Аккумулирование горячей воды. Альтернативные способы хранения тепла. Системы аккумулирования тепловой энергии

Общие сведения. Одной из ключевых проблем нетрадиционной, в первую очередь, солнечной энергетики является проблема теплового аккумулирования. Тепловые аккумуляторы эффективно используются также в комплексе с ветроэлектрическими агрегатами, фотобатареями и в традиционной энергетике для снятия пиковых нагрузок.

Тепловое аккумулирование - это физический или химический процесс, посредством которого происходит накопление тепла в тепловом аккумуляторе энергии.

Тепловыми аккумуляторами (ТА) называют устройства, обеспечивающие протекание обратимых процессов накопления, хранения и отдачи тепловой энергии в соответствии с нуждами потребителя.

Аккумулирование тепла в различных энергосистемах ориентировано в первую очередь на отопление и горячее водоснабжение. Применение аккумуляторов тепла в водонатрева тельной системе позволяет приспосабливать ее к условиям спроса на горячую воду, изменяющегося в течение суток. Применение различных способов накопления тепловой энергии при использовании солнечных энергетических установок позволяет также преодолеть проблему, обусловленную суточной периодичностью и непостоянством поступления солнечной энергии. Даже в условиях безоблачного неба необходимое количество энергии при соответствующей температуре теплоносителя можно получить только на протяжении нескольких часов до и после полудня. Например, солнечные энергетические установки, предназначенные для отопления помещений, поддерживают температуру теплоносителя на уровне 60 °С лишь около трех часов в сутки. Поскольку в подобных системах периоды потребления и получения энергии не совпадают, накапливать ее необходимо в одни периоды суток, а использовать - в другие.

Практическое применение различных типов тепловых аккумуляторов связано в первую очередь с определением их оптимальных рабочих характеристик, с выбором недорогих и эффективных конструкционных материалов и теплоаккумулирующих сред.

Эффективность теплового аккумулятора при прочих равных условиях определяется массой и объемом теплоаккумулирующего материала (ТАМ), необходимого для обеспечения заданных параметров процесса.

Классификация тепловых аккумуляторов проводится в соответствии с несколькими главными признаками:

по природе аккумулирования:

теплоемкостные (TEA),
аккумуляторы с фазовым переходом (АФТ),
термохимические аккумуляторы (ТХА);

по уровню рабочих температур:

низкотемпературные (до 100 °С) ТА,
среднетемпературные ТА (от 100 до 400 °С),
высокотемпературные ТА (свыше 400 °С);

по продолжительности периода заряд-разряд ТА:

краткосрочные (до 3-х суток),
среднесрочные (до 1 месяца),
межсезонные (до полугода).

Выбор и конструирование ТА проводится с учетом параметров энергосистемы и потребителя тепловой энергии. Как правило, в нетрадиционной энергетике используются краткосрочные или среднесрочные низкотемпературные теплоемкостные аккумуляторы и аккумуляторы с фазовым переходом.

При рассмотрении характеристик аккумулирующих и теплообменных сред, применяемых в тепловом аккумуляторе, можно выделить такие основные разновидности теплового аккумулирования:

прямое аккумулирование тепловой энергии - аккумулирующим и теплообменным веществом является одна и та же среда; аккумулирующая среда может быть твердой, жидкой, газообразной или двухфазной (жидкость + газ);
косвенное аккумулирование - энергия аккумулируется посредством теплообмена (например, теплопроводностью через стенки резервуара) или в результате массообмена специальной теплообменной среды (в жидком, двухфазном или газообразном состоянии). Аккумулирующая среда может быть твердой, жидкой или газообразной, процесс может протекать без фазового перехода или с фазовым переходом (твердое тело- твердое тело, твердое тело-жидкость, жидкость-пар);
полупрямое аккумулирование - процесс проходит, как во втором случае, за исключением того, что аккумулирующая емкость теплообменной среды играет наиболее важную роль;
сорбционное аккумулирование - в этом случае используется способность некоторых аккумулирующих сред абсорбировать газы с выделением или поглощением тепла при десорбции газа. Передача энергии может происходить непосредственно в форме тепла или с помощью газа.

Технические решения. Широкий спектр проблем при применении аккумуляторов тепла и большое разнообразие методов аккумулирования приводят к различным техническим решениям, причем для каждого конкретного случая внедрения ТА в энергетическую систему на основе нетрадиционных и возобновляемых источников энергии необходимо проведение детальных исследований и расчетов. Аккумулирование тепла за счет теплоемкости наименее эффективно, низкая теплоемкость многих доступных теплоаккумулирующих материалов должна компенсироваться использованием больших объемов ТАМов, разряд аккумуляторов характеризуется переменной температурой. Эти аккумуляторы еще называются теплоемкостными (TEA), так как их работа основана на использовании теплоемкостных характеристик различных твердых и жидких веществ.

Аккумуляторы, использующие тепловые эффекты обратимых фазовых переходов (АФП), характеризуются более высокой плотностью теплового потока при малом объеме ТАМов и практически постоянной температурой разряда. Однако данный метод имеет свои недостатки: во-первых, стоимость ТАМов с фазовым переходом выше стоимости традиционных теплоемкостных материалов (камень, вода, гравий), во-вторых, теплообмен в АФП требует наличия развитой поверхности теплопередачи, что значительно увеличивает их стоимость. Поэтому при разработке ТА должна учитываться не только стоимость ТАМов, но и стоимость устройства АФП с учетом доступности аккумулирующих и конструкционных материалов.

