V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

По прогнозу специалистов в новом веке истощатся источники органического топлива. Поэтому важными проблемами, решаемыми в настоящее время, являются поиск альтернативных источников тепловой энергии, а также экономное генерирование теплоты известными устройствами [1].

Одним из возможных мероприятий, которое позволяет в различных областях народного хозяйства более эффективно использовать тепловую энергию является аккумулирование тепла посредством применения тепловых аккумуляторов (ТА) различных конструкций [2].

Масса или объем теплоаккумулирующего материала (ТАМ) определяются соответствующей плотностью запасаемой энергии и КПД процесса аккумулирования теплоты. В реальном процессе аккумулирования теплоты плотность запасаемой энергии гораздо ниже теоретического значения вследствие тепловых потерь при заряде и разряде аккумулятора. Поэтому очевидно, что, зная распределение температуры в объеме теплового аккумулятора, можно не только определить изменение температуры теплоносителя на выходе из ТА, но и оценить эффективность аккумулирования теплоты как отношение накопленной теплоты к теплоте, производимой теплогенерирующими установками.

В настоящее время известно большое многообразие видов и конструкций тепловых аккумуляторов, обусловленное широким спектром задач и областей применения аккумуляторов теплоты. Множество методов и способов аккумулирования приводят к различным техническим и конструктивным решениям [6].

Можно выделить следующие основные виды тепловых аккумуляторов:

• тепловые аккумуляторы с твердым ТАМ;

• тепловые аккумуляторы с плавящимся ТАМ;

• жидкостные аккумуляторы тепла;

• паровые аккумуляторы тепла;

• термохимические аккумуляторы;

• тепловые аккумуляторы с электронагревательным элементом.

Тепловые аккумуляторы с твердым ТАМ, в настоящее время наиболее распространены за рубежом. Тепловые аккумуляторы такого типа широко применяются в системах гелиотеплоснабжения, аккумуляции сезонной теплоты и т.п. Это связано в первую очередь с применением недорогих и доступных материалов, простых и проверенных технических решений.

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 конструктивных решений таких аккумуляторов теплоты (см. рис.).

Аккумуляторы с пористой матрицей обычно используются в системах гелиотеплоснабжения. В качестве ТАМ применяются наиболее дешевые материалы - щебень, феолит (железная руда), остатки строительных материалов. Такие ТА проектируются, как правило, с минимальным гидравлическим сопротивлением, что позволяет использовать принцип свободно-конвективного переноса.

При заряде аккумулятора горячий газ подается в верхнюю часть ТА, и, охлаждаясь, опускается в его нижнюю часть. При разряде аккумулятора холодный газ подается в нижнюю часть ТА, нагревается и выходит из верхней его части. Таким образом, можно спроектировать систему теплоснабжения, требующую только источник возобновляемой тепловой энергии (например, Солнце).

Канальный ТА широко применяется в системах электротеплоснабжения, использующих внепиковую энергию. Теплоаккумулирующий материал (шамот, огнеупорный кирпич и т.п.) нагревается в периоды минимального потребления электроэнергии, что позволяет выравнивать графики загрузки электростанций. Пропуская холодный воздух через матрицу можно производить обогрев помещений. Аккумуляторы данного типа производятся за рубежом серийно для индивидуальных и малосемейных домов.

Рисунок -Основные типы ТА с твёрдым 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 – разделение потоков; 8 – индуктор; 9 – водоносный слой; 10 – водонепроницаемый слой

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.

В работе анализируется вариант аккумуляции сезонной теплоты в подземных аккумуляторах теплоты с вертикальными каналами. Длина одного канала таких аккумуляторов может достигать ста метров, а общая энергоемкость тысяч киловатт-часов.

Подземные аккумуляторы теплоты с горизонтальными каналами применяются для аккумуляции теплоты в течение 2 – 4 -х месяцев.

Аккумуляторы теплоты в водоносных горизонтах используются для аккумуляции количеств теплоты, достаточных для теплоснабжения небольшого поселка в течение года [4]. Здесь в качестве ТАМ используется водопроницаемый слой земли, в который в режиме заряда через скважину закачивается горячая вода, а в режиме разряда через другую скважину закачивается холодная вода. Вследствие отсутствия поверхностей теплообмена данный тип ТА обеспечивает наилучшие экономические характеристики среди подземных аккумуляторов теплоты. Очевидно, что недостатками таких видов аккумуляторов являются сложность проектирования для конкретного вида водоносного горизонта, большие энергетические затраты на прокачку теплоносителя.

