Имеет определенную величину, и зависит от и .

С той или иной точностью, зная все перечисленные параметры, мы можем рассчитать ожидаемую производительность любого типа солнечного коллектора за произвольный период времени (кВт·ч за единицу времени). При этом, чем дольше расчетный период времени, тем более точны расчеты производительности .

Таким образом, располагая значением суммарного годового , можно относительно точно рассчитать прогнозируемую годовую производительность коллектора. Однако практически невозможно рассчитать такой прогноз на отдельные дни в году или часы. Это и отличает гелиосистемы от других генераторов теплоты (котлы, тепловые насосы и т.д.).

Выработка тепла не совпадает с графиком потребления

Одной из особенностей работы гелиосистемы для бытового сектора является то, что солнечные коллекторы генерируют тепло на протяжении всего светового дня, в отличии от котла, который за короткий промежуток времени может обеспечить потребителя тепловой энергией. Из-за этого время выработки тепловой энергии и потребление не совпадают. Это видно на графике.

График выработки и потребления тепловой энергии при применении солнечных коллекторов

Данные особенности показывают, что для оптимальной работы гелиосистемы необходимо аккумулировать тепловую энергию . Для этих целей, как правило, используют . Их объем должен быть достаточным для хранения полученной солнечной энергии за день. В данном случае мы говорим о суточном аккумулировании тепловой энергии.

Для аккумулирования тепловой энергии чаще всего используют воду

Вода - общедоступный и эффективный теплоноситель, имеющий высокие показатели теплопроводности c = 4,187 (кДж/кг·К) или с = 1,1163 (Вт·ч/кг·К) второе значение чаще используется в расчетах отопительной техники. Расчеты теплоаккумулирующей емкости совпадают как для систем ГВС так и отопительных систем.

Кроме суточного аккумулирования тепловой энергии, можно реализовать аккумулирование тепла на более длительный период времени. Такие системы называют системами с сезонным аккумулированием тепловой энергии. Для реализации таких объектов баки аккумуляторы должны иметь значительные объемы, что бы за летный период накопить тепло, которое будет потребляться за отапливаемый период.

Не всегда объем бака аккумулятора имеет решающее значение . Определяющим параметром служит теплоемкость. Для воды теплоемкость ограничена теплофизическими свойствами. При атмосферном давлении мы можем нагреть воду до 95°С, поэтому при условии, что конечное значение температуры воды после использования теплоты будет 45°С, мы можем получить не более 60 Вт/кг (w=1,1163·(95-45))=58,15 Вт/кг).

Альтернативные способы хранения тепла

Иногда для целей повышения теплоемкости аккумулятора используют другие виды аккумулируемых сред (бетон, галька, металл и т.д.). При равном объеме данные вещества обладают меньшей удельной теплопроводностью, однако их можно нагревать до более высоких температур, что в свою очередь увеличивает теплоемкость аккумулятора. При нагревании на очень высокие температуры можно достичь значения теплоемкости до 400 Вт/кг.

Однако для использования с гелиосистемами температура нагрева аккумулятора тепла ограничена максимальной температурой нагрева солнечных коллекторов. Так же хранение аккумулирующей среды с высокой температурой увеличивает тепловые потери, поэтому, как правило, аккумулятор заряжается до сравнительно невысоких температур (до 95°С) и используется с низко потенциальной системой отопления (теплые полы, фанкойлы).

Эффективно может аккумулироваться и теплота плавления некоторых материалов. Для таких аккумуляторов тепла используют парафин, каустическую соду, и т.д. При фазовом переходе во время плавления значение теплоемкости рассчитывается так:

W = m , где

• W - аккумулированная энергия Дж;
• m - масса аккумулирующего вещества кг;
• ct - удельная теплоемкость в твердом состоянии Дж / (кг·K);
• cs - удельная теплоемкость в жидком состоянии Дж / (кг· K);
• C - теплота плавления Дж/кг;
• ϑ1 - начальная температура °С;
• ϑs - температура плавления °С;
• ϑ2 - температура нагрева °С;

Утепление частного дома. Часть 3

Аккумулирование тепла - залог комфорта в жилище

Итак, в прошлой статье мы рассматривали разные строительные материалы, из которых мы могли бы построить наш дом. Однако, вопроса тепла в доме мы коснулись очень и очень поверхностно. Таким образом, теоретическая часть еще не закончена! Она в самом разгаре! В этой статье я постараюсь доступно рассказать о более серьезных вопросах теплоизоляции жилища. Кстати говоря, в процессе изложения я опять слишком вольно обращался с терминами. Давайте договоримся, что утепление - это набор мер по повышению температуры в помещении, то есть, например, устройство отопления, а теплоизоляция - набор мер по снижению теплопередачи строительных конструкций. Таким образом, предметом этой статьи будет именно теплоизоляция. Причем, теплоизоляция нужна только там, где устроено отопление, поскольку затрудняет выход тепла наружу, и совершенно не защищает от холода, как некоторые думают.