Плотность энергии в аккумуляторах на основе обратимых химических реакций (так называемые термохимические аккумуляторы - ТХА) выше плотности энергии в АФП и значительно выше, чем в TEA. Принцип работы ТХА основан на аккумулировании энергии, которая поглощается и освобождается при разрыве и создании молекулярных связей в полностью обратимых химических реакциях. При создании ТХА существуют значительные затруднения, обусловленные небольшим количеством дешевых химических соединений, пригодных для ТХА, и выделением газов в процессе химических реакций.

Таким образом, на практике широко используют теплоемкостные аккумуляторы и аккумуляторы с фазовым переходом. Они рекомендуются как для промышленности с использованием значительных объемов, так и в индивидуальных хозяйствах и технологических процессах. Аккумуляторы ТХА могут быть рекомендованы лишь в определенных случаях с использованием безопасных технологий. Тепловое аккумулирование. Для создания эффективных тепловых аккумуляторов необходимо решить такие первоочередные задачи:

внедрение теплоаккумулирующих материалов с высокими удельными энергетическими характеристиками, большим ресурсом работы и широким диапазоном рабочих температур;
выбор конструкционных материалов с высокими теплотехническими и коррозионностойкими характеристиками;
создание оптимальных конструкций ТА в зависимости от функционального назначения, источника энергии и нужд потребителей.

При выборе рабочих веществ для тепловых аккумуляторов необходимо учитывать энергетические и эксплуатационные характеристики, как источника энергии, так и самого аккумулятора. Основными рабочими характеристиками ТАМов являются: удельная энергия, рабочий диапазон температур, стабильность и безопасность в работе, низкая коррозионная агрессивность, недефицитность и невысокая стоимость. При использовании в качестве ТАМов гидратов солей обращают внимание на их способность присоединять и терять молекулу воды при нагреве и охлаждении.

В зависимости от ряда факторов тепловой аккумулятор может иметь постоянные или переменные показатели массы, объема и давления. Постоянная масса (dMaK = 0) - как правило, для случая косвенного аккумулирования, однако может быть таковой и при прямом аккумулировании, если перемешиваемая часть массы после охлаждения (разряд ТА) или нагрева (заряд ТА) полностью возвращается в аккумулятор. Переменная масса (dMaK ф 0) - всегда в случае прямого аккумулирования. Постоянный объем (dVaK = 0) - для случая аккумулирования в закрытых резервуарах. Переменный объем (dУлк ф 0) - для случая аккумулирования в условиях атмосферного давления или при помощи специального компрессионного оборудования.

Алтайский государственный технический университет

им. И. И. Ползунова

Заочный факультет

по дисциплине Нетрадиционные источники энергии.

тема: Аккумулирование тепла

Проверил: В.В. Чертищев

Барнаул 2007

Введение

Глава 1. Физические основы для создания теплового аккумулятора

Глава 2. Жидкостные тепловые аккумуляторы

Глава 3. Тепловые аккумуляторы с твёрдым теплоаккумулирующим материалом.

Глава 4. Аккумуляторы тепла, основанные на фазовых переходах.

Глава 5. Конструкция ТА фазового перехода.

Введение

Сейчас во всем мире идет повсеместная экономия сырьевых ресурсов. Ученые многих стран пытаются решить эту проблему различными методами, в том числе и с помощью применения альтернативных источников энергии. К ним можно отнести такие виды, как использование водных ресурсов малых рек, морских волн, гейзеров и даже отходов производства и бытового мусора.

Но возникает проблема сохранения полученной энергии. Например, тепловую энергию, полученную в солнечной водонагревательной установке, можно сохранить в тепловом аккумуляторе, и использовать в темное время суток.

Тепловые аккумуляторы известны человечеству с глубокой древности. Это и горячая зола, куда наши предки закапывали продукты для их тепловой обработки, и горячие камни, которые накаливали на огне. Утюг, который нагревают на огне, а затем гладят им,- тепловой аккумулятор. Накаленные камни, которые мы поливаем водой (квасом, пивом) в парилках,- тоже аккумулятор тепла. Термобигуди, которые кипятят в воде, а затем с их помощью делают прическу,- тоже тепловые аккумуляторы, причем достаточно совершенные, основанные на аккумулировании плавлением.

Итак, каждое тело, нагретое выше температуры окружающей среды, можно считать аккумулятором тепла. Это тело способно, охлаждаясь, производить работу, а, следовательно, обладает энергией.

Глава 1.Физические основы для создания теплового аккумулятора

Аккумулятором тепла называется устройство (или совокупность устройств), обеспечивающее обратимые процессы накопления, хранения и выработки тепловой энергии в соответствии с требованиями потребителя.

Процессы аккумулирования тепла происходят путем изменения физических параметров теплоаккумулирующего материала и за счет использования энергии связи атомов и молекул веществ.

Исходя из первого закона термодинамики для незамкнутой системы постоянного химического состава характеристики аккумуляторов тепла зависят от изменения массы, объема, давления, энтальпии и внутренней энергии материала, а также различных их комбинаций.

В зависимости от технической реализации используется прямее аккумулирование тепла, когда аккумулирующий материал является одновременно и теплоносителем, косвенное аккумулирование - при различных теплоаккумулирующих и теплопередающих средах, а также различные виды симбиоза названных случаев.

Изменение энтальпии теплоаккумулирующего материала (ТАМ) может происходить как с изменением его температуры, так и без такового - в процессе фазовых превращений (например, твердое - твердое, твердое - жидкое, жидкое - пар).

Тепловые аккумуляторы реализуют, как правило, несколько элементарных процессов.

