Аккумуляторы тепла фазовый переход

Аккумуляторы фазового перехода вещества

Использование теплоты плавления некоторых веществ для аккумулирования теплоты обеспечивает высокую плотность запасаемой энергии, небольшие перепады температур и стабильную температуру на выходе из теплового аккумулятора. Однако 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 1400 °C. Следует 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 (Табл.8), 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.

Таблица 8. Основные свойства ТАМ на основе кристаллогидратов

ТАМ	, К	, кДж/кг	Удельная теплоемкость,	Плотность,	Коэффициент
теплопроводности,	вязкости,
Полиэтилен- гликол­ь	293-298	2,26	−	0,16	11,5
Октадекан	2,18	−	0,15	3,9
Парафин 46-48	2,08	−	0,34
Нафталин	−	−	−	−	0,8
Ацетамин	−	−	−	−	−

Использование органических веществ (Табл.9) практически 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 длинных цепочек молекул полимеров, а из-за низкого коэффициента теплопроводности требуется создание и применение развитых поверхностей теплообмена, что, в свою очередь, накладывает конструктивные ограничения на использование ТА.

Таблица 9. Основные свойства плавящихся органических ТАМ

Перспективно использовать смеси и сплавы органических и неорганических веществ, позволяющие обеспечивать необходимые значения температур плавления и большие сроки службы. Известно, что лучшим вариантом теплообменной поверхности является ее полное отсутствие, т. е. непосредственный контакт теплоаккумулирующего материала и теплоносителя. Следовательно, необходимо подбирать как ТАМ, 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;

— и ряд других требований, вытекающих из особенностей конструкции [54,55].

Основные конструктивные исполнения тепловых аккумуляторов фазового перехода представлены на Рис. 27.

Рис.27. 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.

Дата добавления: 2017-12-07 ; просмотров: 2608 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Аккумулирование тепла с использованием фазового перехода

Под аккумулированием на основе теплоты фазового перехода в большинстве случаев понимают аккумулирование теплоты плавления. Часто как дополнение к теплоте фазового перехода используется теплота нагрева (внутренняя энергия) жидкости или твердой фазы. Это увеличивает емкость аккумулятора, но лишает возможности использования преимуществ теплоснабжения при постоянной температуре.

Технические решения. Системы аккумулирования тепловой энергии, основанные на использовании теплоты фазового перехода, активно исследуются, но многие из них в настоящее время находятся еще на стадии разработки и внедрения. Их главными преимуществами являются высокая тепловая емкость, постоянная рабочая температура и низкое давление; недостатками — невысокая стабильность большинства ТАМов с фазовым переходом и усложнение конструкции теплового аккумулятора, необходимость решения проблемы теплообмена с аккумулирующей средой.

В последнее время в тепловом аккумулировании в интервале температур до 100 °С для теплоаккумулирующих материалов с фазовым переходом не было предложено никаких новых веществ, кроме кристаллогидратов. Однако в состав кристаллогидратов входит вода и поэтому они недостаточно стабильны; максимальным для кристаллогидратов являются 50 рабочих циклов заряд—разряд. При дальнейшей эксплуатации изменяются их физико-химические и теплофизические характеристики, что приводит к выходу из строя теплового аккумулятора, в котором они применяются .

Аккумуляторы на основе теплоты фазового перехода относятся к системам с постоянным давлением и массой; изменения объема ТАМов с фазовым переходом, которые происходят в процессе проведения циклов плавление—затвердение, как правило, достаточно незначительны.

Эффективная аккумулирующая среда на основе фазового перехода должна иметь следующие свойства:

• высокую энтальпию фазового перехода и плотность;
• удобную для эксплуатационных условий температуру плавления;
• высокую теплоемкость в твердой и жидкой фазах;
• высокую теплопроводность в твердой и жидкой фазах;
• отсутствие тенденции к расслоению теплоаккумулирующего материала и температурную стабильность;
• отсутствие возможности переохлаждения при затвердении и перегрева при плавлении;
• низкое термическое расширение и незначительное изменение объема при плавлении;
• слабую химическую активность, что позволяет использовать недорогие конструкционные материалы для изготовления тепловых аккумуляторов и вспомогательного оборудования;
• безопасность (отсутствием отравляющих паров, а также опасных реакций с рабочей или теплообменной средой);
• большие ресурсы работы. Теплоаккумулирующие материалы, способные накапливать тепло за счет фазовых переходов и их основные теплофизические и энергетические характеристики. Основные теплофизические и энергетические характеристики ТАМов-кристаллогидратов приведены в соответствующей таблице.