При строительстве теплого дома нужно иметь в виду, что отдельно стоящий дом теряет через стены по разным оценкам всего от 30 до 40 процентов тепла. Это значит, что, если дом уже построен и его характеристики по сохранению тепла вас не удовлетворяют, то дополнительная теплоизоляция стен может и не помочь. В первую очередь, теплоизолировать нужно стены, имеющие недостаточно малую теплопередачу, например, построенные из материалов с высокой теплопроводностью (силикатный кирпич, цементные или бетонные блоки), или стены, имеющие недостаточную толщину. Так, если у вас холодный дом, построенный из дерева, то такие стены достаточно просто проконопатить по-аккуратнее, а если вы живете в холодном доме из пенобетонных или керамзитобетонных блоков, то стоит в первую очередь направить средства на теплоизоляцию потолков и окон.

Теперь затронем основной вопрос этой статьи, а именно процесс накопления тепла стенами. Представим себе ситуацию, когда внутри нашего помещения температура плюсовая, а снаружи минусовая. Таким образом можем считать, что наша стена разделяет две среды с разными температурами. При этом, как мы только что договорились, теплый воздух стремится выйти наружу. Здравый смысл говорит нам, что, если одна поверхность стены имеет температуру, например -20, а вторая поверхность, напротив, имеет температуру + 20, то где-то должен быть и ноль. Судя по всему, при наших условиях этот ноль градусов находится внутри стены.

Для простоты, давайте считать, что ровно посередине. В свою очередь, это значит, что половина стены, в наших условиях, имеет температуру выше нуля. Предположим, затем, что наша стена весит тонну. Следовательно, половина стены весит ровно половину тонны. Самое приятное, что между этой теплой половиной стены и воздухом в комнате происходит процесс теплопередачи, и, если мы удалим весь теплый воздух из нашего помещения, откроем форточку, например, то после закрытия форточки более теплая стена будет отдавать воздуху свое накопленное тепло, притом, тепла будет отдано тем больше, чем будет тяжелее стена и, соответственно, больше сохраненная ей энергия.

Я надеюсь, что теперь понятно, что теплоизоляция внешней стороны стены значительно более предпочтительна, чем теплоизоляция внутри помещения. Действительно, внешняя теплоизоляция смещает ноль градусов по направлению к внешнему краю стены, увеличивая массу теплой части стены, в то время как теплоизоляция внутренней части стены напротив, не дает ей нагреваться и аккумулировать тепло. Помещение с внутренней теплоизоляцией характерно тем, что очень быстро нагревается и так же быстро выветривается при открытой форточке. Тепло-то ведь стенами не накоплено!

Конечно, говорить об аккумулировании тепла внешними стенами мы можем с известной долей условности. Дело в том, что физика процесса теплопередачи говорит, что внешняя стена всегда отдает тепло, а это значит, что и тепло она не аккумулирует, поскольку постоянно его тратит. Это как аккумулятор, который мы постоянно заряжаем, и к которому подключена куча лампочек, которые его постоянно разряжают. Понимаете аналогию? При выключении тока заряда лампочки очень быстро разрядят аккумулятор, просто этот процесс будет не мгновенный и все. Чтобы замедлить процесс разрядки надо повысить емкость аккумулятора, а в случае со стеной нужно увеличивать ее толщину.

Действительно аккумулируют тепло только внутренние стены и массивные предметы, находящиеся в помещении.

Резюме

При устройстве теплого дома нужно следить за тем, чтобы в помещении присутствовали достаточно тяжелые объекты, которые накапливали бы тепло. Это может быть стена, причем внутренняя стена накапливает тепло значительно интенсивнее, чем внешняя, ведь внутренняя стена имеет комнатную температуру по всей толщине! Это может быть монолитная колонна, или нечто не менее тяжелое. Напоминаю, что самым крутым аккумулятором тепла у наших предков, да кое-где и у нас служит кирпичная печь. Вспоминаю, как мы с друзьями топили русскую печь на даче, и она все не грелась, и не грелась, не смотря на то, что огонь просто бушевал в ней, и дров мы потратили огромное количество. Мы так и легли спать в холоде. Зато проснулись под утро от жары. Причем печь накопила столько тепла, что в этот уикенд мы ее больше и не топили. Мы уехали по домам, а она все еще была теплая. Так, если у вас в доме внутреннее утепление и легкие стены, например, из гипсокартона, то есть смысл не экономить на перегородках, и сделать их монолитными.