На современном этапе развития науки и техники существует возможность реализации практически любого известного принципа аккумуляции тепла. Целесообразность использования каждого принципа определяется наличием положительного эффекта, в первую очередь, экономического, достижение которого возможно при минимальной стоимости аккумулятора. Она определяется при прочих равных условиях массой и объемом теплоаккумулирующего материала, необходимого для обеспечения заданных параметров процесса.

В реальном процессе аккумулирования тепла плотность запасаемой энергии оказывается существенно ниже теоретического значения вследствие потерь тепла, выравнивания поля температур, потерь при заряде и разряде. Отношение реального и теоретического значений плотности запасаемой энергии и определяет эффективность теплового аккумулятора.

Одним из важнейших показателей, определяющих возможность и целесообразность аккумулирования тепла, является способность выделять энергию в количествах, необходимых потребителю. При прямом аккумулировании тепла это достигается практически всегда. Показатели таких аккумуляторов слабо зависят от вырабатываемой мощности, которая определяется расходом ТАМ и ограничивается только конструктивными и прочностными требованиями.

При косвенном аккумулировании повышение вырабатываемой мощности увеличивает градиент температур и ТАМ, что приводит либо к увеличению поверхности теплообмена, либо к неполному использованию запаса тепла. В любом случае это снижает эффективность аккумулирования.

Глава 2. Жидкостные тепловые аккумуляторы

К числу наиболее простых и надежных устройств аккумулирования тепла, несомненно, относятся жидкостные ТА, что связано с совмещением функций теплоаккумулирующего материала теплоносителя. Вследствие этого аккумуляторы такого типа особенно широко применяются для бытовых целей, в схемах различных электростанций (АЭС, АТЭЦ, солнечные и др.). В настоящее время применяются несколько основных конструктивных исполнений жидкостных ТА. Двухкорпусной ТА характеризуется раздельным хранением горячего и холодного ТАМ. В процессе зарядки один корпус заполняется горячим ТАМ, а другой – опорожняется. При работе горячий ТАМ подается потребителю и, отработав, попадает в корпус холодного ТАМ. Основным достоинством такого исполнения ТА является изотермичность каждого из корпусов и, как следствие, отсутствие в них термических напряжений и потерь, энергии на нагрев - охлаждение. Очевидно также, что объем корпусов используется нерационально и почти вдвое превышает объем ТАМ. Такое принципиальное решение целесообразно при большой разнице температур горячего и холодного ТАМ, особенно в случаях использования солевых ТАМ и жидких металлов.

Рис. 2. Основные типы жидкостных аккумуляторов тепла (магистрали показаны в режиме разряда): а - двухконтурный; б - многокорпусный; в - вытеснительный; с - со скользящей температурой ТАМ; 1 - горячий ТАМ; 2 - холодный ТАМ; 3– потребитель; 4 - единый корпус; 5 - уровень жидкости; 6 - промежуточный теплоноситель.

С целью более рационального использования объема аккумулятора предложен многокорпусный вариант, в котором используется несколько корпусов с горячим ТАМ и один пустой (холодный). По мере разрядки заполняется сначала этот корпус, а затем освобождающиеся горячие по мере их опорожнения. Это приводит к появлению термических напряжений и потерь на нагрев во всех корпусах, кроме одного.

Наиболее рационально используется объем теплового аккумулятора в случае применения единого корпуса, заполненного в начале процесса горячим ТАМ.

В процессе работы горячий ТАМ забирается из верхней части ТА, а отработанный холодный ТАМ подается в нижнюю часть ТА. Такой тип жидкостного аккумулятора называется вытеснительным. Вследствие разности плотностей горячей и холодной жидкостей может обеспечиваться малое перемешивание жидкости (эффект «термоклина»), эффективность использования вытеснительных ТА снижается вследствие потерь тепла на перемешивание и теплопроводности между объемами горячего и холодного ТАМ, нагрев корпусов и т. п.

Тепловые аккумуляторы такого типа применяются для жидкостей, имеющих большой коэффициент линейного расширения.

При особых свойствах ТАМ или нецелесообразности для потребителя использования ТАМ в качестве теплоносителя применяются тепловые аккумуляторы со скользящей температурой (рис. 2, г ).

В этом случае промежуточный теплообменник может размещаться как в корпусе ТА, так и вне его. В процессе заряда происходит нагрев ТА с использованием либо промежуточного теплоносителя, либо электроэнергии, а в процессе остывания производится отвод тепла в промежуточном теплообменнике. Одним из характерных примеров такого ТА является «солнечный пруд», в котором отбор ТАМ нежелателен вследствие разрушения обратного градиента солености воды.

Конструктивное исполнение жидкостного теплового аккумулятора во многом определяется свойствами теплоаккумулирующего материала. В настоящее время наиболее широко применяются вода и водные растворы солей, высокотемпературные органические и кремнийорганические теплоносители, расплавы солей и металлов.

В диапазоне рабочих температур 0...100 о С вода является лучшим жидким ТАМ как по комплексу теплофизических свойств, так и по экономическим показателям. Дальнейшее повышение рабочей температуры воды связано с существенным ростом давления, что усложняет проектирование корпуса, повышает его стоимость. С целью обеспечения низких рабочих давлений ТАМ используются различные высокотемпературные теплоносители. При этом возникают проблемы подбора конструкционных материалов теплового аккумулятора и системы в целом, применения специальных устройств, предотвращающих отвердение ТАМ на всех режимах эксплуатации, герметизации ТА и ряд других.

