Потенциал нанотехнологий: вопросы теплоснабжения и отопления зданий

Вжилищно-коммунальном хозяйстве основными потребителями тепловой энергии являются системы отопления зданий. До второй половины XVII века применялось местное отопление зданий, т.е. тепловая энергия использовалась на месте ее получения. Исключение составлял Древний Рим, где применялись водяные системы отопления с использованием термальных вод и подпольное огневоздушное отопление дворцов от локального источника. Началом централизации систем теплоснабжения можно считать 1818 год, когда в Англии была смонтирована первая паровая система высокого давления, отапливающая группу оранжерей с расстоянием наиболее удален- ным, то есть 127 м. В 1830 г. появилась первая система парового отопления зданий с использованием выхлопного пара паровой машины, что непосредственно связано с началом становления второго технологического уклада, ядром которого стал паровой двигатель.

Централизация теплоснабжения с использованием пара паровых машин и передачей пара группе жилых домов для отопления на значительные расстояния (в пределах 1–2 км) началась в 1878 г. в США, а впоследствии в Германии и других европейских странах. В первые годы XX века в связи с формированием третьего технологического уклада, положившим начало серийного производства электродвигателей получает развитие центральное водяное теплоснабжение для отопления зданий.

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ И НАНОМАТЕРИАЛОВ

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

В дореволюционной России предпринимались отдельные попытки использовать теплофикационные установки для отопления жилых и общественных зданий. Однако в реальности некоторое распространение получили только немногочисленные фабрично-заводские теплосиловые установки, использовавшие отработавший пар промышленных предприятий (например, Трехгорная мануфактура в Москве). Индустриализация и жилищное строительство вызвали непрерывный рост тепловой нагрузки. Одновременно шел процесс концентрации этой нагрузки в крупных городах и промышленных районах, что создало базу для дальнейшего развития централизованного теплоснабжения в стране и позволило СССР и современной России занять первое место в мире по общей протяженности тепловых сетей и мощности теплофикационных установок.

Вместе с тем для систем теплоснабжения характерна весьма выраженная консервативность в части используемого оборудования и применяемых технологий при поставке потребителям тепловой энергии. Этим объясняется тот факт, что на протяжении более чем 70 лет основными источниками централизованного теплоснабжения являются тепловые станции комбинированного производства тепловой и электрической энергии (ТЭЦ) со средним радиусом действия 10–20 км. При этом дальность действия тепловых систем в современных крупных сетях может достигать 30–50 км и более – до 100 км [4].

Несмотря на то, что транспорт тепла на большие расстояния понижает экономичность работы систем теплоснабжения, приводя к большим теплопотерям на пути к потребителю, основным «консервативным» направлением совершенствования теплоснабжения по-прежнему является централизация: концентрация и комбинирование производства теплоты и электрической энергии (теплофикация). Это вызвано в определенной мере тем, что системы централизованного теплоснабжения на базе комбинированного производства, относящиеся к так называемой большой энергетике, связаны с определенными промышленными стандартами. Система жестких стандартов приводит к высокой степени технологической и организационной зарегулированности теплоснабжения, которые, в свою очередь, ограничивают развитие инновационных схем [7].

Ограниченность границ экономически обоснованной передачи теплоэнергии, особенно при малых нагрузках, является основным препятствием для подключения зданий к централизованным системам теплоснабжения на изолированных территориях. Транспорт тепла на большие расстояния понижает экономичность работы систем теплоснабжения, при- водя к большим теплопотерям на пути к потребителю. Поэтому наряду с сохранением сложившихся позиций большой энергетики все более интенсивными темпами во всем мире начинает развиваться малая распределенная энергетика, включающая в себя системы распределенной генерации, системы управления потреблением энергии и др.

Малая энергетика ориентирует на децентрализованное (автономное) теплоснабжение преимущественно в тех районах, где сооружение ТЭЦ по технико-экономическим показателям нецелесообразно ввиду отсутствия необходимой концентрации тепловой и электрической нагрузок. Значительная площадь территории децентрализованного теплоснабжения с высокими ценами на энергию от изолированных источников малой генерации, работающих на привозном топливе, делает актуальным, как и в сфере большой энергетики, поиск перспектив для инновационных вариантов теплоснабжения.