Употребляемое в таблицах понятие «удельная энергия» — это удельный показатель энергоемкости на единицу массы или объема, который учитывает теплоту фазового перехода и теплоту, накопленную за счет теплоемкости в процессе нагрева до температуры плавления. В качестве теплоаккумулирующих материалов с фазовым переходом используются как моносоставные, так и полисоставные (в том числе бинарные) материалы.

Применение бинарных систем обеспечивает некоторые преимущества:

• точку плавления можно выбирать изменением количественного соотношения солей в смеси;
• высокая плотность энергии может быть достигнута даже при низких температурах плавления;
• дорогостоящие вещества с высокими теплоаккумулирующими свойствами могут быть использованы в смеси с дешевыми, при этом тепловая емкость остается почти неизменной. Бинарные системы при их использовании в аккумуляторах должны плавиться и затвердевать аналогично гомогенному чистому веществу. Этому условию отвечают два типа специальных составов смесей — эвтектическая и дистектическая. Эвтектический состав смеси ТАМов представлен нижней точкой на диаграммах плавления; дистектический состав представляет собой смесь, которая ведет себя почти как чистое вещество.

Результаты анализа известных теплоаккумулирующих материалов показывают, что наиболее эффективными для применения в ТА с невысокой рабочей температурой являются: парафин — вследствие высокой энтальпии и неагрессивности, вода — из-за низкой стоимости и высокой теплоемкости, тяжелый бетон — благодаря конструкционным свойствам и хорошей теплопроводности. Низкотемпературное аккумулирование. Аккумулирование с использованием энергии фазового перехода (замораживание воды при О °С) является очень эффективным методом низкотемпературного аккумулирования. Во многих государствах разработаны и применяются различные системы аккумулирования с замораживанием воды. Аккумулирование энергии посредством использования льда особенно выгодно в климатических зонах, где нагрузки на охлаждение в летнее время можно сравнить с нагрузками обогрева зимой, что предполагает годовое циклирование, т. е. эффективное двойное использование системы аккумулирования.

Источник

Тепловой аккумулятор

Материал из ТеплоВики — энциклопедия отоплении

Тепловой аккумулятор — устройство для аккумулирования тепловой энергии основанное на использовании физического или химического процесса, связанного с поглощением и выделением теплоты. К основным из них относятся накопление-выделение внутренней энергии при нагреве-охлаждении твердых или жидких тел, фазовые переходы с поглощением-выделением скрытой теплоты, процесс сорбции-десорбции или обратимая химическая реакция, протекающая с выделением-поглощением тепла.

Аккумуляцией (аккумулированием) тепловой энергии или аккумуляцией теплоты называется процесс накопления тепловой энергии в период ее наибольшего поступления для последующего использования, когда в этом возникнет необходимость. Процесс накопления энергии называется зарядкой, процесс ее использования – разрядкой.

Содержание

Классификация тепловых аккумуляторов

По типу процесса в аккумуляторах теплоты различают:

• тепловое аккумулирование энергии твердыми и жидкими телами за счет изменения температуры вещества — теплоёмкостная аккумуляция;
• тепловое аккумулирование энергии посредством использования теплоты фазового перехода;
• термохимическое аккумулирование тепловой энергии.

По временному фактору использования аккумуляторов теплоты различают:

• тепловые аккумуляторы краткосрочного (суточные) действия — цикла работы (зарядка/разрядка) не превышает продолжительности суток;
• тепловые аккумуляторы долгосрочного действия — продолжительность процесса зарядки и разрядки превышает продолжительность суток (может достигать недельного, месячного и годового периода).

Конструктивное различие между первыми и вторыми сказывается в первую очередь на их размерах, что связано с необходимостью аккумулирования разного количества теплоты. Кроме того, тепловые аккумуляторы долгосрочного действия необходимо хорошо теплоизолировать из-за необходимости длительного хранения запасенной теплоты.

По интервалу рабочих температур тепловые аккумуляторы можно разделить на 4 группы:

• для производства холода — Т 500 °С

Наиболее широкое применение нашли низкотемпературные тепловые аккумуляторы, использование которых связано с системами жизнеобеспечения человека, экологически чистыми способами производства энергии и оптимизацией потребления энергии.

Использование тепловых аккумуляторов для производства холода связано с необходимостью хранения пищевых продуктов и медицинских тканей, в том числе в условиях транспортировки.