Кроме этого, использование наиболее распространенного вытеснительного типа ТА связано с комплексом конструктивных и эксплуатационных мероприятий, обеспечивающих минимальные потери энергии.

С целью снижения потерь от смешения горячего и холодного объемов ТАМ используются различные устройства, обеспечивающие снижение скорости потока жидкости, выходящего и входящего в патрубок до нескольких сантиметров в секунду, и равномерное распределение ТАМ по всему сечению аккумулятора.

Таблица 2 Теплофизические свойства жидких ТАМ

	Температура, К			Плотность кг\м 3 ·10 3	Удельная теплоёмкость кДж\кг·К	коэффициент
	застывания	максимальная	кипения	Плотность кг\м 3 ·10 3	Удельная теплоёмкость кДж\кг·К	Теплопроводности, Вт\м·К	Вязкости, ·10 6 Па·с
Вода под давлением, 0,1 МПа:	273	373	373	1	4,19	0,67	5,5
тетрахлордифенил	266	613	1,44	2,1	0,17	1000
Дифенильная смесь	285	673	531	0,95	0,12-0,08
полиметилсилоксан	213	593	0,9	1,5	0,1-0,14	5-20
полиэтилсилоксан	203	563	0,9-1	1,6	0,13-0,16	3-40
литий	455	1600	1623	0,48	4,36	52-66	8-13
натрий	371	1150	1155	0,8	1,33	52-75	14-22

В жилых помещениях можно применить водяной аккумулятор в качестве суточного. Суточный водяной аккумулятор тепла устанавливается внутри дома, в том числе он может быть встроен в одну из межкомнатных перегородок. Аккумулятор представляет собой полую стену, в которой размещены баки, заполненные водой. Через эти баки проходят дымовые трубы от печи, которые подогревают воду в баках. Источниками нагрева водяного аккумулятора кроме печи, могут быть использованы система воздушного солнечного отопления и система солнечного подогрева воды.

Внешняя теплоизоляция аккумулятора - деревянная, кирпичная или из газобетона, - служит для понижения температуры обогревающей поверхности примерно до 40 о С. Теплоизоляция обеспечивает медленное остывание бака-аккумулятора с тем, чтобы температура в комнате поддерживалась в приемлемом диапазоне температур.

Глава 3. Тепловые аккумуляторы с твёрдым теплоаккумулирующим материалом

Тепловые аккумуляторы с твердым ТАМ в настоящее время наиболее распространены. Это связано в первую очередь с использованием недорогих материалов, простых и проверенных технических решений. В качестве ТАМ используются наиболее дешевые материалы - щебень, феолит (железная руда), остатки строительных материалов.

Традиционно рассматриваются тепловые аккумуляторы с неподвижной или подвижной матрицами.

Использование неподвижной матрицы обеспечивает максимальную простоту конструкции, но требует больших масс ТАМ. Кроме этого, температура теплоносителя на выходе из аккумулятора изменяется в течение времени, что требует дополнительной системы поддержания постоянных параметров путем перепуска.

В настоящее время рассматривается несколько характерных технических решений таких аккумуляторов тепла (рис. 3).

Рис.3. Основные типы ТА с твердым ТАМ: а -с пористой матрицей; б, в - канальный; г, д - подземный с вертикальными и горизонтальными каналами; е - в водоносном горизонте; 1- вход теплоносителя; 2- теплоизоляция; 3 – разделительная решетка; 4 - ТАМ; 5 - опоры; 6- выход теплоносителя; 7 - разделении потоков; 8 -- индуктор; 9– водоносный слой; 10 – водонепроницаемый слой.

Аккумуляторы с пористой матрицей применяются, как правило, в системах гелиотеплоснабжения. Такие ТА проектируются, как правило, с минимальным гидравлическим сопротивлением, что позволяет использовать принцип свободно-конвективного переноса. При заряде горячий газ подается в верхнюю часть ТА и, охлаждаясь, опускается в его нижнюю часть.

При заряде горячий газ подается в верхнюю часть ТА и, охлаждаясь, опускается в его нижнюю часть. При разряде холодный газ подается в нижнюю часть ТА, нагревается и выходит из верхней его части. Таким образом, можно спроектировать систему теплоснабжения, требующую только источник тепловой энергии (например, Солнце). Известна разработка нагревателя газа для газодинамического лазера, использующая принцип «пористой» матрицы, нагреваемой электроэнергией.

Канальный ТА широко применяется в системах электро–теплоснабжения, использующих внепиковую энергию. Теплоаккумулирующий материал (шамот, огнеупорный кирпич и т. п.) нагревается в периоды минимального потребления электроэнергии, что позволяет выравнивать графики загрузки электростанций. Обогрев помещений производится воздухом, нагреваемым в процессе прохождения через матрицу.

Особым типом канального ТА с твердым ТАМ являются тепловые графитовые аккумуляторы, используемые в качестве источника энергии в автономных энергоустановках. Температура их нагрева может достигать 3500 К, что обеспечивает хорошие массогабаритные характеристики установки.

Подземные аккумуляторы тепла с вертикальными каналами используются, как правило, для аккумуляции сезонного тепла. Длина одного канала таких аккумуляторов может достигать ста метров, а общая энергоемкость тысяч киловатт-часов. Подземные аккумуляторы тепла с горизонтальными каналами применяются для аккумуляции тепла в течение нескольких месяцев.

