Marnować ciepło

Ciepło odpadowe to ciepło wytwarzane przez żywe istoty lub urządzenia techniczne i oddawane do otoczenia.

Z termodynamicznego punktu widzenia większość rzeczywistych procesów jest nieodwracalna . W wyniku rozpraszania energii podczas tych procesów nieuchronnie powstaje ciepło.

biologia

Przebiśniegi przenikają przez pokrywę śnieżną za pomocą ciepła odpadowego

W procesach metabolicznych nieuniknione ciepło (wytwarzana termogeneza ). Naprzemiennie ciepłe organizmy całkowicie oddają samoistnie wytworzone ciepło jako ciepło odpadowe do otoczenia. Ponieważ temperatura takich organizmów nieznacznie odbiega od temperatury otoczenia, niski poziom ciepła odpadowego jest ledwo zauważalny. Jednak topnienie śniegu w bezpośrednim sąsiedztwie wczesnych bloomerów można przypisać wytwarzanemu ciepłu odpadowemu. Przebiśniegi nawet aktywnie nagrzewają się powyżej temperatury otoczenia, dzięki czemu ich ciepło odpadowe topi pokrywę śnieżną nad nimi i może przez nie przenikać światło. Ptaki i ssaki jako zwierzęta o tej samej temperaturze zawsze oddają tyle energii, ile ciepła odpadowego, że ich temperatura ciała pozostaje prawie stała. Twoje ciepło odpadowe jest zauważalne.

W obu przypadkach organizmy mają częściowo rozwinięte mechanizmy termoregulacji . Jeśli istnieje zagrożenie przegrzaniem z powodu silnego nasłonecznienia lub wysokich temperatur otoczenia, rośliny zwiększają swoją moc cieplną zwiększając transpirację, a tym samym odprowadzając dodatkowe ciepło parowania . U organizmów wyższych funkcję tę pełni pocenie się lub dyszenie .

technologia

Urządzenia i systemy techniczne nie mogą działać bez wytwarzania ciepła odpadowego. Zwykle należy to wyprowadzić, aby uniknąć usterek spowodowanych przegrzaniem lub przywrócić początkowy stan czynnika roboczego w procesach obiegowych .

W przypadku konwerterów energii ciepło odpadowe zawsze stanowi stratę, w tym przypadku jest to energia, która opuszcza system i nie jest już dostępna dla swojego celu. Dlatego efektywność konwersji energii można określić za pomocą ciepła odpadowego .

Inżynieria elektryczna

Zgodnie z prawem Ohma każdy przewodnik, przez który przepływa prąd , czyli prawie każdy element elektryczny, generuje straty ciepła. Oznacza to, że ciepło odpadowe musi zostać odprowadzone z każdego urządzenia elektrycznego i każdego systemu elektrotechnicznego. W silniku elektrycznym, oprócz mechanicznego tarcia ruchomych części, wewnętrzny opór uzwojenia przewodzącego prąd zmniejsza mechaniczną moc wyjściową na wale . W związku z tym można określić sprawność konwersji energii dla silnika elektrycznego, w którym oprócz strat tarcia uwzględniona jest również ujemna strata mocy wewnętrznej rezystancji cewek . ${\ displaystyle P _ {\ mathrm {m.}}}$${\ displaystyle P _ {\ mu}}$${\ displaystyle R}$${\ displaystyle P_ {R}}$

${\ Displaystyle \ eta _ {\ mathrm {m.}} = {\ Frac {P _ {\ mathrm {m.}}} {P _ {\ mathrm {el}}}} = {\ Frac {P _ {\ mathrm {el} } -P _ {\ mu} -P_ {R}} {P _ {\ mathrm {el}}}}}$

W konsekwencji straty tarcia są również zamieniane na ciepło odpadowe ( rozpraszanie ), tak że moc mechaniczna wokół całej mocy ciepła odpadowego

${\ Displaystyle {\ kropka {Q}} _ {\ mathrm {ab}} = P _ {\ mu} + P_ {R}}$

zmniejsza się:

${\ displaystyle \ eta _ {\ mathrm {m}} = {\ frac {P _ {\ mathrm {el}} - {\ dot {Q}} _ {\ mathrm {ab}}} {P _ {\ mathrm {el }}}} = 1 - {\ frac {{\ dot {Q}} _ {\ mathrm {ab}}} {P _ {\ mathrm {el}}}}}$

W ten sam sposób straty w innych elektrotechnicznych przetwornikach energii można uwzględnić jako wytwarzane ciepło odpadowe. Z drugiej strony urządzenia technologii informacyjnej (takie jak procesor , router itp.) Rzadko są konwerterami energii. Oprócz przekształcania ich w dźwięk lub promieniowanie elektromagnetyczne (światło, fale radiowe ) w celu transmisji sygnału, w całości emitują energię elektryczną jako ciepło odpadowe. Ich sprawności nie da się wyrazić w kategoriach sprawności, ale raczej określa ją zapotrzebowanie na energię elektryczną .

