Тепловые аккумуляторы 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: 2614 ; 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

Тепловые аккумуляторы фазового перехода

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 26 Ноября 2012 в 15:01, реферат

Описание работы

Тепловые аккумуляторы фазового перехода (ТАФП) — устройства, которые способны в процессе работы двигателя аккумулировать часть теплоты, содержащейся в охлаждающей жидкости, моторном масле или отработавших газах, хранить ее в течение довольно большого периода времени, а затем отдавать при предпусковом разогреве элементов двигателя.

Файлы: 1 файл

Документ Microsoft Office Word.docx

Тепловая подготовка агрегатов автомобилей, в частности двигателей, особенно актуальна при их эксплуатации в условиях низких температур окружающего воздуха. Известно, что энергии, запасенной в бортовой аккумуляторной батарее, вполне достаточно для нескольких десятков пусков автомобильного двигателя. Но это при положительных температурах окружающего воздуха. При наступлении же холодов картина резко меняется: пуск становится затруднительным, а иногда и просто невозможным. Все дело в том, что на пуск двигателя в холодную погоду отрицательно влияет целая комбинация факторов — плохая испаряемость топлива, увеличение необходимого для прокручивания коленчатого вала момента из-за загустевания масла, рост внутреннего сопротивления аккумуляторной батареи, что уменьшает ток стартера и развиваемый им момент. Поэтому в настоящее время предлагаются различные способы, позволяющие снизить вредное влияние перечисленных факторов. Например, рекомендуется применение пусковых жидкостей, улучшающих воспламенение топливовоздушной смеси; зимних сортов масел; подогревателей масел, охлаждающей жидкости и аккумуляторных батарей и т. п. При этом предпусковой разогрев двигателя — наиболее кардинальное решение проблемы надежного пуска при низких температурах окружающего воздуха. Однако, предпусковые подогреватели требуют дополнительных затрат энергии. Учитывая сказанное, специалисты ищут новые решения. В частности, разрабатывают так называемые тепловые аккумуляторы фазового перехода (ТАФП), которые способны в процессе работы двигателя аккумулировать часть теплоты, содержащейся в охлаждающей жидкости, моторном масле или отработавших газах, хранить ее в течение довольно большого периода времени, а затем отдавать при предпусковом разогреве элементов двигателя.

2.ТАФП и грамотная организация системы подвода теплоты

Тепловые аккумуляторы фазового перехода (ТАФП) — устройства, которые способны в процессе работы двигателя аккумулировать часть теплоты, содержащейся в охлаждающей жидкости, моторном масле или отработавших газах, хранить ее в течение довольно большого периода времени, а затем отдавать при предпусковом разогреве элементов двигателя.

Накопление ТАФП тепловой энергии осуществляется при работе ДВС за счет теплообмена его охлаждающей жидкости с теплоаккумулирующим материалом (ТАМ), находящимся в трубчатых капсулах. При этом ТАМ нагревается в твердой фазе до температуры плавления, плавится, а затем нагревается в жидкой фазе до некоторой температуры, при которой наступает равновесие между ним и охлаждающей жидкостью.

Хранение тепловой энергии осуществляется за счет наличия в конструкции аккумулятора теплоизолированного вакуумированного корпуса.

Разогрев ДВС мобильной машины происходит за счет теплообмена охлаждающей жидкости (ОЖ) с расплавленным ТАМом, при котором последний претерпевает обратимый фазовый переход из жидкого состояния в твердое и выделяет скрытую теплоту кристаллизации. Выделяющаяся тепловая энергия переносится ОЖ и передается двигателю.

Путь, безусловно, интересный, но — не единственно возможный. Например, если проанализировать схемы движения теплоносителя в отечественных ДВС, то становится очевидным, что у каждого из них она своя. Отсюда напрашивается вывод: значит, и движение теплоносителя при подогреве с использованием индивидуальных пусковых подогревателей будет у каждого свое. Следовательно, и время подогрева. Другими словами, можно найти схему, которая с этой точки зрения самая выгодная. И совместить ее с наиболее эффективным на сегодня подогревателем — ТАФП.

Данные соображения в РВАИ проверили экспериментально на четырехцилиндровом рядном двигателе.

Технология исследований была следующей. ТАФП заряжали от охлаждающей жидкости («Тосол А-40») во время работы двигателя при движении автомобиля. Затем автомобиль оставляли на открытой стоянке и выдерживали до тех пор, пока температура его двигателя сравнивалась с наружной. Перед пуском двигателя включали ТАФП, выдерживали до момента, когда температура головки блока и гильз крайних цилиндров достигнет 40 °С и пускали двигатель. То есть технология экспериментального исследования была, по существу, стандартной. За одним исключением: использовались две схемы движения теплоносителя по рубашке охлаждения (рисунок 1 ), отличающиеся положением точек (кранов) отвода жидкости из двигателя в ТАФП. В первом случае (рис. 1, а) эта точка (К1) располагалась на головке блока в зоне четвертого цилиндра, а во втором (рис. 1, б) была нижней точкой (КЗ) рубашки охлаждения в зоне того же четвертого цилиндра.