При устройстве внутренней теплоизоляции ни в коем случае нельзя прокладывать трубы отопления и, особенно водопровода между стеной и теплоизоляцией. Если в случае с отоплением вам грозит только увеличение сумм в счетах за горючее, то водопровод может и замерзнуть!

В следующей статье я рассмотрю вопросы влажности воздуха в помещении.

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

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

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

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

Тепловой аккумулятор – устройство, предназначенное для накопления тепловой энергии с целью ее использования в домах, зданиях, на промышленном производстве.

Тепловой аккумулятор или, как его иногда еще называют – буферная емкость – ни что иное, как обыкновенная бочка (круглая или квадратная). Но бочка эта не простая, а волшебная.

Она способна экономить ваши деньги и создавать комфортную температуру в доме. У самой простой модификации теплового аккумулятора два выхода вверху и два внизу. Что еще может быть проще? Про тепловой аккумулятор наслышаны многие, но когда и как его применить, сэкономив при этом на отоплении, знают далеко не все.

Когда выгодно выполнить монтаж теплового аккумулятора:

У вас стоит твердотопливный котел;

Вы отапливаетесь электричеством;

В помощь к отоплению добавлены солнечные коллекторы;

Есть возможность утилизировать тепло от агрегатов и машин.

Самый распространенный случай применения теплового аккумулятора, когда в качестве источника тепла используется твердотопливный котел. Тот, кто пользовался твердотопливным котлом для отопления своего дома знает, какого комфорта можно добиться с помощью подобной отопительной системы. Затопил – разделся, прогорел – оделся. По утрам в доме с таким источником тепла не хочется вылазить из-под одеяла. Регулировать процесс горения в твердотопливнос котле очень трудно.Топить нужно и при +10С, и при -40С. Горение и количество выделяемого тепла будет одинаковым, только вот этого самого тепла нужно совсем по-разному. Что же делать? О каком КПД может идти речь, когда при плюсовой температуре приходится открывать окна. Ни о каком комфорте и речи быть не может.

Схема монтажа твердотопливного котла с тепловым аккумулятором – идеальное решение для частного дома, когда хочется и уюта, и экономии. При подобной компановке вы растапливаете твердотопливный котел, нагреваете воду в тепловом аккумуляторе и получаете столько тепла, сколько вам нужно. При этом котел будет работать на максимальной мощности и с наибольшим КПД. Сколько тепла дадут дрова или уголь, столько и запасете.

Второй вариант. Монтаж теплового аккумулятора с электрокотлом. Данное решение сработает, если у вас имеется двухтарифный электросчетчик. Запасаем тепло по ночному тарифу, расходуем и днем, и ночью. Если вы решили применить такую систему обогрева, лучше поискать тепловой аккумулятор с возможностью установки электротена прямо в бочку. Электротен стоит дешевле электрического котла, да и материала для обвязки котла не потребуется. Минус работа по монтажу электрокотла. Представляете сколько можно сэкономить?

Третий вариант, когда имеется солнечный коллектор. Весь избыток тепла можно скидывать в тепловой аккумулятор. В демисезонье получается отличная экономия.

Расчет теплового аккумулятора

Формула расчета очень простая:

Q = mc(T2-T1), где:

Q - накопленная теплота;

m - масса воды в баке;

с - удельная теплоемкость теплоносителя в Дж/(кг*К), для воды равная 4200;

Т2 и Т1 - начальная и конечная температуры теплоносителя.

Допустим, у нас радиаторная система отопления. Радиаторы подобраны под температурный режим 70/50/20. Т.е. при опускании температуры в баке аккумулятора ниже 70С, мы начнем испытывать недостачу тепла, то есть попросту замерзать. Давайте расчитаем, когда это произойдет.

90 – это наши Т1

70 – это Т2

20 – температура в помещении. Она нам в расчете не понадобится.

Допустим, у нас тепловой аккумулятор на 1000 литров (1м3)

Считаем запас тепла.

Q =1000*4200*(90-70)=84 000 000 Дж или 84 000 кДж

1 кВт-ч = 3600 кДж

84000/3600=23,3 кВт тепла

Если теплопотери дома – 5 кВт в холодную пятидневку, то нам хватит запасенного тепла почти на 5 часов. Соответственно, если температура выше расчетной на холодную пятидневку, то теплового аккумулятора будет достаточно на более продолжительное время.

