Тепловое аккумулирование в насыщенных жидкостях

ТЕПЛОВЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Тепловое аккумулирование — это физические или химиче­ские процессы, посредством которых происходит накопление тепла в тепловом аккумуляторе энергии (ТАЭ).

Аккумулятор состоит из резервуара для хранения (обычно теплоизолированного), аккумулирующей среды (рабочего тела), устройств для зарядки и разрядки и вспомогательного оборудования.

Рис. 1. Схема теплового аккумулятора

Аккумулирующая система характеризуется способами, ко­торыми энергия для зарядки аккумулятора отбирается от источника, трансформируется (при необходимости) в требуе­мый вид энергии и отдается потребителю.

Физический пр-п

На рис. 2 показан процесс теплового аккумулирование с использованием сосуда-аккумулятора. Баланс энергии для этого процесса в общем виде можно записать

Е_вх - Е_вых = E_aк (1.1)

где Е_вх — подведенная энергия,

Е_вых — отведенная энергия,

Е_ак — аккумулированная энергия.

Рис. 2. Энергетический баланс аккумулятора.

Применяя первый закон термодинамики для подведенной и отведенной энергии к этой открытой системе, получим основное уравнение аккумулирования энергии для открытых систем в дифференциальной форме:

(u + pv + gH + с²/2)_вх dm_вх + dQ - (u + pv + gH + c²/2)_выхdm_вых - dW = d [{u + gH + c²/2)_aк∙m_aк],

где m_aк — масса аккумулирующей среды;u — внутренняя энер­гия (отсчитываемая от произвольного нулевого уровня); р — давление; v — удельный объем; g — ускорение силы тяжести; Н—высота (отсчитываемая от произвольного нулевого уров­ня); gH — удельная потенциальная энергия; с — скорость те­чения; с²/2 — удельная кинетическая энергия; dQ — тепло, подведенное к системе; dW—работа системы, не зависящая от переноса массы (например, при движении стенок системы, электрическая энергия, энергия вала двигателя).

Исследование общего уравнения (1.2) показывает, что аккумулирование энергии может осуществляться в результате изменения:

а) удельной внутренней энергии;

б) удельной по­тенциальной энергии;

в) удельной кинетической энергии;

г) массы системы. К тепловому аккумулированию энергии обычно относят случай (а), а также случай (б), если удель­ная внутренняя энергия рабочего тела выше, чем окружающей среды

В этой книге определение теплового аккумулирования тем не менее распространяется и на случай изменения массы системы при низкой удельной внутренней энергии, если эксэргия (располагаемая работа) аккумулирующей среды высокая за счет ее состояния. Сюда относятся например, системы аккумулирования сжатого газа (воздуха), которые способны аккумулировать значительное количество эксэргии, даже если газ имеет температуру окружающей среды и, таким образом, его внутренняя энергия пренебрежимо мало отличается от энергии при параметрах окружающей среды. Очевидно, что такая система аккумулирования используется для накопления только механической энергии, тогда как аккумулирование тепла в смысле, соответствующем случаю (а), позволяет по­лучить как механическую энергию, так и тепло.

Если накопление и кинетической, и потенциальной энер­гии исключено (с_ак = 0, Н = 0) и если, кроме того, члены уравнения (2.2), соответствующие кинетической и потен­циальной энергиям подводимой и отводимой масс, пренебре­жимо малы, а работа ограничена движением поверхностей, ограничивающих систему, т. е. если

dW = p_акdV_aк, (1.3)

где V_aк — объем аккумулятора,

р_ак — давление в аккумуля­торе, то уравнение (1.2) преобразуется к

виду, справедливому для аккумулятора тепла:

(u + pv)_вх dm_вх + dQ — (u + pv)B_выx dm_вых = d (um)_ак + p_акd V_ак. (1.4)

Используя определение энтальпии, имеем

i = u + pv, (1.5)

и, следовательно, энергетический баланс (2.1) принимает вид

i_х dm_вх + dQ — i_вых dm_вых = d (um)_ак + p_ак dV_aк. (1.6)

Соответственно баланс массы запишется как

dm_вх — dm_вых = dm_aк. (1.7)

Процессы зарядки и разрядки описываются в общем виде уравнениями (1.4) или (1.6) и (1.7). В простых случаях воз­можно аналитическое решение. В других, более сложных случаях могут быть получены численные решения (в особен­ности это относится к процессу разрядки).

Классификация

В соответствии с принятыми выше определениями и вы­водами можно провести классификацию аккумуляторов тепла.