Тепловые аккумуляторы с подвижной матрицей выполняются, как правило, в виде вращающегося регенератора, устройств с падающими шарами и т. п. Такие аккумуляторы применяются в устройствах регенерации тепловой энергии и вследствие малой продолжительности рабочего цикла имеют небольшие габариты; ТА с подвижной матрицей могут обеспечивать постоянную температуру газа на выходе. Основные характеристики наиболее часто применяемых твердых ТАМ приведены в табл. 3

Таблица 3 Основные свойства твердых ТАМ

ТАМ	Температура о С	Плотность, кг\м 3	Удельная теплоёмкость, кДж\кг	коэффициент
ТАМ	Температура о С	Плотность, кг\м 3	Удельная теплоёмкость, кДж\кг	Теплопроводности, Вт\м*К	Температуропроводности 10 -6 м 2 \с
Щебень	400	2500-2800	0,92	2,2-3,5	0,85-1,5
феолит	400	3900	0,92	2,1	2,5
бетон	400	1900-2000	0,84	1,2-1,3	0,76
шамот	1700	1830-2200	1,1-1,3	0,6-1,3	0,21-0,65
графит	3500	1600-2000	2,0	40-170	12-54
Кирпич красный	1000	1700-1800	0,88	0,7-0,8	0,5
песок	–––	1460-1600	0,8-1,5	0,3-0,2	––

С целью уменьшения амплитуды колебаний температуры холодного газа используется одновременная работа нескольких аккумуляторов, разряжаемых на общий канал. В этом случае амплитуда колебаний уменьшается пропорционально количеству работающих ТА. Очевидно, что для достижения постоянной температуры газа необходимо бесконечное их количество, что реализуется во вращающемся регенераторе.

Глава 4. Аккумуляторы тепла, основанные на фазовых переходах

Использования теплоты плавления для аккумулирования тепла обеспечивает высокую плотность запасаемой энергии при использовании небольших перепадов температур и достаточно стабильную температуру на выходе из ТА. Однако большинство ТАМ в расплавленном состоянии являются коррозионноактивными веществами, в основном имеют низкий коэффициент теплопроводности, изменяют объем при плавлении и относительно дороги. В настоящее время известен широкий спектр веществ, обеспечивающих температуру аккумуляции от 0 до 1400 °С. Следует отметить, что широкое применение ТА с плавящимся ТАМ сдерживается прежде всего соображениями экономичности создаваемых установок.

При рабочих температурах до 120°С рекомендуется применение кристаллогидридов неорганических солей, что связано в первую очередь с использованием природных веществ в качестве ТАМ. Для реального применения рассматриваются только вещества, не разлагающиеся при плавлении, либо растворяющиеся в избыточной воде, входящей в состав ТАМ. С целью обеспечения кристаллизации с малым переохлаждением жидкости необходимо применение веществ, являющихся первичными центрами кристаллизации. Для блокирования разделения фаз либо применяются загустители, либо интенсивное перемешивание в процессе теплообмена. К настоящему времени разработаны рекомендации, обеспечивающие работоспособность ТАМ на основе кристаллогидратов в течение нескольких тысяч циклов заряд - разряд. К числу недостатков кристаллогидратов следует отнести также их повышенную коррозионную активность.

Таблица 4.1Основные свойства ТАМ на основе кристаллогидридов.

Использование органических веществ практически полностью снимает вопросы коррозионного разрушения корпуса, обеспечивает высокие плотности запасаемой энергии, неплохие экономические показатели. Разработанные к настоящему времени способы поверхностной обработки органических веществ (крафт - полимеризация - модификация и т. п.) позволяют создавать конструкции без явно выраженной поверхности теплообмена. Однако в процессе работы органических веществ происходит снижение теплоты плавления вследствие разрушения длинных цепочек молекул полимеров. Применение органических материалов требует развитых поверхностей теплообмена вследствие низкого коэффициента теплопроводности ТАМ.

Таблица 4.2 Основные свойства плавящихся органических ТАМ.

При более высоких рабочих температурах применяются, как правило, соединения и сплавы легких металлов. Существенными недостатками соединений металлов принято считать низкий коэффициент теплопроводности, коррозионную активность, изменение объема при плавлении.

Глава 5. Конструкция ТА фазового перехода

Размещение ТАМ в капсулах рис. 4, а обеспечивает высокую надежность конструкции, позволяет создавать развитую поверхность теплообмена, компенсировать (при использовании гибких капсул) изменения объема в процессе фазовых переходов. Однако вследствие низкой теплопроводности ТАМ необходимо большое число капсул малого размера, что приводит к большой трудоемкости изготовления ТА, недостаточно рациональному использованию объема (для цилиндрических капсул), малой жесткости конструкции (для плоских капсул). Особенно целесообразно применение капсульных ТА в случаях малых тепловых потоков с теплообменной поверхности.

Рис.4 Основные типы тепловых аккумуляторов фазового перехода: а - капсульный; 6 -. кожухотрубный; в, г - со скребковым удалением ТАМ; д - с ультразвуковым удалением ТАМ; е, ж - с прямым контактом и прокачкой ТАМ; з, и - с испарительно-конвективным переносом тепла; 1 -жидкий ТАМ; 2 -твердый ТАМ; 3 - поверхность теплообмена; 4 - корпус ТА; а - теплоноситель; 6 - граница раздела фаз; 7 - частицы твердого ТАМ; 4- промежуточный теплообменник; 9 - паровое и жидкостное пространства для теплоносителя.

