Введение
Тепло, производимое машиной, которая использует энергию, как побочный продукт выполнения работы Топло отходов - это тепло, которое производится машиной или другим процессом, который использует энергию, как побочный продукт выполнения работы. Все эти процессы выделяют некоторое отработанное тепло как фундаментальный результат законов термодинамики. Отходы тепла имеют более низкую полезность (или в терминологии термодинамики более низкую эксергию или более высокую энтропию), чем исходный источник энергии. Источники отработанного тепла включают все виды человеческой деятельности, природные системы и все организмы, например, лампы накаливания нагреваются, холодильник нагревает воздух в помещении, здание нагревается в часы пик, двигатель внутреннего сгорания вырабатывает выхлопные газы с высокой температурой, а электронные компоненты нагреваются при работе. Вместо того, чтобы "утрачиваться" путем выброса в окружающую среду, иногда отработанное тепло (или холод) может использоваться в другом процессе (например, использование горячей охлаждающей жидкости для двигателя для нагрева транспортного средства), или часть тепла, которая в противном случае была бы потрачена впустую, может быть повторно использована в том же процессе, если в систему добавляется дополнительное тепло (как при вентиляции с восстановлением тепла в здании). Хранение тепловой энергии, которое включает в себя технологии как для краткосрочного, так и долгосрочного хранения тепла или холода, может создавать или улучшать полезность отработанного тепла (или холода). Одним из примеров является отработанное тепло от кондиционеров, хранящееся в буферном резервуаре для ночного отопления. Другой - это сезонное накопление тепловой энергии (STES) на литейном заводе в Швеции. Тепло хранится в грунте скалы, окружающей кластер скважин, оборудованных теплообменниками, и используется для отопления помещений на соседнем заводе по мере необходимости, даже спустя месяцы. Примером использования СТЭС для использования естественного отходового тепла является солнечное сообщество Drake Landing в Альберте, Канада, которое, используя кластер скважин в грунте скалы для межсезонного хранения тепла, получает 97 процентов своего круглогодичного тепла от солнечных тепловых коллекторов на крышах гаражей. Еще одно применение STES - хранение зимнего холода под землей для летнего кондиционирования воздуха. В биологическом масштабе все организмы отбрасывают отработанное тепло в рамках своих метаболических процессов и погибают, если температура окружающей среды слишком высока, чтобы это было возможно. Антропогенное теплоотходы могут способствовать возникновению эффекта городского теплового острова. Отходы тепла от кондиционирования воздуха могут быть уменьшены за счет использования пассивного охлаждения здания и методов нулевого энергопотребления, таких как испарительное охлаждение и пассивное дневное радиационное охлаждение, последнее из которых посылает отходы тепла непосредственно в космос через инфракрасное окно.
Waste heat is heat that is produced by a machine, or other process that uses energy, as a byproduct of doing work. All such processes give off some waste heat as a fundamental result of the laws of thermodynamics. Waste heat has lower utility (or in thermodynamics lexicon a lower exergy or higher entropy) than the original energy source. Sources of waste heat include all manner of human activities, natural systems, and all organisms, for example, incandescent light bulbs get hot, a refrigerator warms the room air, a building gets hot during peak hours, an internal combustion engine generates high temperature exhaust gases, and electronic components get warm when in operation. Instead of being "wasted" by release into the ambient environment, sometimes waste heat (or cold) can be used by another process (such as using hot engine coolant to heat a vehicle), or a portion of heat that would otherwise be wasted can be reused in the same process if make up heat is added to the system (as with heat recovery ventilation in a building). Thermal energy storage, which includes technologies both for short and long term retention of heat or cold, can create or improve the utility of waste heat (or cold). One example is waste heat from air conditioning machinery stored in a buffer tank to aid in night time heating. Another is seasonal thermal energy storage (STES) at a foundry in Sweden. The heat is stored in the bedrock surrounding a cluster of heat exchanger equipped boreholes, and is used for space heating in an adjacent factory as needed, even months later. An example of using STES to use natural waste heat is the Drake Landing Solar Community in Alberta, Canada, which, by using a cluster of boreholes in bedrock for interseasonal heat storage, obtains 97 percent of its year round heat from solar thermal collectors on the garage roofs. Another STES application is storing winter cold underground, for summer air conditioning. On a biological scale, all organisms reject waste heat as part of their metabolic processes, and will die if the ambient temperature is too high to allow this. Anthropogenic waste heat can contribute to the urban heat island effect. Waste heat from air conditioning can be reduced through the use of passive cooling building design and zero energy methods like evaporative cooling and passive daytime radiative cooling, the latter of which sends waste heat directly to outer space through the infrared window.
Производство электроэнергии
Электроэффективность тепловых электростанций определяется как отношение между входной и выходной энергией. Обычно она составляет только 33%, если не учитывать полезность тепловой мощности для отопления здания. На изображениях показаны охлаждающие башни, которые позволяют электростанциям поддерживать низкую сторону температурной разницы, необходимой для преобразования тепловых различий в другие формы энергии. Отброшенное или "отходное" тепло, которое теряется в окружающей среде, может быть использовано в выгодном целях.
Промышленные процессы
Промышленные процессы, такие как переработка нефти, производство стали или стекла, являются основными источниками отработанного тепла.
Электроника
Хотя с точки зрения мощности она небольшая, удаление отработанного тепла из микрочипов и других электронных компонентов представляет собой значительную инженерную проблему. Для этого требуется использование вентиляторов, теплоотводов и т. д. чтобы избавиться от тепла. Например, центры обработки данных используют электронные компоненты, которые потребляют электричество для вычислений, хранения и сетевых связей. Французский CNRS объясняет, что дата-центр похож на резистор, и большая часть потребляемой им энергии преобразуется в тепло и требует систем охлаждения.