1. По типу аккумулирующей и теплообменной среды

1.1. Прямое аккумулирование: одна и та же среда является и теплообменной, и аккумулирующей. Аккумулирующая среда может быть твердой, жидкой, газообразной или двухфазной (жидкость + газ).

1.2. Косвенное аккумулирование: энергия аккумулируется только посредством теплообмена (например, теплопроводностью через стенки резервуара) или массообмена специальной теплообменной среды. Аккумулирующая среда в этом случае может быть твердой, жидкой или газообразной. Процесс аккумулирования тепла может протекать без фазового перехода или с фазовым переходом твердое тело – твердое тело, твердое тело – жидкость и жидкость – пар.

1.3. Полупрямое аккумулирование: процесс протекает так же, как и в случае 1.2, но аккумулирующая емкость теплообменной среды играет более важную роль (например, аккумулирование горячей нефти с твердой насадкой).

1.4. Сорбционное аккумулирование: в этом случае используется способность некоторых аккумулирующих сред поглощать газы с выделением тепла (и поглощать тепло при выделении газа). Передача энергии в этом случае может осуществляться непосредственно в форме тепла или через газ.

2. По массе аккумулирующей среды

2.1. Постоянная масса. Обычно это случай косвенного аккумулирования, но может иметь место и прямое аккумулирование, если перемещаемая часть массы после охлаждения (при разрядке) или нагрева (при зарядке) полностью возвращается в аккумулятор (вытеснительное аккумулирование).

2.2. Переменная масса. Это всегда случай прямого аккумулирования.

3. По объему аккумулятора

3.1. Постоянный объем. Этот случай соответствует аккумулированию в закрытых (или с малым изменением объема) резервуарах.

3.2. Переменный объем. Этот случай соответствует аккумулированию при атмосферном давлении или со специальным компрессионным оборудованием.

4. По давлению в аккумуляторе

4.1. Постоянное давление.

Жидкостей под давлением

Поддерживая давление среды выше или температуру ниже уровня насыщения ("поддавливание" или "недогрев"), можно предотвратить кипение аккумулирующей среды. Давление при этом поддерживается постоянным. "Поддавливание" можно осуществить атмосферным давлением при аккумулировании с использованием горячей воды при температуре ниже 100°С или высококипящих жидкостей, закачкой инертного газа под давлением или применением двухфазного нагнетателя, поддерживающего давление в паровой подушке за счет испарения части жидкости или конденсации части пара. Емкость аккумулятора в данном случае определяется в основном изменением энтальпии жидкой фазы.

В качестве примеров использования таких систем аккумулирования можно привести системы для нагрева питающей воды на тепловых электростанциях, системы с горячей нефтью и расплавленными солями в солнечных электростанциях, водяные системы аккумулирования в районных теплосетях.

Такие аккумуляторы в основном работают в диапазоне средних и высоких температур. При низких температурах, то есть при отношении температур аккумулятора и окружающей среды 0,2 и меньше, емкость аккумулятора возрастает, но при этом возникает потребность в использовании тепловых насосов, специальных рабочих тел и относительно дорогого оборудования. Схема теплового аккумулятора, в котором в качестве теплоаккумулирующей среды используется недогретая жидкость под давлением приведена на рисунке 4.

Рис. 4. Аккумулятор постоянного давления.

1 – сосуд давления, 2 – жидкая аккумулирующая среда, 3 – система наддува,

4 – верхняя линия зарядки/разрядки, 5 – нижняя линия зарядки/разрядки,

6 – поверхность разрядного теплообменника, 7 – поверхность зарядного теплообменника, 8 – верхняя зарядная линия горячей воды, 9 – внутреннее

оборудование.

Рис. 5. Типы тепловых аккумуляторов с использованием

недогретых жидкостей под давлением.

а – горячий и холодный сосуды, б – полевой вариант, в – система со скользящей температурой, государство – аккумулирование с вытеснением.

1 – горячий сосуд, 2 – горячая линия, 3 – потребитель, 4 – холодная линия, 5 – насос для зарядки, 6 – холодный сосуд, 7 – сосуд с переменной температурой.

Возможны следующие типы систем аккумулирования с использованием недогретых жидкостей под давлением (Рис. 5.):

а) Горячая (заряженная) и холодная (разряженная) аккумулирующие среды находятся в отдельных сосудах, каждый из которых рассчитан на полную рабочую массу аккумулирующего вещества. Переходные термические напряжения и потери от смешения исключены.