Расположение ТАМ в межтрубном пространстве кожухотрубного теплообменника (рис. 4,б) обеспечивает рациональное использование внутреннего объема ТА и применение традиционной технологии изготовления теплообменных аппаратов. Однако при такой конструкции затруднено обеспечение свободного расширения ТАМ, вследствие чего понижена надежность аккумулятора в целом. Обеспечение динамических характеристик аккумулятора затруднено известными прочностными ограничениями шага трубок в трубной доске.

Наиболее технологически сложным и дорогим элементом ТА традиционной конструкции является теплообменная поверхность, определяющая мощность теплового аккумулятора. Вследствие низких коэффициентов теплопроводности большинства плавящихся ТАМ в настоящее время предложены различные способы уменьшения поверхности теплообмена путем соскребания ТАМ, ультразвукового либо электрогидравлического разрушения затвердевшего ТАМ. Указанные способы позволяют существенно снизить величину теплообменной поверхности, но существенно увеличивают нагрузки на конструктивные элементы аккумулятора. Известно, что лучшим вариантом теплообменной поверхности является ее полное отсутствие, т. е. непосредственный контакт теплоаккумулирующего материала и теплоносителя. Очевидно, что в этом случае необходимо подбирать как теплоаккумулирующие материалы, так и теплоносители по признакам, обеспечивающим работоспособность конструкций.

Теплоаккумулирующие материалы в этом случае должны отвечать следующим требованиям: кристаллизоваться отдельными кристаллами; иметь большую разность плотностей твердой и жидкой фаз; быть химически стабильными; не образовывать эмульсий с теплоносителем.

Теплоносители подбираются по следующим признакам:

химическая стабильность в смеси с ТАМ,

большая разница плотностей по отношению к ТАМ,

малая способность к вспениванию,

ряд других требований, вытекающих из особенностей конструкции.

При использовании теплоносителя, более плотного чем твердый ТАМ, реализуется схема, изображенная на рис. 4 е. В процессе работы аккумулятор заполнен смесью теплоаккумулирующего материала и теплоносителя. В верхнюю часть ТА подается жидкий теплоноситель, который попадает на поверхность ТАМ, охлаждает (нагревает) его и отводится из нижней части аккумулятора. За счет меньшей плотности жидкой фазы ТАМ по сравнению с твердой его закристаллизовавшиеся частицы опускаются в нижнюю часть аккумулятора. В процессе работы ТА происходит постепенное заполнение всего объема закристаллизовавшимися ТАМ. При использовании теплоносителя с плотностью, меньшей плотности ТАМ, реализуется схема, изображенная на рис. 4 ж. Распыл теплоносителя происходит в нижней части аккумулятора. В процессе всплытия капель теплоносителя ТАМ нагревается либо охлаждается и одновременно интенсивно перемешивается. Основными недостатками приведенных способов контакта ТАМ и теплоносителя считаются потребности в постороннем источнике энергии для прокачки и необходимость тщательной фильтрации теплоносителя с целью препятствия уносу частиц ТАМ.

Указанные недостатки отсутствуют в конструкции, использующей принцип испарительно-конвективного переноса тепла при непосредственном контакте ТАМ и теплоносителя (рис.4, з ). В этом случае помимо названных свойств теплоносителя требуется, чтобы температура кипения при атмосферном давлении была несколько ниже температуры плавления ТАМ. Для заряда аккумулятора давление и соответственно температура кипения теплоносителя в нем устанавливаются выше температуры плавления ТАМ. В зарядном теплообменнике осуществляется подвод тепла. Теплоноситель закипает и пузырьки пара при температуре выше температуры плавления ТАМ поднимаются вверх и подогревают ТАМ. При этом происходит плавление ТАМ и конденсация теплоносителя. Расплавленный ТАМ поднимается вверх, а конденсат теплоносителя опускается вниз, По мере плавления ТАМ пузырьки теплоносителя выходят в паровое пространство ТА и в конце процесса зарядки весь теплоноситель в паровой фазе находится в паровом пространстве. На этапе отвода тепла от ТА давление в нем снижается так, что температура конденсации теплоносителя становится ниже температуры плавления ТАМ. При отводе тепла на поверхности разрядного теплообменника происходит конденсация теплоносителя, который стекает на расплавленный ТАМ. Происходит испарение капель теплоносителя и кристаллизация частиц ТАМ. Затвердевший ТАМ опускается в нижнюю часть ТА, а пар теплоносителя поднимается вверх.

По мере охлаждения ТАМ капли теплоносителя опускаются все ниже и ниже и в конце процесса разрядки весь теплоноситель оказывается в нижней части ТА.

Список использованной литературы

1. Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций) © Кафедра теплоэнергетических систем, 2006

2. Гулиа Н. В. Накопители энергии. – М.,1980г.

3. Левенберг В.Д. и др. Аккумулирование тепла. 1991г.

4. Пугач Л.И. нетрадиционная энергетика, возобновляемые источники.

5. http://www.rodniki.bel.ru/dom/elgen0.htm

6. http://www.seu.ru/programs/ecodom/book/index.htm

Алтайский государственный технический университет

им. И. И. Ползунова

Заочный факультет

по дисциплине Нетрадиционные источники энергии.

тема: Аккумулирование тепла

Проверил: В.В. Чертищев

Барнаул 2007

Введение

Глава 1. Физические основы для создания теплового аккумулятора

Глава 2. Жидкостные тепловые аккумуляторы

Глава 3. Тепловые аккумуляторы с твёрдым теплоаккумулирующим материалом.

Глава 4. Аккумуляторы тепла, основанные на фазовых переходах.

Глава 5. Конструкция ТА фазового перехода.

