Наноматериалы в системах ТГВ

Системы теплогазоснабжения и вентиляции (ТГВ) имеют прикладной характер, поэтому они являются перспективными потребителями достижений нанонауки, т.е. новых наноматериалов и нанотехнологий. Станут ли системы ТГВ объектом исследований нанонауки? Вполне возможно, поскольку один из законов развития техники гласит: техническая система, развившись «исчезает», передавая свою функцию надсистеме. Очень вероятно, что «исчезновение» какой-либо системы ТГВ произойдёт на наноуровне.

Следует отметить, что процесс передачи функций от одной системы к другой и в надсистему можно видеть и на современных системах ТГВ. Например, традиционная система водяного отопления «исчезает», если используется система воздушного отопления. Функция отопления передаётся системе вентиляции: в отапливаемое помещение сразу подаются необходимые наночастицы – «тёплые молекулы» воздуха. Другой пример – переход к электрическому отоплению, особенно в случае применения в качестве отопительных приборов «тёплых» обоев или специальных потолочных пленок, система отопление почти исчезает.

Магнитные жидкости или ферромагнитные жидкости – это суспензии из магнитных частиц (размером около 10 нм), взвешенные в носителе. В качестве носителя может использоваться и вода. При наложении магнитного поля внутри этих жидкостей возникают объёмные и поверхностные силы, в результате чего наблюдаются необычные гидромеханические явления. Магнитное манипулирование наночастицами в ферромагнитных жидкостях создаёт уникальную возможность дистанционного регулирования их параметров (вязкости, давления, теплопроводности). В современных устройствах магнитные жидкости используются в небольших количествах в качестве герметиков, вакуумных уплотнителей, вязкостных глушителей колебаний и т.п. Весьма перспективно применение магнитной жидкости на основе воды в качестве теплоносителя в системах отопления и теплоснабжения. В этом случае запорно-регулирующая арматура и насосы, выполненные на основе электромагнитов, будут располагаться снаружи трубы и, следовательно, будут полностью исключены механические устройства, взаимодействующие с теплоносителем.

Электрореологические жидкости – другой тип суспензий, которые изменяют свои свойства под воздействием электрического поля. Электрореологические клапаны еще чувствительнее магнитных клапанов благодаря отсутствию остаточного магнетизма.

Интеллектуальные материалы. Например, сплавы с памятью формы. Эффектом памяти формы обладает нитинол (сплав никеля и титана). Изделия из нитинола в зависимости от температуры принимают различную форму. Предложено выполнять из нитинола охлаждающие пластины отопительного прибора. Пластины сами регулируют теплоотдачу прибора, принимая в зависимости от температуры форму с различной величиной поверхности теплоотдачи. Детали с памятью формы могут использоваться в запорно-регулирующей арматуре, воздухозаборных устройствах, воздухораспределителях и т.п.

Второй пример интеллектуальных материалов – это стёкла и полимеры, меняющие свою прозрачность, цвет и другие характеристики под воздействием электрического поля, света, тепла, механических факторов и т.п.

Здесь следует вспомнить и о биметаллах. Биметаллические пластины уже давно используются в технике, например, в бытовых газовых приборах в качестве датчиков контроля пламени запальника, тяги и т.п. В биметаллических пластинах используется эффект различного теплового расширения – «работает» кристаллическая решетка металлов.

Теплоснабжение. Большой проблемой для систем централизованного теплоснабжения являются тепловые потери в сетях. Повышение качества тепловой изоляции обходится дорого и всё равно теплопотери неизбежны. Предложена «холодная» теплотрасса, по которой к потребителю раздельно подаются два «теплоносителя» – два вещества. Эти вещества у потребителя вступают в экзотермическую реакцию и отдают теплоту. Образовавшееся вещество (раствор) возвращается к источнику теплоснабжения, где под воздействием температуры протекает эндотермическая реакция разделения (диссоциации) и цикл повторяется. Предложено использовать обратимые химические реакции или процессы: диссоциации – ассоциации, десорбции – абсорбции, растворение – выпарка и т.п. Авторы идеи «холодной» теплотрассы надеются передать теплоту на любые расстояния, хоть на Марс. Однако запасы тепловой энергии приведённых реакций невелики. Идея может быть реализована, если будут найдены вещества, выделяющие при обратимом взаимодействии количество теплоты на уровне или даже больше, чем выделяется при горении ископаемых топлив. Например, если будет решена проблема получения, стабилизации и хранения атомного водорода, то его можно будет использовать для теплоснабжения. При рекомбинации атомного водорода выделяется теплоты больше, чем при сжигании молекулярного водорода.

