Тепловое аккумулирование
Тепловыми накопителями энергии называются устройства, в которых путем повышения температуры или изменения фазового состояния рабочего тела вследствие нагревания запасается энергия.
Теплоаккумулирующие установки отличаются от других накопительных систем одной особенностью: аккумулирующее
устройство не является самостоятельной станцией, работающей в составе ЭЭС (электроэнергетической системы), а непосредственно связано с определенной паросиловой установкой. Если по какой-то причине выходит из строя паросиловая установка, то не работает и аккумулирующее устройство, и наоборот.
Аккумуляторы тепловой энергии можно классифицировать по характеру протекания физико-химических процессов в теплоаккумулирующих материалах:
1) аккумуляторы емкостного типа, в которых используются материалы, которые при нагревании (охлаждении) не изменяют своего агрегатного состояния (вода, галька, природный камень, водные растворы солей и т. д.);
2) аккумуляторы фазового перехода, в которых используются процессы плавления (затвердевания) вещества (глауберова соль, парафин и т. д.);
3) аккумуляторы, основанные на обратимых физических и химических реакциях;
Для определения емкости теплового аккумулятора необходимо знать теплофизические характеристики теплоаккумулирующих материалов, часть из которых приведены в табл. 4.1.
Теплоаккумулирующую способность или количество теплоты, которое может быть запасено в жидкостной системе аккумулирования емкостного типа, кДж, определяется по зависимости:
AQ = тСр(Т2 — Ті), (4.1)
где m — масса теплоаккумулирующего вещества, кг; Ср — изобарная теплоемкость, кДж/(кг*К); Т2 и Т] — средние значения начальной и конечной температур теплоаккумулирующего вещества, К.
Емкость такого аккумулятора также зависит от температуры окружающей среды Токр, которую можно учесть зависимостью:
AQ = тСрТокр[(Т2/Токр — 1п(Т2/Токр)) — (Tj/Tottp — 1п(Т,/Токр))] (4.2)
|
Теплофизические характеристики теплоаккумулирующих материалов
|
Объем аккумулятора при известном количестве запасаемого тепла можно найти из (4.1) или (4.2) зная, что т — pV.
Если аккумулирующей средой служит твердое тело, которое нагревается и охлаждается без фазовых переходов, то тепловая емкость при этом определяется внутренней энергией и может быть найдена по (4.2), заменяя изобарную теплоемкость удельной теплоемкостью.
Емкость теплового аккумулятора, использующего фазовый переход, характеризуется изменением агрегатного состояния при постоянной температуре, давлении и массе. В этом случае емкость с учетом температуры окружающей среды может быть найдена из зависимости:
AQ = рУ[Срл (Тф — Ті — Токр1пТф/Т|) + АЬф(1 — Токр/Тф) +
+ Ср. ж(Т2-Тф-Токр-1пТ2/Т,)],
где Ср. т, Срж — соответственно удельная теплоемкость твердой и жидкой фазы, Тф — температура плавления, АЬф — температура фазового перехода. Для органических веществ АЬф = 0,7Тф, а для неорганических АЬф = 0,бТф. Следует отметить, аккумулирующая
среда с использованием теплоты фазового перехода имеет ряд преимуществ по сравнению с емкостными системами, таких как меньшая стоимость, высокая плотность и энтальшя фазового перехода, хорошие теплообменные свойства, температурная стабильность, слабая химическая активность, безопасность и другие.
Для аккумулирования теплоты перспективно гспользование подземных водоемов, грунта, скальной породы и другкх природных образований. В крупномасштабных системах достаточно успешно используют железобетонные и стальные резервуары емшетью до 100 тыс. куб. м, в которых вода при температуре 80-130° С может сохранять до 8 млн. МДж теплоты в течение 3-х месяцев. Такой положительный опыт накоплен, например, в Швеции, где эксплуатируются крупные гелиотешюнасосные системы теплоснабжения поселков.