Введение

Глава 1.Физические основы для создания теплового аккумулятора

Тепловые аккумуляторы реализуют, как правило, несколько элементарных процессов.

Глава 2. Жидкостные тепловые аккумуляторы

холодного ТАМ, особенно в случаях использования солевых ТАМ и жидких металлов.

Устройства для преобразования возобновляемой энергии по сравнению с установками на обычном и ядерном топлив различаются по требованиям к аккумулированию и передаче на расстояние. Такие особенности возобновляемых источников, как низкая интенсивность и рассеянность, делают для них предпочтительным децентрализованное потребление. Более того, энергию от этих источников часто не нужно будет передавать на большие расстояния, так как источники уже распределены в пространстве.

Так как полезность устройств для преобразования возобновляемой энергии основана на переработке независимых от нас естественных потоков, существует проблема приведения в соответствие выработки энергии и потребности в ней в рамкам временного спроса, т.е. в выравнивании скорости потребления энергии. Последняя изменяется во времени в масштаба месяцев (например, для обогрева жилищ в зонах умеренного климата), дней (например, для искусственного освещения) и даже секунд (в моменты включения крупных нагрузок). в противоположность энергетике на традиционном топливе получаемая из окружающей среды мощность возобновляемых источников нам не подконтрольна.

У нас есть выбор: либо подгонять нагрузку к интенсивности. доступной для преобразования возобновляемой энергии, либо накапливать энергию для последующего использования. У нас на выбор самые различные способы аккумулирования:

¾ химические;

¾ тепловые;

¾ электрические, в форме потенциальной или кинетической энергии.

Аккумулирование энергии - не новая концепция в энергетике. Ископаемые топлива в этом смысле являются эффективным аккумулятором с высокой плотностью энергии. Однако по мере того, как источники топлива становятся все менее доступными и все более дорогими, появляется необходимость в развитии других методов аккумулирования, и в качестве одного из них - производства возобновляемого топлива.

5.2. Химическое аккумулирование.

Энергия может удерживаться в связях многих химических элементов и выделятся в процессе экзотермических реакций, из которых наиболее известно горение. Иногда необходимо применить для запуска такой реакции предварительной нагревание или катализаторы (например, энзимы). Биологические компоненты представляют особый случай. Здесь речь идет лишь о неорганических соединениях, являющихся наиболее распространенными аккумуляторами, энергия которых выделяется при сгорании в воздухе.

Водород. Может быть получен путем электролиза воды с помощью любого источника тока. В виде газа он может быть накоплен, передан на расстояние и сожжен для получения тепловой энергии. Единственным продуктом сгорания водорода является вода: не образуется никаких загрязняющих веществ. Энтальпия образования водорода Н=-242 кДж/моль, т.е. при образовании 1 моля Н2 О (18 г) выделяется 242 Дж тепловой энергии. Хранить водород в больших количествах непросто. Наиболее обещающий способ - использование подземных каверн, подобных тем, из которых добывается природный газ. Но хранение газа - даже под высоким давлением - требует значительных объемов. Необходимо заметить, что водород можно передавать через разветвленную сеть трубопроводов, используемых сейчас для подачи природного газа во многих странах мира. Кроме того, существует возможность с большой эффективностью использовать его для

Рис. 5.1 Грунтовый аккумулятор тепла

непосредственного получения электроэнергии с помощью топливных элементов.

Аммиак. В отличие от воды аммиак может быть разложен на составляющие элементы при доступных температурах:

N2 + 3H2 2NH3

В сочетании с принципом теплового двигателя эта реакция может стать основой наиболее эффективного способа непрерывного получения электроэнергии за счет использования солнечного тепла.

5.3. Аккумулирование тепловой энергии.

Использование низкотемпературного тепла составляет существенную часть мирового потребления энергии. Существенно не обязательно использовать для обогрева высокотемпературные источники энергии, которые гораздо лучше сберечь для других целей. Для обогрева жилищ больше подходят пассивные приемник солнечного тепла в сочетании с тепловыми аккумуляторами, поддерживающими комфортные условия по ночам и в пасмурные дни. Более того, именно в тех случаях, когда, энергия используется при низких температурах, характерных для среды,

ее особенно ценно

накапливать в форме тепла. Тепловое аккумулирование плодотворно и при использовании "отходов"

тепла, возникающих в процессе работы различных установок. Запастись на три месяца теплом для обогрева жилого дома - вполне решаемая задача. Правда при этом важно не только сделать хороший проект, но и грамотно его реализовать.

В частности, необходимо качественно выполнить теплоизоляцию и предохранить дом от сырости, снабдить его управляемой системой вентиляции (возможно, с рециркуляцией тепла), использовать все "отходы" тепла от освещения, приготовления пищи, жизнедеятельности самих обитателей. Существуют примеры подобных высокотехнологичных домов, обладающих кроме всего прочего прекрасной архитектурой и создающих идеальные условия для жизни. Отметим, что в качестве аккумулирующей тепло среды предпочтительнее использовать вместо воды скальные породы.

На рис.5.1. показан пример использования аккумулятора тепла в виде грунтового теплообменника.

В течение короткого периода продолжительностью до четырех дней сами здания можно использовать в качестве аккумуляторов тепла. При проектирование зданий для стран с жарким климатом важное применение по аналогии с созданием запасов тепла может найти аккумулирование холода.