б) Схема аналогична предыдущей. Разница в том, что горячая вода содержится во всех сосудах, кроме последнего, который не содержит воды вообще. В процессе разрядки горячая жидкость из первого сосуда охлаждается и накапливается во втором, из второго в третьем и т.д. до тех пор, пока последний сосуд не заполнится холодной водой, а первый не останется пустым. Объем сосудов в данном случае меньше, но могут возникать переходные термические напряжения, хотя при низких давлениях и небольшой толщине стенок они почти не оказывают влияния на процесс теплоотдачи.

в) Температура жидкости повышается в процессе зарядки и понижается при разрядке. В сосуде может быть установлен теплообменник, либо жидкость может закачиваться в сосуд и забираться из него.

г) Горячая и холодная жидкости находятся в одном сосуде. Горячая жидкость, имеющая меньшую плотность, скапливается в верхней части сосуда, а холодная – в нижней. Вследствие теплопроводности воды и стенок сосуда, а также турбулизации при зарядке и разрядке будет формироваться зона смешения, которая с одной стороны приводит к потерям тепла, а с другой уменьшает переходные температурные напряжения в стенках сосуда. Данный тип аккумулятора лучше использовать для работы с большой цикличностью зарядки и разрядки.

Их внутренней энергии

Все типы систем аккумулирования с использованием жидких сред могут также работать с твердыми средами. При этом перенос тепла осуществляется либо средой (гравийная засыпка), либо другим теплоносителем (жидкостью или газом). К недостаткам такой системы можно отнести то, что теплоноситель должен проделать путь по каналам, образованным аккумулирующей средой с сопутствующими гидравлическим сопротивлениями. Теплоемкость системы будет равна среднемассовой теплоемкости твердого тела и теплоносителя.

Схема теплового аккумулятора с твердой теплоаккумулирующей средой приведена на рисунке 4. Аккумулирующей средой здесь является твердый пористый материал, а теплопередающей средой – газ, который проходит сквозь каналы и полости в твердом материале, отдавая ему тепло во время зарядки и отбирая его при разрядке.

Рис. 6. Аккумулятор тепла с использованием нагретого

теплоносителя и неподвижной твердой аккумулирующей среды.

1 – сосуд, 2 – верхняя линия разрядки, 3 – нижняя линия разрядки, АС – аккумулирующая среда, ТС – теплопередающая среда.

Фазового перехода

В этом случае емкость аккумулятора определяется в большей степени изменением не температуры, а агрегатного состояния аккумулирующей среды. Больше всего тепла аккумулируется при переходе из жидкого состояния в газообразное, однако ввиду низкой теплоемкости паровой фазы предпочтительнее использовать переход твердое тело – жидкость. Одновременно с фазовым переходом можно использовать также теплоемкость твердой и жидкой фазы, что увеличивает емкость аккумулятора. Достоинством такой системы аккумулирования можно назвать постоянное давление среды. Главным недостатком является высокая стоимость.

В качестве аккумулирующей среды могут использоваться вода и лед, гидроокиси лития и натрия, а также различные соли. Кроме того, можно использовать двух- и трехкомпонентные смеси на основе хлоридов, карбонатов и фторидов щелочных металлов. Основное требование к аккумулирующей среде – отсутствие расслаивания или разложения на отдельные компоненты при нагреве и

плавлении. В качестве примера можно привести глауберову соль ( ), которая при плавлении распадается на жидкую и твердую фазы. Однако для низкотемпературного аккумулирования такая соль вполне подходит.

На рисунке 7 показан тепловой аккумулятор, в котором аккумулирующей средой является расплавленная соль, расположенная в отдельных капсулах. Передача тепла от пара, проходящего через внутреннюю полость аккумулятора к соли осуществляется через стенки капсул.

Рис. 7. Предварительно напряженная конструкция чугунного

сосуда для аккумулятора с горячим теплоносителем

и цилиндрическая капсула для такого сосуда.

1 – чугунные кольца, 2 – продольные предварительно напряженные сосуды,

3 – вход/выход пара, 4 – предварительно напряженные бандажи, 5 – пространство, заполненное газом, 6 – внутренний сосуд, 7 – обшивка, 8 – слой извести, 9 – волок­нистая изоляция, 10 – теплоаккумулирующие капсулы, 11 – зона распределения потока, 12 – вход/выход соли, 13 – базовая изоляция, 14 – полость в затвердевшей соли, 15 – полость в расплаве, 16 – расплавленная соль, 17 – затвердевшая соль.

Область применения

Экономия тепла в зданиях, коттеджах, а также в технологических процессах, когда имеется периодический выброс тепловой энергии, Особыми преимуществами обладает в комбинации с гелио-теплоутипизирующими системами. Перспективен также при запасении тепловой энергии в ночное время и отдаче ее в дневные часы, при этом экономия достигается за счет разницы тарифов на стоимость электроэнергии в дневное и ночное время.

