Тепловые насосы с использованием теплоты плавления.
Удельная теплота плавления - физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо сообщить одной единице массы кристаллического вещества в равновесном изобарно-изотермическом процессе, чтобы перевести его из твёрдого (кристаллического) состояния в жидкое при температуре плавления.
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 коррозионно активными веществами, в основном имеют низкий коэффициент теплопроводности, изменяют объем при плавлении табл. 3.3. В настоящее время известен широкий спектр веществ, обеспечивающих температуру аккумуляции от 0 до 1400 0С.
При рабочих температурах до 120 0С 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 числу недостатков кристаллогидратов следует отнести также их повышенную коррозионную активность.
Использование органических веществ, практически полностью снимает вопросы коррозионного разрушения корпуса, обеспечивает высокие плотности запасаемой энергии, неплохие экономические показатели.
Таблица 3.3. Основные свойства ТАМ на основе кристаллогидридов.
| Материал | Чистая соль | Рабочая смесь | Минеральное сырье | ||||||
| Тпл, Со | Qпл, кДж/кг | Ρтв 103 кг/м3 | Ρж 103 кг/м3 | ТАМ % | Вода % | Тпл о С | Qпл, кДж/кг | ||
| CaCl·6H2 O | 29.7 | 1.71 | 1.52 | ||||||
| Na2 SO4 ·10H2 O | 32,4 | 1,46 | 1,48 | 68,2 | 31,8 | Глауберова соль | |||
| Na2 S2 O3 ·5H2 O | 1,6 | Гипосульфит натрия | |||||||
| CH3 COONa·3H2 O | 58,2 | 1,45 | 90-95 | 10-5 | 52-58 | 290-220 | |||
| MgCl2 ·6H2 O | 1,57 | Бишофит |
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.
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.
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 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;
- безопасность (отсутствием отравляющих паров, а также опасных реакций с рабочей или теплообменной средой);
- большие ресурсы работы.
Основные свойства плавящихся органических ТАМов приведены в соответствующей таблице 3.4.
Таблица 3.4. Основные свойства плавящихся органических ТАМ.
| Материал | Температура плавления, К | Теплота плавления Q, кДж\кг | Удельная теплоемкость | Плотность кг\м3 | Коэффициент теплопроводности λтв ,Вт\(м·К) | |
| Ρтв | Ρж | |||||
| полиэтиленгликоль | 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 |
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.
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.