Известно, что использование аккумулирования тепла в широком масштабе высокоширотными морскими странами позволило бы решить проблемы снабжения теплом за счет развития ветро- и волноэнергетики. Оба эти источника наиболее производительны зимой, а их мощность, хотя и изменяется периодически час от часу, редко существенно падает более чем на несколько дней. Значительно большей теплоемкостью в ограниченном интервале температур по сравнению с системами использующие поглощение тепла, обладают материалы, при изменении температуры изменяющие фазовое состояние. Например, глауберову соль (Na2 SO4 10H2 O) можно использовать для аккумулирования тепла уже при комнатной температуре. При 32о С она разлагается на насыщенный раствор N2 SO4 с выпадением части Na2 SO4 в

осадок. Эта реакция обратима и дает 250 кДж/кг ≈ 650 МДж/м3 тепловой энергии. Так как большая часть стоимости аккумуляторов для обогрева зданий связана со стоимостью конструкций, такие аккумуляторы могут оказаться дешевле, чем водяные емкости с более низкой удельной плотностью запасания

Статус рассмотрения проекта Координационным Советом: Не рассматривался . Объекты внедрения: Промышленность , Некапитальные, легковозводимые временные сооружения, в т.ч. торговые , Учреждения социальной сферы (школы, больницы, детские сады и т.д.) , Административные и общественно-бытовые здания и сооружения . Эффект от внедрения:
- для объекта: повышение тепловой устойчивости зданий, снижение платы за потребленную энергию в соответствии с двухзоновым тарифным коэффициентом;
- для муниципального образования: снижение потерь электроэнергии в энергосистеме, упрощение управления мощностями в энергосистеме, повышение тепловой устойчивости зданий.

Аккумулирование тепла позволяет: повысить теплоустойчивость зданий, повысить КПД автономных источников электроэнергии, обеспечить простую схему возврата тепловой энергии стоков, снизить стоимость электрообогрева как производственных площадей, так и отдельных квартир, в которых устанавливаются ТЕПЛОНАКОПИТЕЛИ.

Тепловой аккумулятор в сравнении с другими аккумуляторами обладает следующими преимуществами: простота устройства, относительно низкая себестоимость, эффективные массогабаритные характеристики, долговечность.

Теплоаккумуляторы применяются для:

повышения тепловой устойчивости зданий;
повышения КПД автономных источников электроэнергии;
возврата тепловой энергии стоков;
обогрева помещений.

ПОВЫШЕНИЕ ТЕПЛОВОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ЗДАНИЙ

В условиях аварий на теплоцентралях и тепловых сетях или плановых отключений важным фактором является тепловая устойчивость зданий, к которым прекращена подача тепла. Тепловой устойчивостью здания (помещения) принято понимать способность здания сохранять накопленное тепло в течение определенного времени (которого может стать недостаточно для ликвидации аварий) при изменяющихся тепловых воздействиях. Оборудование зданий теплоаккумулятором позволяет повысить его тепловую устойчивость, т.е. дать дополнительное время для устранения аварии. Теплоаккумуляторы можно устанавливать в уже существующих зданиях, но разработка теплоаккумуляторов на стадии проектирования нового строительства позволит более успешно решить задачу тепловой устойчивости зданий.

Размещение теплоаккумулятора в существующих подвалах затруднительно вследствие дефицита пространства. В арсенале технологий имеются разработки с достаточно эффективными массогабаритными параметрами.

Тепло, накопленное и сохраняемое в теплоаккумуляторе, в случае преднамеренного или аварийного отключения подачи тепла в здание, будет поддерживать приемлемую температуру в здании в течение более продолжительного времени, что облегчит проведение мероприятий по устранению аварии или решению иных задач.

ПОВЫШЕНИЕ КПД АВТОНОМНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Известно, что КПД бензо-, дизельагрегатов и газо-поршневых (в т.ч. на природном газе) электростанций сравнительно невелик (25-30%). Особенно он мал при недогрузке мощности электростанции.

При наличии теплоаккумулятора вся тепловая энергия электростанции используется для его зарядки. Избыток электроэнергии также направляется в теплоаккумулятор. Т.о. КПД автономного источника становится соизмеримым с КПД котла (порядка 85%), а стоимость электроэнергии, получаемой на такой электростанции, будет в несколько раз ниже сетевой.

Такое решение пригодно как для организаций, устраняющих аварии, так и для любого автономного потребителя (отдельно стоящий коттедж, дом, подъезд в доме, гараж и т.д.)

ВОЗВРАТ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ СТОКОВ

Установка теплоаккумуляторов позволяет решить и некоторые задачи энергосбережения. Так, установка тепловых насосов в системе канализационных стоков и закачка утилизированной энергии в теплоаккумулятор, позволит частично вернуть потери тепла, связанные со сбросом теплой воды в канализацию.

ОБОГРЕВ ПОМЕЩЕНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕПЛОНАКОПИТЕЛЕЙ

Существующее положение о тарифном регулировании предусматривает значительно более низкий тариф на электроэнергию, потребляемую в ночное время по сравнению с дневным, что связано с необходимостью выравнивания графиков потребления электроэнергии и что важно для нормальной работы единой энергетической системы. Это позволяет пропорционально снизить затраты на обогрев помещения, но требует установки теплоаккумулирующих нагревательных приборов.

Затраты на установку теплонакопителей окупаются в среднем за 2-3 года за счет более дешевой стоимости 1 кВт. ч.

Хозяйствующие субъекты, использующие теплонакопители в широких масштабах, т.е. являющиеся потребителями большого количества электроэнергии, могут самостоятельно приобретать энергию на ФОРЭМе, где она обходится значительно дешевле.

Компании, внедряющие данную технологию / оказывающие данную услугу:

Понравилась статья? Поделитесь ей

Распечатать статью