Рисунок 1 –Исследованные схемы (а — № 1, б — № 2) предпускового подогрева двигателя от ТАФП:1 — ТАФП; 2, 4 и 6 — переходники; 3 — двигатель; 5 — термостат системы охлаждения; 7 — расходомер; 8 — насос; К1,К2иКЗ-краны

Другими переменными параметрами были выбраны — температура окружающего воздуха, объемный расход теплоносителя и время предпускового подогрева.

Результаты экспериментов для случая, когда пуск двигателя выполняли при температуре -30 °С и объемном расходе теплоносителя, равном 0,08 л/с, приведены на рисунке 2.

Как видим, схема № 1 обеспечивает более интенсивный нагрев верхней части двигателя, чем схема № 2, т. е. создает условия для хорошего испарения топлива и получения топливовоздушной смеси на входе в цилиндр при пуске. Однако тепловое состояние нижней части двигателя (а конкретно — гильз цилиндров), становится причиной: во-первых, конденсации топлива на более холодных стенках гильз, в результате чего смесь обедняется и понижается ее температура; во-вторых, недостаточного температурного воздействия на коленчатый и распределительный валы, что не способствует снижению момента сопротивления их проворачиванию и снижению износов вкладышей в пусковой период.

При движении теплоносителя по схеме № 2 перепады температур получаются в 2,5—3 раза меньше, чем по схеме № 1. Причем как по высоте, так и по длине двигателя, т. е. практически температуры элементов двигателя выравниваются. Что позволяет говорить о средних температурах подогрева элементов и использовать их при расчетах.

Температура головки блока цилиндров при схеме № 2 ниже, чем при схеме № 1. Но она не оказывает значительного влияния на температуру впускного коллектора. И позволяет уменьшить тепловые потери с поверхности головки блока.

Рисунок 2. — Зависимость температуры элементов конструкции двигателя в процессе его предпускового подогрева от времени работы ТАФП при схеме № 1 (а) и № 2 (б): 1 — головка блока цилиндров; 2 — средняя температура деталей; 3 — первый цилиндр; 4 — четвертый цилиндр

Рисунок 3 . — Зависимость скорости нагрева элементов конструкции двигателя от времени работы ТАФП при схеме № 1 (а) и № 2 (б):

1 — головка блока цилиндров; 2 — первый цилиндр; 3 — четвертый цилиндр

Динамику, т. е. скорость и нагрева элементов двигателя при температуре окружающего воздуха 243 К (—30 °С) в случае использования ТАФП иллюстрирует рисунок 3. Из него следует, что, независимо от схемы, скорость нагрева элементов конструкции двигателя в первые 2—3 мин работы ТАФП носит резко нарастающий характер: за это время ТАФП отдает до 70 % накопленной теплоты. Причем к пятой—шестой минуте скорость уменьшается до 1—2 К/мин и незначительно зависит от температуры окружающего воздуха и объемного расхода теплоносителя.

Перепад температур по элементам двигателя имеет ту же закономерность распределения тепловых потоков, что и на рисунке 2. Это свидетельствует о том, что импульсный подвод теплоты позволяет в течение непродолжительного времени получить температуру головки блока и гильз цилиндров, вполне обеспечивающую надежный пуск двигателя при температуре окружающего воздуха до 233 К (—40 °С). Время работы ТАФП меньше времени, в течение которого водитель проводит контрольный осмотр автомобиля. В результате этого до пуска двигателя теплота передается от принудительно нагретых элементов к соприкасающимся с ними. В том числе к поршням, подшипникам коленчатого и распределительного валов, что также благоприятно сказывается на надежности пуска двигателя.

Но, к сожалению, запас теплоты в современных ТАФП не очень велик. Поэтому его фактически можно использовать для одного предпускового подогрева двигателя, а затем «подзаряжать» при работающем двигателе.

1. ТАФП (патент № 2187049 РФ) состоит из вакуумированного корпуса 1 (рисунок 4), съемной крышки 2, имеющей входное 3 и выходное 4 отверстия, в которые запрессованы впускная 5 и выпускная 6 трубы. Внутри корпуса находится теплообменник, состоящий из коаксиально расположенных цилиндрических капсул 7 с зазорами 8 для прохода жидкости. Вся конструкция теплообменника смонтирована на съемной крышке 2, которая закреплена при помощи болтового соединения 10 к кольцу 9, приваренному к корпусу.

Рисунок 4 – Тепловой аккумулятор фазового перехода (патент № 2187049 РФ)

Данный аккумулятор включен в систему охлаждения ДВС мобильной машины. Накопление им тепловой энергии осуществляется следующим образом.

При работе ДВС поток ОЖ поступает в впускную трубу 5, затем проходит через кольцевые отверстия 8 и выходит из аккумулятора в выпускную трубу 6. При этом ТАМ, находящийся в цилиндрических капсулах 7, нагревается в твердой фазе до температуры плавления, плавится, а затем нагревается в жидкой фазе до некоторой температуры, при которой наступает тепловое равновесие между ним и ОЖ.