Использование подвижной матрицы предполагает применять тепловые аккумуляторы, как правило, в виде вращающегося регенератора, устройств с падающими шарами и т.п. Такие аккумуляторы применяются в аппаратах регенерации тепловой энергии и вследствие малой продолжительности рабочего цикла имеют небольшие конструктивные размеры. ТА с подвижной матрицей способны обеспечивать постоянную температуру газа на выходе.

Основные показатели аккумуляторов теплоты с твердым ТАМ определяются в зависимости от их конструктивного решения и назначения. При этом принимаются допущения о равномерности распределения потоков теплоносителей по площади матрицы, независимости свойств ТАМ и теплоносителей от температуры и ряд других.

В 1947 г. М. Telekes предложено использовать в тепловых аккумуляторах теплоту плавления зернистых теплоносителей. При данном способе аккумулирования используется скрытая теплота плавления, поэтому увеличивается энергоемкость ТА. При работе повышается плотность запасаемой энергии при использовании небольших перепадов температур, а также обеспечивается стабильная температура вторичного теплоносителя на выходе из ТА. Следует отметить и недостатки таких ТА: большинство ТАМ в расплавленном состоянии являются коррозионно-активными веществами, в большинстве своем имеют низкий коэффициент теплопроводности, изменяют объем при плавлении и относительно дороги. Исследования таких перспективных ТА продолжаются. В настоящее время исследован широкий спектр веществ, обеспечивающих температуру аккумуляции от 0 до 1400 ˚С. Для реального применения исследованы такие ТАМ, которые не разлагаются при плавлении и хорошо растворяются в избыточной воде, входящей в состав ТАМ. Хорошо зарекомендовали себя в качестве плавящих ТАМ органические вещества, которые менее коррозионно-активные, не разрушают корпуса, обеспечивают высокую энергоемкость ТА, имеют хорошие технико-экономические показатели. К недостаткам органических ТАМ следует отнести то, что в процессе работы происходит снижение теплоты плавления, а при сравнительно низком коэффициенте теплопроводности органических ТАМ требуется создание и применение развитых поверхностей теплообмена.

При рабочих температурах от 500 ˚С до 1600 ˚С применяются, как правило, соединения и сплавы щелочных и щелочноземельных металлов. Существенным недостатком применения соединений металлов принято считать низкий коэффициент теплопроводности, коррозионную активность, изменение объема при плавлении. Для защиты от химической коррозии, очевидно, необходимо подобрать конструкционные материалы или ингибиторы коррозии, обеспечивающие заданный срок службы теплового аккумулятора.

Перспективно использовать в качестве ТАМ смеси и сплавы органических и неорганических веществ, позволяющие обеспечивать необходимые значения температур плавления и большие сроки службы [3].

Для реализации плавящихся ТАМ разработаны устройства, в которых исключены частично перечисленные недостатки. Основные типы тепловых аккумуляторов фазового перехода следующие: капсульный; кожухотрубный; со скребковым удалением ТАМ; с ультразвуковым удалением ТАМ; с прямым контактом и прокачкой ТАМ; с испарительно-конвективным переносом теплоты.

Размещение ТАМ в капсулахобеспечивает высокую надежность конструкции, позволяет создавать развитую поверхность теплообмена, компенсировать (при использовании гибких капсул) изменение 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). Из-за этого целесообразно применение капсульных ТА в случаях теплосъема малых тепловых потоков с теплообменной поверхности.

Размещение ТАМ в межтрубном пространстве кожухотрубного теплообменника обеспечивает рациональное использование внутреннего объема ТА и применение традиционных технологий изготовления теплообменных аппаратов. Однако при такой конструкции затруднено обеспечение свободного расширения ТАМ, вследствие чего понижена надежность аккумулятора в целом.

