, os gases (ar, vapor, fumaça) contêm vários contaminantes que obstruem os trocadores de calor. Para evitar isso, novamente, é necessário aumentar a pressão dos gases utilizados para aquecimento no trocador de calor. Isso pode ser feito com a ajuda de um acelerador - um orifício de pequeno diâmetro que impede a livre circulação de gases. Ao aumentar a pressão do ar para 30-40 atm., você pode aquecê-lo acima de 700°C. A propriedade dos gases de aumentar sua temperatura quando comprimidos é usada em motores a diesel, condicionadores de ar, na liquefação de gases, etc. Mas é energeticamente impraticável usar um estrangulamento para concentrar o calor. Para aumentar a eficiência dos dispositivos de recuperação e recuperação de calor, em vez de um acelerador, é necessário usar expansores, preferencialmente baseados em uma turbina tangencial (turbina vórtice) Fig. 2, onde 1 é um suprimento de gás em espiral, 2 é um direcionador aparelho de bocal, 3 é um rotor, 4 é um difusor de saída.
Em essência, os expansores nada mais são do que motores pneumáticos nos quais o gás, ao se expandir, faz trabalho e é bastante resfriado. Hoje, os turboexpansores são usados onde são quase indispensáveis: para liquefazer o gás hidrogênio, que, ao passar pelo acelerador, não é resfriado, mas, ao contrário, é aquecido. Hoje, os expansores são carregados com freios a água especialmente refrigerados. O calor da água fervente resultante é aproveitado por meio de uma torre de resfriamento - um tubo vertical de diâmetro muito grande (Fig. 3).
Em uma torre de resfriamento, o calor é usado para resfriar a água por hiperconvecção do ar atmosférico. Esses dispositivos foram inventados há centenas de anos e hoje já estão moralmente obsoletos, estão sendo substituídos por bombas de calor mais eficientes e compactas que permitem o uso de calor de baixo potencial a 100%. Também deve ser lembrado que as torres de resfriamento são uma das maiores fontes de poluição térmica da atmosfera. Se os expansores forem carregados não com freios, mas com compressores, geradores elétricos ou usados como motores, parte da energia gasta na compressão do gás pode ser devolvida, enquanto a eficiência das unidades de troca de calor aumenta. Para economizar eletricidade para aquecimento de calor, é possível usar vários tipos de bombas de calor, mas as mais interessantes são as unidades em que a recuperação de calor é combinada com movimento ou recuperação de eletricidade. A Figura 4 mostra um trocador de calor que desempenha as funções de unidade de ventilação e gerador de calor.
Como fluido de trabalho, o ar é usado de uma sala ventilada e aquecida por este motor térmico. A carga (compressor) é distribuída por meio de um diferencial entre o motor elétrico e o expansor. Os motoristas estão familiarizados com a operação de um diferencial no eixo motor de um veículo. O design da unidade de turboalimentação, composta por um compressor e um expansor, também é conhecido por muitos. O uso de turboalimentação em condicionadores de ar aumentou sua eficiência em 2 vezes. Se a turboalimentação for usada no recuperador (Fig. 5), a necessidade de um diferencial desaparecerá.
Mas o mais tentador é a ideia de usar um expansor de turbina tangencial para acionar um gerador elétrico (Fig. 6).
A velocidade de operação do turbo expansor é enorme (dezenas e até centenas de milhares de rotações por minuto), o que permite o uso de geradores com alta densidade de potência e eficiência. Com um trocador de calor suficientemente potente, pode-se obter ar superresfriado na saída do expansor, o que possibilitará a utilização de geradores elétricos baseados em supercondutores. Hoje, supercondutores já estão sendo feitos por crianças em idade escolar [2]. Para fazer isso, uma mistura de óxidos de ítrio, bário e cobre é sinterizada por 8 horas na proporção de 1:2:3. Tal material exibe supercondutividade já na temperatura do nitrogênio líquido (77°K). Hoje, mais do que nunca, é importante pensar em economizar calor e eletricidade. Bombas de calor e recuperadores baseados nelas ajudarão muito na implementação de quase 100% de economia. O uso desses dispositivos reduzirá drasticamente a perda de eletricidade e calor em nossas casas. Mas o mais importante, os recuperadores reduzirão significativamente as emissões nocivas, que já hoje levam a mudanças imprevisíveis e catastróficas na natureza. Literatura:
Autor: Y. Barbudo
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