Хранение тепловой энергии осуществляется за счет наличия в конструкции теплового аккумулятора вакуумированного корпуса 1. Отдача аккумулятором тепловой энергии (разогрев двигателя) осуществляется путем прокачки теплоносителя через впускную трубу 5, кольцевые зазоры 8 и выпускную трубу 6. При этом происходит обратимый фазовый переход, в результате которого ТАМ находится в капсулах 7, кристаллизуется и отдает ранее запасенную энергию теплоносителю. Теплоноситель нагревается от температуры окружающей среды до температуры +35 — 50 o С и передает эту энергию деталям двигателя.

Достоинство данного устройства – компактность и простота в заполнении капсул.

2. ТАФП (патент № 2150603 РФ) состоит из наружного 1 (рисунок 5) и внутреннего 2 корпусов, между которыми установлен слой тепловой изоляции 3 (минеральная вата). Внутри корпуса 2 размещено теплоаккумулирующее ядро, представляющее собой замкнутую полость, которая заполнена ТАМом 4 и через которую проходят трубы газового 5 и жидкостного 6 теплообменников. На поверхности труб 5 и 6 закреплены ребра 7.

Для ликвидации между корпусами 1, 2 и трубами 5, 6 «тепловых мостов» установлены втулки 8 из материала с небольшим коэффициентом теплопроводности.

Рисунок 5 – Тепловой аккумулятор фазового перехода (патент № 2150603 РФ)

ТАФП работает следующим образом.

Зарядка аккумулятора тепловой энергией осуществляется пропусканием потока отработавших газов ДВС мобильной машины через трубу 5.

В процессе теплообмена отработавших газов с ТАМ 4 последний нагревается в твердой фазе до температуры полиморфного превращения, испытывает полиморфное превращение с поглощением теплоты фазового перехода, а затем продолжает нагреваться в твердой фазе до некоторой температуры, при которой наступает тепловое равновесие в системе тепловой аккумулятор — окружающая среда.

В период безгаражного хранения мобильной машины, когда ее ДВС заглушен, ТАМ 4 сохраняется при температуре, превышающей температуру полиморфного превращения за счет тепловой изоляции 3.

Для функционирования ТАФП с целью предпускового разогрева ДВС в трубу 6 подается жидкий теплоноситель (вода, тосол, антифриз), который нагревается за счет теплообмена с ТАМ 4. Последний отдает количество теплоты Q, рассчитываемое по формуле

где m_т — масса теплоаккумулирующего материала;
T_о, T_ф, T_к — температуры теплоаккумулирующего материала соответственно начальная, полиморфного превращения и конечная;
r_ф — удельная теплота полиморфного превращения;
C₁(T), C₂(T) — удельные массовые теплоемкости теплоаккумулирующего материала в интервалах температур соответственно [T_о; T_ф] и [T_ф; T_к].

За счет организации циркуляции жидкого теплоносителя по замкнутому контуру жидкостный теплообменник ТАФП — зарубашечное пространство ДВС происходит предпусковой разогрев последнего.

Так же автор данного аккумулятора предлагает используемый ТАМ (фторид бериллия BeF₂) заменить на тригидрат ацетата натрия NaC₂H₂O*3H₂O с температурой плавления Т_пл = 58 o C, который способен к переохлаждению в жидкой фазе, т.е. теплоаккумулирующий материал охлаждается в жидкой фазе ниже температуры Т_пл, но не ниже некоторого предельного значения температуры T * = T_пл— T, где T — интервал переохлаждения, в пределах которого теплоаккумулирующий материал 4 находится в жидкой фазе, что приводит к увеличению времени хранения тепловой энергии (патент № 2150020 РФ).

Недостатком указанного устройства является существенная разница в объемах ТАМ в жидком и твердом состояниях, поэтому приходится заполнять полость с ТАМом на 75. 80 %.

3. ТАФП для разогрева трансмиссионного масла ( патент № 65190 РФ) представляет собой теплообменный аппарат, состоящий из наружного 1 (рисунок 6) и внутреннего 2 корпусов, между которыми располагается слой тепловой изоляции 3. Во внутреннем корпусе 2 размещены трубопроводы-змеевики 5 с охлаждающей жидкостью и 6 с трансмиссионным маслом (последний соединен с резервуаром 4). На змеевиках предусмотрены входной и выходной патрубки, причем на входном патрубке трубопровода-змеевика 6 установлен насос 8 для подачи трансмиссионного масла из картера коробки передач (КП) и датчик температуры 10. Свободное пространство внутреннего корпуса 2 заполнено фазопереходным теплоаккумулирующим материалом 7.

Рисунок 6 – Тепловой аккумулятор фазового перехода (патент № 65190 РФ)

ТАФП работает в следующих двух режимах.

Зарядка. При работе ДВС охлаждающая жидкость циркулирует через трубопровод-змеевик 5, отдавая часть своей теплоты теплоаккумулирующему материалу 7. В качестве такого материала может быть использован, например, гидрооксид бария (Ba(OH)8H2O), который нагреваясь в твердой фазе до температуры плавления 78 °С, плавится,

Источник