Самым технологически сложным и дорогим элементом ТА традиционной конструкции является теплообменная поверхность, определяющая мощность теплового аккумулятора. Известно, что лучшим вариантом теплообменной поверхности является ее полное отсутствие, т.е. непосредственный контакт теплоаккумулирующего материала и теплоносителя [5]. Очевидно, что в этом случае необходимо подбирать как теплоаккумулирующие материалы, так и теплоносители по признакам, обеспечивающим работоспособность конструкций.

К числу наиболее простых и надежных устройств аккумулирования теплоты следует отнести жидкостные ТА, что связано с совмещением функций теплоаккумулирующего материала и теплоносителя. Вследствие этого аккумуляторы такого типа особенно широко применяются для бытовых целей, в технологических схемах электростанций (АЭС, АТЭЦ, солнечные, геотермальные и др.). По данному виду ТА проведено множество исследований и опубликовано работ, поэтому в данной работе такие ТА не рассматриваются.

Паровые ТА конструктивно могут быть выполнены в виде:

• стального цельносварного корпуса;

• сосуда из предварительно напряженного железобетона или чугуна;

• подземного резервуара высокого давления.

Большие габариты, значительная трудоемкость и сложность в изготовлении, затрудненный контроль и осмотр (при подземном размещении) ТА такого типа препятствует их широкому распространению.

Использование термохимических ТА основывается на принципе возникновения химического потенциала в результате обратимой химической реакции в неравновесном состоянии. Важным преимуществом химических способов аккумулирования тепловой энергии по сравнению с обычными заключаются в том, что запасенная энергия может храниться достаточно длительное время без применения тепловой изоляции, облегчены проблемы транспорта энергии на значительные расстояния без теплопотерь в окружающую среду. Это делает перспективными химические методы аккумулирования тепловой энергии. Перспективно использовать в качестве теплоносителя CaO, который имеет преимущества перед оксидом магния из-за большей энергоемкости. Авторы отмечают, что аккумулирование тепловой энергии протекает в системах Ca(OH)₂ – CaO – Н₂О при умеренных температурах горячей среды. Однако разложение протекает с заметной скоростью при 550 ˚С, а гидратация CaO – водяным паром при 430 ˚С. Отмечается, что количество циклов в изучаемой системе ограничено. В то же время этот вопрос недостаточно изучен: отсутствуют количественные данные по периодичности циклов гидратации – дегидратации системы, не ясен количественный смысл терминов “при умеренных температурах” и с “заметной скоростью”. Термохимические тепловые аккумуляторы могут найти применение в автомобильной технике для разогрева охлаждающей жидкости или масла двигателя внутреннего сгорания в зимнее время, либо для создания микроклимата в салоне автомобиля, а также для аккумулирования уходящих газов теплогенерирующих установок в стройиндустрии.

Проведенный анализ работ, посвященных проблемам аккумулирования теплоты, позволяет сделать следующие выводы:

1. Существует множество различных типов, видов и конструкций тепловых аккумуляторов, применяемых в различных отраслях народного хозяйства. Вопрос аккумулирования теплоты уходящих газов теплогенерирующих установок недостаточно изучен и требует углубленного изучения.

2. Использование химического аккумулятора теплоты на основе реакции гашения извести водой особенно эффективно на строительных площадках и в качестве предпускового подогревателя для всех видов автотранспорта. Эффективность химического аккумулятора составляет .

3. Однокомпонентные тепловые аккумуляторы с зернистым теплоаккумулирующим материалом наиболее перспективны при их использовании для утилизации теплоты уходящих газов теплогенерирующих установок.

Библиографический список

1. Информация сайта http://www.greenawards.ru/

2. Информация сайта http://senat.red-group.ru/news/2011/09/13/181

3. Информация сайта http://greenproekt.com/

4. Информация сайта http://ru.wikipedia.org

5. Сотникова, О.А. «Зеленое строительство». Методология. Стандарты. Рекомендации / О.А. Сотникова, Ю.М. Борисов, В.Н. Мелькумов и др. – Воронеж: ВГАСУ, 2011. – 72 с.

6. Сотникова, К.Н. Экспертная система принятия решений для реконструкции зданий с учетом принципов «Зеленого строительства» / К.Н. Сотникова, Н.В. Колосова, А.П. Толмачев // Инженерные системы и сооружения. – 2012. - №1. – С. 98-105.

Код для цитирования: Скопировать