Тепловые аккумуляторы с твёрдым теплоаккумулирующим материалом

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.

 

Тепловые  аккумуляторы с твёрдым  теплоаккумулирующим  материалом.

    Традиционно рассматриваются тепловые аккумуляторы с неподвижной или подвижной  матрицами [1]. 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.

    Канальные тепловые аккумуляторы широко применяются  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. Пропуская холодный воздух через матрицу можно производить обогрев помещений. Аккумуляторы данного типа производятся за рубежом серийно для индивидуальных и малосемейных домов.

    Особым  типом канальных тепловых аккумуляторов  с твердым ТАМ являются тепловые графитовые аккумуляторы, используемые в качестве источника энергии в автономных энергоустановках. Температура их нагрева может достигать 3 500 К, что обеспечивает приемлемые массогабаритные характеристики установки.

    Подземные аккумуляторы тепла с горизонтальными  каналами применяются для аккумуляции  тепла и его использования  в течение 2-4 месяцев.

    Аккумуляторы  тепла в водоносных горизонтах используются для аккумуляции количества тепла, достаточного для теплоснабжения небольшого поселка в течение года. 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  тепловых аккумуляторов обеспечивает наилучшие экономические характеристики среди подземных аккумуляторов  тепла. Очевидно, что недостатками таких  видов аккумуляторов являются сложность  проектирования для конкретного  вида водоносного горизонта, большие  энергетические затраты на прокачку теплоносителя. 
 
 

    Использование подвижной матрицы предполагает применение тепловых аккумуляторов, 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 они имеют небольшие  конструктивные размеры. Для тепловых аккумуляторов с подвижной матрицей характерна постоянная температура  газа на выходе.

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

    При использовании  теплоты плавления некоторых  веществ для аккумулирования теплоты обеспечивается высокая плотность запасаемой энергии, небольшие перепады температур и стабильная температура на выходе из теплового аккумулятора. Несмотря на это, большинство ТАМ в расплавленном состоянии являются коррозионно-активными веществами, в большинстве своем имеют низкий коэффициент теплопроводности, изменяют объем при плавлении и относительно дороги. В настоящее время известен достаточно широкий спектр веществ, обеспечивающих температуру аккумуляции от 0 до 1 400 °C. Необходимо отметить, что широкое применение тепловых аккумуляторов с плавящимся ТАМ сдерживается, прежде всего, соображениями экономичности создаваемых установок.

    При небольших  рабочих температурах (до 120 °C) рекомендуется  применение кристаллогидратов неорганических солей, что связано в первую очередь  с использованием в качестве ТАМ  природных веществ. Для реального  применения рассматриваются только вещества, не разлагающиеся при плавлении  либо растворяющиеся в избыточной воде, входящей в состав ТАМ.

    Использование органических веществ полностью  снимает вопросы коррозионного  разрушения корпуса, обеспечивает высокие  плотности запасаемой энергии, достаточно хорошие технико-экономические показатели.  
 
 

    Однако  в процессе работы теплового аккумулятора с органическими ТАМ происходит снижение теплоты плавления вследствие разрушения протяженных цепочек молекул полимеров. Из-за низкого коэффициента теплопроводности органических ТАМ требуется создание и применение развитых поверхностей теплообмена, что, в свою очередь, накладывает конструктивные ограничения на использование теплового аккумулятора.

    При рабочих  температурах от 500 до 1 600 °C применяются, как правило, соединения и сплавы щелочных и щелочноземельных металлов [1, 4]. 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 смеси и сплавы органических и неорганических веществ, позволяющие  обеспечивать необходимые значения температур плавления и большие  сроки службы.

    Применение  разнообразных теплоаккумулирующих  материалов требует разработки надежных конструктивных решений, направленных на максимальное использование положительных  качеств ТАМ и исключение их недостатков (рис. 2).

 

    

    Рис. 1. Основные типы тепловых аккумуляторов  с твердым теплоаккумулирующим  материалом:

 а – с пористой матрицей; б, в – канальные; г, д – подземные 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.

 

Рис. 2. Основные типы тепловых аккумуляторов фазового перехода:

а – капсульный; б – 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 теплового аккумулятора;  5 – теплоноситель; 6 – граница раздела фаз;

7 – частицы твердого ТАМ;  8 – промежуточный теплообменник;

9 – паровое и  жидкостное пространства для  теплоносителя.

 

Литература. 

1. Левенберг В. Д., Ткач М. Р., Гольстрем В. А. Аккумулирование тепла.

Киев: Техника, 1991. С. 49-74.

     2. Такахаси Есио. Разработка специальных материалов - ключ к решению проблемы аккумулирования скрытой тепловой энергии // Нахонно кагаку то гидзюцу. 1982. С. 61-67.

     3. Naumann R., Emons H. H. Salzhydrate als latentwarmespeichermaterialen // Sitzungsberichte der AdW der DDR. 1986. № 3. P. 31-44.

     4. Мозговой А. Г., Шпильрайн Э. Э., Дибиров М. А., Бочков М. М., Левина Л. Н., Кенисарин М. М. Теплофизические свойства теплоаккумулирующих материалов. Кристаллогидраты. М.: ИВТАН АН СССР, 1990. № 2 (82).

 

Министерство  сельского хозяйства РФ

Департамент научно-технологической политики и  образования

ФГБОУ ВПО «КРАСНОЯРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт  энергетики и управления энергетическими  ресурсами АПК 
 
 

РЕФЕРАТ 

по  истории развития энергетики

«Тепловые аккумуляторы с твёрдым теплоаккумулирующим материалом» 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил:

Студент заочного отделения группы ЭТ-19-2

Шабалин В.А. 

Проверил:

К.Т.Н., доцент

Шахматов  С.Н. 
 

Красноярск, 2012