Przykłady

• W przypadku lamp żarowych wytwarzanie ciepła odpadowego zdecydowanie przewyższa wytwarzanie światła. Ich skuteczność wynosi zatem kilka procent.
• Procesory całkowicie przekształcają zużytą energię elektryczną w ciepło odpadowe. Ponieważ nie jest to wystarczająco odprowadzane przez konwekcję swobodną , stosowane są wydajne chłodzenie procesora .

termodynamika

Transfer ciepła

W instalacjach termotechnicznych ciepło odpadowe jest często wynikiem izolacji, którą w rzeczywistości można zastosować tylko w ograniczonym zakresie, lub strat, które w rzeczywistości występują podczas wymiany ciepła . Ciepło odpadowe to tutaj strata energii cieplnej.

Przykłady

• Cewka ogrzewania w kotle nie tylko ogrzewa wodę, która jest wypełniona, a także materiał i otaczającego powietrza.
• Silnik spalinowy wytwarza ciepło odpadowe, które jest emitowane przez chłodnicę oprócz układu wydechowego , ponieważ ciepło spalania jest również oddawane do tłoków , zaworów, ścian cylindrów itp.

Procesy okrężne

Maszyny grzewcze, takie jak elektrownie cieplne , silniki spalinowe itp., Nie mogą być obsługiwane bez uwalniania ciepła odpadowego do środowiska. Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki maszyny cieplne nie mogą wykonywać żadnej pracy bez wytworzenia różnicy temperatur. Dlatego takie systemy muszą być w stanie oddawać ciepło odpadowe na niskim poziomie temperatury, aby mogły działać. Ponieważ wymiana ciepła zachodzi spontanicznie (tj. Samodzielnie, bez żadnego wysiłku), ale tylko w kierunku gradientu temperatury, a gdy elektrownia jest eksploatowana, zbiornik wodny lub atmosfera ziemska (za pośrednictwem chłodni kominowych ) mogą służyć jako jedyny naturalny radiator o najniższej temperaturze, ciepło odpadowe spada tutaj zawsze w temperaturach powyżej temperaturę otoczenia.

Zgodnie ze sprawnością Carnota sprawność silnika cieplnego rośnie wraz ze spadkiem temperatury po stronie zimnej, od strony emitującej ciepło. Im niższy poziom temperatury tego ciepła odpadowego, tym wyższa sprawność silnika cieplnego. W przypadku elektrowni cieplnych i wszystkich wariantów wykorzystania ciepła (odpadowego) za pomocą procesów cyklicznych podejmuje się zatem wysiłki, aby temperatura wytwarzanego ciepła była jak najbardziej zbliżona do temperatury otoczenia.

Przykłady

• Silnik spalinowy emituje ciepło odpadowe głównie przez układ wydechowy , ponieważ ciepło spalania nie może być w pełni wykorzystane podczas rozprężania.
• Jeżeli ciepło spalin z silnika spalinowego jest wykorzystywane w blokowej elektrociepłowni do podgrzewania wody, można zmniejszyć ilość ciepła odpadowego i poprawić zużycie paliwa. Wydajność Carnota całego procesu (stopień wykorzystania ) rośnie wraz ze spadkiem temperatury, w której cały system oddaje ciepło do otoczenia.
• W środku lata należy dławić moc elektrociepłowni, które oddają ciepło odpadowe do rzek lub jezior, aby temperatura wody nie wzrosła zbyt gwałtownie. W cieplejszej wodzie rozpuszcza się mniej tlenu , co zagrażałoby rybom i innym organizmom.
• Zimą wydajność większości elektrowni cieplnych jest wyższa ze względu na niższe temperatury otoczenia, ponieważ ciepło odpadowe może być oddawane przy niższych temperaturach niż latem.
• Odzyskiwania ciepła ścieki z instalacji kanalizacyjnej może przyczynić się do zyskiem operacji grzania pompy cieplnej ze względu na równomierną temperaturę .