Эффективность использования теплоты большой и малой энергетики при традиционных технологиях во многих случаях недостаточна. Большой проблемой для систем централизованного теплоснабжения являются тепловые потери в сетях. Повышение качества тепловой изоляции обходится дорого, но при этом высокие потери все равно неизбежны, т.к. низкая гидравлическая устойчивость систем теплопо-требления обуславливают общий перерасход теплоты и теплоносителя при недогреве одних и перегреве других потребителей. Реализуемые мероприятия, направленные на выявление и устранение основных теплопотерь в сочетании с формированием норм и правил энергопотребления, исчерпали потенциал повышения энергетической эффективности [1]. Поэтому к актуальным задачам теплоснабжения относится разработка и внедрение в системах отопления инновационных технологий, обеспечивающих максимальную экономичность работы этих систем, высокую эффективность и надежность их эксплуатации, а также нормальный микроклимат в помещениях.

На повышение эффективности использования теплоты направлено применение наножидкостей в системах теплоснабжения в качестве теплоносителя, дающих, по полученным экспериментальным данным, существенное повышение теплоотдачи [16]. Теплоемкость наножидкости описывается выражением:

Cр = λα×ρ, (1)

где λ – теплопроводность наножидкости, Вт/(м•К);

α – температуропроводность, м2/с;

ρ – плотность образца, кг/м3.

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ И НАНОМАТЕРИАЛОВ

Имеются определенные перспективы применения наножидкостей для совершенствования теплообменных аппаратов и снижения теплопотерь [21]. Результаты анализа теплопроводности, концентрации, размера, массы и скорости наночастиц позволяют дать оценку возможности применения наножидкостей в системах теплоснабжения в качестве теплоносителя, выбрать наиболее эффективные наножидкости путем изучения зависимости коэффициента теплоотдачи наножидкости от числа Рейнольдса и коэффициента теплоотдачи от объемной концентрации [10]. Такая зависимость показывает увеличение коэффициента теплоотдачи при увеличении числа Рейнольдса. При этом степень увеличения существенно зависит от концентрации наночастиц и их скорости, хотя значительное возрастание теплопроводности наножидкостей возможно даже при небольших концентрациях частиц. Например, при добавлении в теплоноситель 1%, 2% и 3% объема наножидкости коэффициент теплоотдачи увеличивается соответственно на 100, 200 и 300% [16]. Зависимость теплопроводности от массы наночастиц является квадратичной и может быть представлена в виде

∆λ ≈ (рч/р)2, (2)

где рч – плотность материала наночастиц.

Полученные результаты показывают, что теплоемкость наножидкости существенно выше, чем при водяном отоплении без добавления нанодобавок в теплоноситель. Наиболее эффективно для повышения теплоотдачи использование в системах теплоснабжения наножидкостей с углеродными нанотрубками в силу их высокой теплопроводности (для сравнения – в восемь раз выше, чем у меди, и более чем на четыре порядка превышает аналогичную величину для базовой жидкости, что может привести к значительным изменениям теплофизических свойств наножидкостей и усилению теплообменных процессов) [12].

Другим перспективным направлением снижения теплопотерь в тепловых сетях за счет наноструктури-рованных материалов являются низкотемпературные топливные элементы, применяемые системами автономного (децентрализованного) теплоснабжения в установках мини-ТЭЦ с встроенной отопительной частью для одноквартирных и многоквартирных жилых домов.

В развитии технологии производства низкотемпературных топливных элементов важную роль способны сыграть наноструктурированные материалы, в т.ч. катализаторы на основе наночастиц, они обеспечивают высокую эффективность, экологичность и надежность [15]. В топливных элементах хими- ческая энергия топлива (водород, природный газ) преобразуется в электрическую (30–50%) и тепловую (до 40–50%) энергию. Благодаря высокой эффективности топливных элементов суммарный КПД мини-ТЭЦ на топливных элементах с использованием катализаторов, состоящих из металлических наночастиц размером 1–5 нм в углеродной матрице, может достигать 80%. Наиболее перспективные элементы – наномарганец, наноаланат марганца, нанотитан.