Теплогенерирующие установки. В настоящее время проблема теплопотерь в тепловых сетях успешно решается применением систем автономного теплоснабжения. В качестве источника теплоты для отдельных зданий используются газовые котельные. Однако для зданий необходимо и электроснабжение. Комплексно децентрализованное тепло- и электроснабжение обеспечивают мини-ТЭЦ. Предложены мини-ТЭЦ на базе поршневых ДВС, газотурбинных двигателей и топливных элементов. Наиболее перспективным представляется использование топливных элементов, т.к. они обеспечивают высокую эффективность, экологичность и надёжность при низком уровне шума при работе. В топливных элементах химическая энергия топлива (водород, природный газ) преобразуется в электрическую (30–50 %) и тепловую (до 40–50 %) энергию. Суммарный КПД мини-ТЭЦ на топливных элементах может достигать 80 %. Рабочий процесс в топливных элементах происходит на атомно-молекулярном уровне. Создав топливные элементы, человек повторил созданные природой устройства получения энергии в живых организмах. Этот факт свидельствует о высокой перспективности топливных элементов, поскольку все процессы в природе очень высокоэффективны. Имеются примеры практического использования топливных элементов для тепло- и электроснабжения зданий.

В г азоснабжении, как отмечено выше, могут найти применение полученные с помощью нанотехнологий трубы, фитинги, запорно-регулирующая арматура, агрегаты и приборы. Весьма перспективно газоснабжение автономных источников энергоснабжения – мини-ТЭЦ и микро-ТЭЦ на основе топливных элементов. По традиционной схеме энергообеспечения к каждому жилому объекту подводится несколько видов энергии: электроэнергия, тепловая энергия, сетевой газ, горячая вода. Установка крышных микро-ТЭЦ на жилых объектах позволит подводить к ним только один вид энергоносителя – сетевой природный газ (в перспективе – водород). Всю бытовую технику можно будет перевести на электропитание. Убрав из квартир газопроводы и газовые плиты можно резко увеличить безопасность использования природного сетевого газа.

Вентиляция. В системах вентиляции найдут применение воздуховоды, изготовленные с применением наноматериалов или с нанопокрытием. Такие воздуховоды, обладающие химической стойкостью особенно необходимы для промышленных предприятий. Полимеркомпозитные воздуховоды снижают уровень шума. Весьма перспективно использование молекулярных мембран и нанофильтров для очистки приточных и вытяжных воздушных потоков. Мембранные технологии перспективны для создания системы вентиляции без вентилятора. Для регулирования воздушных потоков могут быть использованы устройства с наносенсорами. И наконец, наноматериалы являются основой для создания устройств, обеспечивающих увлажнение, озонирование, ионизацию (аэронизацию) воздушных потоков.

Пылеочистка газовоздушных потоков. Предложено разделять запылённые потоки и заряжать пылевые частицы в них разноимёнными электрическими зарядами. После объединения потоков, противоположно заряженные частицы быстро коагулируют, а потом отделяются.

Для пылеочистки весьма эффективны нанопористые материалы, в частности со сквозными полостями, из которых изготавливают нанофильтры. При наноскопических поперечных размерах пор нанофильтры имеют различную проницаемость для молекул разных форм и размеров. Нанофильтры применяются в системах жизнеобеспечения космических станций, могут использоваться для тонкой очистки воздуха и воды. Для изготовления нанофильтров применяются нанопорошки металлов и керамики, которые спекаются методом порошковой металлургии.

Большой интерес представляют биологические методы синтеза наноматериалов, прототипом которых являются природные методы синтеза. Природа синтезирует наноструктуры и собирает из них живые системы, которые являются образцом экономичности, рациональности, безотходности и многофункциональности. Человек использует в хозяйственной деятельности различные виды дрожжей, ферменты, бактерии. В связи с этим весьма рационально сопоставить систему кровообращения и систему теплоснабжения, систему газообмена в лёгких и систему вентиляции и т.п.

Нанотехнологические сенсоры (датчики) могут коренным образом изменить организацию автоматизированных систем управления (АСУ) системами ТГВ, обеспечив поддержание оптимальных параметров микроклимата помещений, энергосбережение в жилых, общественных, производственных зданиях.

Микророботы (наноманипуляторы) смогут успешно вести мониторинг систем ТГВ. Например, диагностику газопроводов отслуживших нормативный срок.

Рис. 13.5. Нанотехнологии в строительстве и архитектуре

Наука и образование. Разработка нанотехнологий и получение наноматериалов открывают пути для дальнейшего развития физики, химии, материаловедения и для многих других наук. Возникают новые междисплинарные научные исследования и связи. Это влечёт за собой изменения в инфраструктуре высшего образования – возникают новые кафедры и специальности. Следует ожидать, что нанотехнологии окажут сильное влияние не только на развитие отраслей промышленности, в частности на системы теплогазоснабжения и вентиляции, но и на жизнь общества.