Биологические
Люди, как и все животные, производят тепло в результате обмена веществ. В теплых условиях это тепло превышает уровень, необходимый для гомеостаза у теплокровных животных, и удаляется различными методами терморегуляции, такими как потоотделение и вздыхание. Фиала и другие. моделировала человеческую терморегуляцию.
Удаление
Низкотемпературное тепло содержит очень мало возможностей для выполнения работы (энергии), поэтому тепло квалифицируется как отработанное тепло и отбрасывается в окружающую среду. Экономически наиболее удобным является отторжение такого тепла в воду из моря, озера или реки. Если не хватает охлаждающей воды, установку можно оснастить охлаждающей башней или воздухоохладителем для отвода отработанного тепла в атмосферу. В некоторых случаях возможно использование отработанного тепла, например, в системах централизованного отопления.
Переход на электроэнергию
Существует много различных подходов к передаче тепловой энергии в электричество, и технологии для этого существуют уже несколько десятилетий. Установленный подход заключается в использовании термоэлектрического устройства, где изменение температуры через полупроводниковый материал создает напряжение через явление, известное как эффект Зибекка. Сходной подход - использование термогальванических элементов, где разница температур приводит к электрическому току в электрохимической ячейке. Органический цикл Рэнкина, предлагаемый такими компаниями, как Ormat, является очень известным подходом, при котором в качестве рабочей среды вместо воды используется органическое вещество. Преимущество заключается в том, что этот процесс может отклонять тепло при более низких температурах для производства электроэнергии, чем обычный цикл водяного пара. Примером использования цикла парного Ранкина является отработавший тепловой двигатель циклона.
Когенерация и тригенерация
Отходы теплового вещества уменьшаются при использовании системы когенерации, также известной как система комбинированного производства тепла и энергии (CHP). Ограничения использования тепловой энергии в качестве побочного продукта возникают в основном из-за проблем, связанных с затратами и эффективностью, связанных с эффективным использованием небольших температурных различий для получения других форм энергии. Приложения, использующие отработанное тепло, включают отопление бассейнов и бумажные мельницы. В некоторых случаях охлаждение также может производиться с помощью абсорбционных холодильников, например, в этом случае это называется тригенерацией или CCHP (комбинированное охлаждение, тепло и электроэнергия).
Центральное отопление
Отходы тепла могут быть использованы в центральном отоплении. В зависимости от температуры отработанного тепла и системы централизованного отопления, для достижения достаточных температур необходимо использовать тепловой насос. Это простой и дешевый способ использования отработанного тепла в системах централизованного отопления, поскольку они работают при температуре окружающей среды, и поэтому даже низкокачественное отработанное тепло может быть использовано без необходимости использования теплового насоса на стороне производителя.
Предварительная нагрев
Отходы тепла могут быть вынуждены нагревать поступающие жидкости и объекты, прежде чем они будут сильно нагреты. Например, исходящая вода может передавать отработанное тепло входящей воде в теплообменнике до нагрева в домах или электростанциях.
Антропогенная жара
Антропогенное тепло - это тепло, генерируемое людьми и деятельностью человека. Американское метеорологическое общество определяет его как "тепло, выделяемое в атмосферу в результате деятельности человека, часто связанной с сжиганием топлива. К источникам относятся промышленные предприятия, отопление и охлаждение помещений, метаболизм человека и выхлопные газы автомобилей. В городах этот источник обычно вносит 1550 Вт/м2 в местный тепловой баланс, а в центрах крупных городов в холодных климатах и промышленных районах - несколько сотен Вт/м2". В 2020 году общий антропогенный ежегодный выброс энергии составил 168 000 тераватт-часов; учитывая площадь поверхности Земли 5,1 × 10 м, это составляет глобальный средний уровень выброса антропогенного тепла 0,04 Вт / м.
Влияние на окружающую среду
Антропогенное тепло оказывает небольшое влияние на температуру в сельской местности, но становится более значительным в густонаселенных городских районах. Это один из факторов, способствующих возникновению городских тепловых островов. Другие воздействия, вызванные человеком (например, изменения альбедо или потеря испаряющего охлаждения), которые могут способствовать образованию городских тепловых островов, не считаются антропогенными по этому определению. Антропогенное тепло в гораздо меньшей степени способствует глобальному потеплению, чем парниковые газы. В 2005 году антропогенный поток отработанного тепла в глобальном масштабе составлял только 1% от энергетического потока, созданного антропогенными парниковыми газами. Тепловой поток неравномерно распределен, в некоторых регионах он выше, чем в других, и значительно выше в некоторых городских районах. Например, глобальное вытеснение от отработанного тепла в 2005 году составило 0,028 Вт/м2, но было +0,39 и +0,68 Вт/м2 для континентальных Соединенных Штатов и Западной Европы соответственно. Хотя было показано, что отработанное тепло оказывает влияние на региональный климат, климатическое воздействие отработанного тепла обычно не рассчитывается в современных глобальных климатических симуляциях. Эксперименты с климатом равновесия показывают статистически значимое потепление поверхности континентального масштаба (0,40,9 °C), вызванное одним сценарием 2100 AHF, но не текущими или 2040 оценками. которые были реализованы недавно показывают заметный вклад в глобальное потепление в последующие столетия. Например, 2%-ный рост отработанного тепла в год приводит к увеличению на 3 градуса в качестве нижнего предела на 2300 год. Между тем, это было подтверждено более утонченными модельными расчетами. В научной статье 2008 года показано, что если выбросы антропогенного тепла будут продолжать расти в нынешних темпах, они станут источником потепления, столь же сильным, как выбросы парниковых газов в 21-м веке.