Wykorzystanie ciepła odpadowego

W większości procesów technicznych podejmuje się wysiłki w celu zmniejszenia emisji ciepła odpadowego („ilości ciepła odpadowego” ) do poziomu rozsądnego z technicznego i ekonomicznego punktu widzenia, poprzez takie środki, jak izolacja , odzysk ciepła lub zastosowanie odpowiednich materiałów (np. Niska rezystancja omowa). Zmniejszenie ilości ciepła odpadowego z systemu oznacza zatem zazwyczaj poświęcenie większej ilości czasu na te środki, a tym samym zwiększenie wydajności systemu.

Najpowszechniejszym sposobem na wykorzystanie ciepła oddawanego przez instalację techniczną i tym samym ograniczenie jego oddawania do otoczenia jest odzysk ciepła w elektrowniach ( rekuperacja ), w układach klimatyzacji, w procesie wielkopiecowym ( nagrzewnica wiatrowa ) i wielu innych procesach cyklicznych. Zastosowano tu wymienniki ciepła, które wykorzystują ciepło z gorących spalin lub gorącego powietrza wywiewanego do powietrza otoczenia lub innych niezbędnych dla mediów procesowych, które są obecne w niskich temperaturach do ogrzewania (np. Świeże powietrze zimą do klimatyzacji).

Chociaż systemy techniczne emitują ciepło odpadowe z czasami znaczną mocą, na przykład w przypadku chłodni kominowych w elektrowniach, poziom temperatury tych źródeł ciepła jest w większości przypadków zbyt niski do ekonomicznego wykorzystania. Techniczna możliwość odzyskania ciepła na niskim poziomie temperatury, np. Na przykład, aby przekształcić go w energię elektryczną, istnieją procesy cyrkularne, takie jak organiczny cykl Rankine'a , w którym jako czynnik roboczy wykorzystuje się węglowodory o szczególnie niskiej temperaturze wrzenia lub generatory termoelektryczne , za pomocą których można uzyskać energię elektryczną bezpośrednio z istniejącej różnicy temperatur między dwoma ciałami.

Poziom temperatury technicznych źródeł ciepła odpadowego można wykorzystać w rolnictwie, np. Do ogrzewania szklarni , do uprawy szparagów lub do hodowli ryb .

Wykorzystanie przemysłowego ciepła odpadowego - zarówno bezpośrednio, jak i przez pompę ciepła , jeśli temperatura ciepła odpadowego jest niewystarczająca - jest uważane za ważne źródło ciepła dla przyjaznych dla klimatu zdalnych i miejskich sieci ciepłowniczych . Odzysk ciepła ma ogromny potencjał w zakresie zwiększania efektywności energetycznej . Dzięki ciepłu odpadowemu wytwarzanemu w Europie można by pokryć wszystkie potrzeby sektora ciepłowniczego. Aby rozwinąć ten potencjał, należałoby poszerzyć sieć ciepłowniczą o przesyłanie ciepła odpadowego do gospodarstw domowych. W Niemczech tylko przemysł produkuje około 700 do 800 TWh ciepła odpadowego rocznie, z czego ponad 300 TWh można by wykorzystać w pompach ciepła do celów grzewczych.

Zobacz też

• Odzysk ciepła
• Połączone ciepło i moc

linki internetowe

Wikisłownik: ciepło odpadowe  - wyjaśnienia znaczeń, pochodzenie słów, synonimy, tłumaczenia

Indywidualne dowody

1. ↑ University of Halle: Teoria ciepła i przewodnictwo cieplne. (PDF) W: Teoria termiczna (termodynamika). Źródło 21 lutego 2018 r . 
2. ↑ aachener-zeitung.de
3. ^ Andrei David et al .: Heat Roadmap Europe: Large-Scale Electric Heat Pumps in District Heating Systems . W: Energie . taśma 10 , nie. 4 , 2017, s. 578 ff ., doi : 10.3390 / en10040578 . 
4. ↑ Przejście ciepła jest możliwe tylko z pompą ciepła . W: odnawialne źródła energii. Magazyn . 27 czerwca 2019 r. Źródło 27 czerwca 2019 r.