Применение тепловых аккумуляторов на производстве позволяет экономить 70-80% денежные средств, хотя при этом не экономит электроэнергию.

Условия работы ТА

Температура окружающей среды: °С

Температура воздуха внутри кузова: °С

Перепад температур: °С

Коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности кузова к окружающей среде: Вт/(м²∙К)

Время работы в режиме теплоотдачи: с

Время хранения тепла: с

Тепловой ТА.

Заключение

В данном расчете мы рассчитали необходимые параметры теплового аккумулирования для кунга грузового автомобиля

Список использованной литературы

1. В. В. Шульгин,Тепловые аккумуляторы автотранспортных средств, Год: 2005
Издательство: Издательство Политехнического университета

2. Накопители энергии: Учеб. пособие для вузов / Д. А. Бут, Б. Л. Алиевский, С. Р. Мизюрин, П. В. Васюкевич; Под ред. Д. А. Бута. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 400 с.: ил.

ТЕПЛОВЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Тепловое аккумулирование — это физические или химиче­ские процессы, посредством которых происходит накопление тепла в тепловом аккумуляторе энергии (ТАЭ).

Аккумулятор состоит из резервуара для хранения (обычно теплоизолированного), аккумулирующей среды (рабочего тела), устройств для зарядки и разрядки и вспомогательного оборудования.

Рис. 1. Схема теплового аккумулятора

Аккумулирующая система характеризуется способами, ко­торыми энергия для зарядки аккумулятора отбирается от источника, трансформируется (при необходимости) в требуе­мый вид энергии и отдается потребителю.

Физический пр-п

На рис. 2 показан процесс теплового аккумулирование с использованием сосуда-аккумулятора. Баланс энергии для этого процесса в общем виде можно записать

Е_вх - Е_вых = E_aк (1.1)

где Е_вх — подведенная энергия,

Е_вых — отведенная энергия,

Е_ак — аккумулированная энергия.

Рис. 2. Энергетический баланс аккумулятора.

Применяя первый закон термодинамики для подведенной и отведенной энергии к этой открытой системе, получим основное уравнение аккумулирования энергии для открытых систем в дифференциальной форме:

(u + pv + gH + с²/2)_вх dm_вх + dQ - (u + pv + gH + c²/2)_выхdm_вых - dW = d [{u + gH + c²/2)_aк∙m_aк],

где m_aк — масса аккумулирующей среды;u — внутренняя энер­гия (отсчитываемая от произвольного нулевого уровня); р — давление; v — удельный объем; g — ускорение силы тяжести; Н—высота (отсчитываемая от произвольного нулевого уров­ня); gH — удельная потенциальная энергия; с — скорость те­чения; с²/2 — удельная кинетическая энергия; dQ — тепло, подведенное к системе; dW—работа системы, не зависящая от переноса массы (например, при движении стенок системы, электрическая энергия, энергия вала двигателя).

Исследование общего уравнения (1.2) показывает, что аккумулирование энергии может осуществляться в результате изменения:

а) удельной внутренней энергии;

б) удельной по­тенциальной энергии;

в) удельной кинетической энергии;

г) массы системы. К тепловому аккумулированию энергии обычно относят случай (а), а также случай (б), если удель­ная внутренняя энергия рабочего тела выше, чем окружающей среды

В этой книге определение теплового аккумулирования тем не менее распространяется и на случай изменения массы системы при низкой удельной внутренней энергии, если эксэргия (располагаемая работа) аккумулирующей среды высокая за счет ее состояния. Сюда относятся например, системы аккумулирования сжатого газа (воздуха), которые способны аккумулировать значительное количество эксэргии, даже если газ имеет температуру окружающей среды и, таким образом, его внутренняя энергия пренебрежимо мало отличается от энергии при параметрах окружающей среды. Очевидно, что такая система аккумулирования используется для накопления только механической энергии, тогда как аккумулирование тепла в смысле, соответствующем случаю (а), позволяет по­лучить как механическую энергию, так и тепло.