Средне- и высокотемпературные тепловые аккумуляторы пока не нашли широкого применения в промышленности. Применение среднетемпературных тепловые аккумуляторы связано в основном с энергетическими установками (например, солнечные электростанции) и системами утилизации тепла.

Высокотемпературными тепловые аккумуляторы могут найти применение в металлургии и энергетике.

Теплоёмкостная аккумуляция

Теплоёмкостная аккумуляция основана на способности веществ запасать энергию при нагревании. Вещества, используемые для накопления тепловой энергии, называются теплоаккумулирующими материалами. При этом количество аккумулированной энергии зависит от температуры, на которую нагревается теплоаккумулирующий материал, и его удельной теплоемкости. Этот способ является наиболее простым и давно применяется, например, при отоплении печами, которые выполняются достаточно массивными и накапливают во время нагрева тепло, которое затем постепенно расходуется на обогрев помещения. С точки зрения величины удельной теплоемкости, т.е. способности аккумулировать теплоту в расчете на 1 кг массы, одним из самых хороших является вода.

Тепловые аккумуляторы с использованием теплоты фазового перехода

В данном типе тепловых аккумуляторов аккумулирование тепловой энергии основанное на использовании обратимого процесса фазового перехода плавление-затвердевание. В этом случае в качестве теплоаккумулирующего материала используется фазоменяющий материал. Реализация этого способа оказывается более сложной, из-за необходимости усложнения конструкции. Однако в таких тепловых аккумуляторах на единицу объема запасается гораздо большее количество теплоты. При этом процесс зарядки и разрядки может быть осуществлен в узком температурном диапазоне, что оказывается очень важным при необходимости работы тепловых аккумуляторов в условиях небольших температурных напоров.

Некоторые применения тепловых аккумуляторов с использованием теплоты фазового перехода

В строительстве

Стеновые панели с использованием фазоменяющих материалов. Как правило, это смесь бетона с парафином или с включенными в него небольшими капсулами, содержащими фазоменяющий материал. Панели с фазоменяющими материалами используются в качестве ограждающих конструкций здания и поглощают излишнее тепло в дневное время, отдавая его в ночное, когда отсутствует поступление солнечной радиации. Резкие перепады между дневными и ночными температурами особенно характерны для климата пустынь и полупустынь. Эффективность их использования так же связана с тем, что в них сочетаются свойства тепловой защиты, термостабилизатора и собственно аккумуляции тепла. При этом конструкция системы аккумулирования оказывается предельно простой.

В сельском хозяйстве

В сельском хозяйстве тепловые аккумуляторы используются для обогрева теплиц в ночное время с использованием тепла накопленного в светлое время суток. Вентилятор осуществляет циркуляцию воздуха в теплице через тепловой аккумулятор. Избытки тепла в дневное время служат для зарядки теплового аккумулятора, а в ночное время тепловой аккумулятор разряжается и подогревает воздух в теплице.

В системах вентиляции

Применение тепловых аккумуляторов в системах вентиляции для сглаживания перепадов температур в дневное и ночное время. В дневное время происходит зарядка аккумулятора и охлаждение поступающего воздуха, а ночью его нагрев и, соответственно, разрядка теплового аккумулятора. Резкие перепады между дневными и ночными температурами особенно характерны для климата пустынь и полупустынь.

В системах электроотопления и электрического нагрева воды для горячего водоснабжения

Применение тепловых аккумуляторов для зарядки путем электронагрева в ночное время и использование теплоты в дневное позволяет значительно сократить расходы на электрическую энергию за счёт потребления электроэнергии в ночное время по более низкому тарифу.

В автомобильной промышлености

Применение тепловых аккумуляторов для облегчения пуска двигателя и обогрева салона автомобиля в холодное время. Теплота, запасается во время работы двигателя и может храниться в течение нескольких дней. Для этого тепловой аккумулятор помещается в сосуд Дьюара (термос), обеспечивающий наилучшую теплоизоляцию.

Впервые тепловой аккумулятор предложил канадский конструктор Оскар Шатц. Первые автотермосы появились в Канаде под брендом Centaur, эта компания функционирует и поныне. Среди отечественных разработчиков термосов лидерами можно назвать «Автоплюс МАДИ» и «АвтоТерм».

Термохимическое аккумулирование тепловой энергии

Способ термохимического аккумулирования тепловой энергии основан на использовании обратимых химических реакций. Он позволяет запасать тепловой энергии на единицу массы больше, чем в первых двух случаях, но сложен в реализации.

Источник