Подбор объема теплового аккумулятора зависит от ваших задач. Если необходимо сгладить температуру, ставим небольшой объем. Если требуется накопить тепло вечером, чтобы утром проснуться в теплом доме, нужен большой агрегат. Пусть стоит вторая задача. С 2300 до 0700 – должен быть запас тепла.

Предположим, что теплопотери – 6 кВт, а температурный режим системы отопления – 40/30/20. Теплоноситель в тепловом аккумуляторе может разогреться до 90С

Время запаса 8 часов. 6*8=48 кВт

M = Q /4200*(Т2-Т1)

48*3600=172800 кДж

V =172800/4200*50=0,822 м3

Тепловой аккумулятор от 800 до 1000 литров удовлетворит нашим требованиям.

Плюсы использования теплового аккумулятора в доме с утеплением

Если на вашем участке нет народного достояния – магистрального газа, впору задуматься о правильной системе отопления. Самое лучшее время, когда только готовится проект, а самое неподходящее – когда вы уже живете в доме и поняли, что отопление обходится очень дорого.

Идеальный дом для монтажа твердотопливного котла и теплового аккумулятора – это здание с хорошим утеплением и низкотемпературной системой отопления. Чем лучше утепление, тем меньше теплопотери и тем дольше ваш тепловой аккумулятор сможет поддерживать комфортное тепло.

Низкотемпературная система отопления. Выше мы привели пример с радиаторами, когда температурный режим составлял 90/70/20. При низкотемпературном режиме условия будут – 35/30/20. Почувствуйте разницу. В первом случае уже при понижении температуры ниже 90 градусов вы почувствуете недостачу тепла. В случае с низкотемпературной системой, можно спокойно спать до утра. Зачем быть голословным. Предлагаем просто посчитать выгоду.

Способ мы просчитали выше.

Вариант с низкотемпературной системой отопления

Q =1000*4200*(90-35)=231 000 000 Дж (231000 кДж)

231000/3600=64,2 кВт. Это почти в три раза больше при одинаковом объеме теплового аккумулятора. При теплопотерях – 5 кВт такого запаса хватит на всю ночь.

А теперь о финансах. Допустим, мы смонтировали тепловой аккумулятор с электрическими тенами. Запасаем по ночному тарифу. Мощность тенов – 10 кВт. 5 кВт уходит на текущий обогрев дома в ночное время, 5 кВт мы можем запасти на день. Ночной тариф с 23-00 до 07-00. 8 часов.

8*5=40 кВт. Т.е. днем мы будем пользоваться в течении 8-ми часов ночным тарифом.

С 1 го января 2015 года в Краснодарском крае дневной тариф составляет 3,85, ночной – 2,15.

Разница – 3,85-2,15=1,7 рубля

40*1,7=68 рублей. Сумма кажется маленькой, но не спешите. Выше мы давали ссылки на утепленный дом и неутепленный. Представим, что вами сделана ошибка – дом построен, вы уже прошли первый отопительный сезон и поняли, что отопление электричеством обходится очень дорого. Выше мы привели пример теплопотерь неутепленного дома. В примере теплопотери составляют 18891 ватт. Это в холодную пятидневку. Средняя за отопительный сезон будет ровно в 2 раза меньше и составит 9,5 кВт.

Следовательно, за отопительный сезон нам необходимо 24*149*9,5=33972 кВт

В рублях 16 часов, 2/3 (22648) по дневному тарифу, 1/3 (11324 кВт) по ночному.

22648*3,85=87195 руб

11324*3,85=24346 руб

Итого: 111541 руб. Цифра за тепло просто ужасающая. Такая сумма способна опустошить любой бюджет. Если же ночью запасти тепло, то можно сэкономить. 38502 рублей за отопительный сезон. Немалая экономия. Если у вас такие расходы, в пару к электрокотлу необходимо ставить твердотопливный котел или камин с водяной рубашкой. Есть время и желание – закинули дровишки, запасли тепло в тепловой аккумулятор, остальное добиваем электричеством.

В утепленном доме с тепловым аккумулятором стоимость отопительного сезона будет сопоставима с аналогичными неутепленными домами, в которых есть магистральный газ.

Наш выбор, когда нет магистрального газа, такой:

Хорошо утепленный дом;

Низкотемпературная система отопления;

Тепловой аккумулятор;

Твердотопливный котел иди водяной камин;

Электрокотел.