Применение нанотехнологий в системах теплоснабжения способно отвечать целям максимальной интенсификации теплообмена. Системы теплоснабжения представляют собой взаимосвязанный комплекс потребителей тепла, отличающихся между собой как характером, так и величиной теплопо-требления. Режимы расходов тепла многочисленными абонентами неодинаковы. Тепловая нагрузка отопительных установок изменяется в зависимости от температуры наружного воздуха, что требует искусственного регулирования. Анализ общемировых тенденций снижения теплопотерь в системах теплоснабжения показывает снижение максимальной температуры, подаваемой от источника в тепловые сети. Разность температур между греющей и нагреваемой стороной сокращается каждое десятилетние на несколько градусов. Регулирование тепловой нагрузки приводит к изменению параметров и расходов энергоносителей в соответствии с фактической потребностью. Сущность методов регулирования вытекает из уравнения теплового баланса [4]

Q = Gc(t1– t2)n/3600 = kF(t1–t2)n,             (3)

где Q – количество теплоты, полученное прибором от энергоносителя и отданное нагреваемой среде, кВт/ч;

G – расход энергоносителя кг/ч;

С – теплоемкость энергоносителя кДж/ кг;

K – коэффициент теплопередачи;

F – поверхность нагрева теплообменного аппарата (устройства, передающего теплоэнергию от одного источника теплоты другому, исключая при этом непосредственный контакт теплоносителей);

t1, t2 – температура теплоносителя на входе и выходе из теплообменника;

n – время.

Из уравнения теплового баланса следует, что изменение коэффициента теплопередачи (КТП) обратно пропорционально расходу энергоносителя. Как показывают исследования, величина коэффициента теплопередачи на модифицированных нагревателях не зависит от высоты получаемых структур. Поэтому при использовании модифицированных поверхностей с различной высотой наноструктур одновремен-

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ И НАНОМАТЕРИАЛОВ но возможен рост КТП и увеличение критического теплового потока, что приводит к экономии расхода теплоносителя как основной задачи качественноколичественного регулирования системы теплоснабжения.

Характеристика теплообменного аппарата выводится из общего уравнения регулирования и описывается зависимостью вида:

q = Q/v, (4)

где q – тепловая производительность аппарата на 1о максимальной разности температур греющей и нагреваемой среды на входе в теплообменник (v), кВт/оС.

Повышение тепловой производительности теплообменного аппарата возможно за счет увеличения поверхности нагрева или за счет роста КТП вследствие интенсификации теплообмена. Однако повышение теплопроизводительности за счет увеличения поверхности нагрева неизбежно влечет за собой удорожание теплообменного аппарата. Именно поэтому вопрос интенсификации теплообмена в теплообменных аппаратах для увеличения КТП является актуальным с экономической точки зрения.

Решение задачи максимальной интенсификации теплообмена может быть получено за счет создания массивов регулярных микро- и наноструктур различной геометрии [11]. Метод литографии, лежащий в основе микро- и наноэлектромеханических систем (МЭМС/НЭМС-технологий), используется для послойного формирования топологического рисунка микро- и наноструктур, что позволяет получить структурированную поверхность теплообменного аппарата, характеризующуюся термином «субшероховатость» (от англ. «subroughness»), т.е. микрорельефом мельчайших элементов рельефа поверхности, участвующих в формировании ее шероховатости.

Заметим, что хотя микромеханические системы формально не отвечают диапазону нанотехнологий, многие особенности микромеханики могут быть перенесены в нанодиапазон [8].

Расчеты показывают, что для структурированной поверхности теплообменного аппарата за счет субшероховатости характерен рост величины КТП по сравнению с гладкой поверхностью без существенного роста гидравлического сопротивления и увеличения размеров аппарата-аналога [11].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Поскольку системы теплоснабжения и отопления жилых и промышленных зданий являются наиболее значительным по расходу первичных топливно-энергетических ресурсов сегментом в энергообеспечении на территории всей России, то мультипликативные эффекты решения задач их массового технического перевооружения в формате страны выходят за пределы отраслевых задач по повышению эффективности выработки тепла [11]. Инновационный потенциал применения нанотехнологий содержит все первичные источники получения теплоносителей [6]. Становление нового технологического уклада, развитие одного из его ключевых факторов – нанотехнологий – обусловливают решение задачи повышения эффективности систем централизованного и автономного теплоснабжения за счет роста КТП и интенсификации теплообмена вследствие использования графенового нанопокрытия, создания наноструктур, применения наножидкостей [19,21], микро/наномо-дифицированных поверхностей [12].