Если накопление и кинетической, и потенциальной энер­гии исключено (с_ак = 0, Н = 0) и если, кроме того, члены уравнения (2.2), соответствующие кинетической и потен­циальной энергиям подводимой и отводимой масс, пренебре­жимо малы, а работа ограничена движением поверхностей, ограничивающих систему, т. е. если

dW = p_акdV_aк, (1.3)

где V_aк — объем аккумулятора,

р_ак — давление в аккумуля­торе, то уравнение (1.2) преобразуется к

виду, справедливому для аккумулятора тепла:

(u + pv)_вх dm_вх + dQ — (u + pv)B_выx dm_вых = d (um)_ак + p_акd V_ак. (1.4)

Используя определение энтальпии, имеем

i = u + pv, (1.5)

и, следовательно, энергетический баланс (2.1) принимает вид

i_х dm_вх + dQ — i_вых dm_вых = d (um)_ак + p_ак dV_aк. (1.6)

Соответственно баланс массы запишется как

dm_вх — dm_вых = dm_aк. (1.7)

Процессы зарядки и разрядки описываются в общем виде уравнениями (1.4) или (1.6) и (1.7). В простых случаях воз­можно аналитическое решение. В других, более сложных случаях могут быть получены численные решения (в особен­ности это относится к процессу разрядки).

Классификация

В соответствии с принятыми выше определениями и вы­водами можно провести классификацию аккумуляторов тепла.

1. По типу аккумулирующей и теплообменной среды

1.1. Прямое аккумулирование: одна и та же среда является и теплообменной, и аккумулирующей. Аккумулирующая среда может быть твердой, жидкой, газообразной или двухфазной (жидкость + газ).

1.2. Косвенное аккумулирование: энергия аккумулируется только посредством теплообмена (например, теплопроводностью через стенки резервуара) или массообмена специальной теплообменной среды. Аккумулирующая среда в этом случае может быть твердой, жидкой или газообразной. Процесс аккумулирования тепла может протекать без фазового перехода или с фазовым переходом твердое тело – твердое тело, твердое тело – жидкость и жидкость – пар.

1.3. Полупрямое аккумулирование: процесс протекает так же, как и в случае 1.2, но аккумулирующая емкость теплообменной среды играет более важную роль (например, аккумулирование горячей нефти с твердой насадкой).

1.4. Сорбционное аккумулирование: в этом случае используется способность некоторых аккумулирующих сред поглощать газы с выделением тепла (и поглощать тепло при выделении газа). Передача энергии в этом случае может осуществляться непосредственно в форме тепла или через газ.

2. По массе аккумулирующей среды

2.1. Постоянная масса. Обычно это случай косвенного аккумулирования, но может иметь место и прямое аккумулирование, если перемещаемая часть массы после охлаждения (при разрядке) или нагрева (при зарядке) полностью возвращается в аккумулятор (вытеснительное аккумулирование).

2.2. Переменная масса. Это всегда случай прямого аккумулирования.

3. По объему аккумулятора

3.1. Постоянный объем. Этот случай соответствует аккумулированию в закрытых (или с малым изменением объема) резервуарах.

3.2. Переменный объем. Этот случай соответствует аккумулированию при атмосферном давлении или со специальным компрессионным оборудованием.

4. По давлению в аккумуляторе

4.1. Постоянное давление.

Тепловое аккумулирование в насыщенных жидкостях

Аккумулирующие устройства такого типа содержат жидкость и паровую подушку над ней, причем жидкость и пар находятся в термодинамическом равновесии (при температуре насыщения). Аккумулирующей средой почти всегда служит система вода – водяной пар. На рисунке 3 показано аккумулирующее устройство со всеми возможными типами зарядного и разрядного оборудования. Разрядка может производиться путем подачи насыщенного пара через разрядную линию 4, перегретого пара через дросселирующий клапан 5, жидкости через разрядную линию горячей воды 7 или только тепла через посредством теплообмена через специальную поверхность 6. В последнем случае масса аккумулирующей среды остается постоянной (косвенное аккумулирование со скользящим давлением).

Зарядка аккумулятора может осуществляться закачкой горячей воды через зарядную линию 10, либо нагревом воды до температуры насыщения за счет конденсации пара, поступающего через зарядную линию 11, подводом тепла к системе через теплообменник 9 или продувкой пара через воду по линии 8. Внутреннее устройство 12 предотвращает расслаивание.

В процессе зарядки и разрядки такого аккумулятора происходит изменение давления. Изменение фазового состояния также имеет место, но не оказывает существенного влияния на емкость аккумулятора.

Рис. 3. Аккумулятор со скользящим давлением.

1 – сосуд под давлением, 2 – водяной объем, 3 – паровая подушка,

4 – разрядная линия насыщенного пара, 5 – разрядная линия перегретого

пара, 6 – теплообменная поверхность разрядного теплообменника,

7 – разрядная поверхность горячей воды, 8 – разрядная линия пара,

9 – теплообменная поверхность зарядного теплообменника, 10 – зарядная

линия горячей воды, 11 – зарядная линия греющего пара, 12 – внутреннее

оборудование, предотвращающее температурное расслаивание воды.