Курсовая работа: Аккумулирование тепла
Алтайский государственный технический университет
им. И. И. Ползунова
Заочный факультет
РЕФЕРАТ
по дисциплине Нетрадиционные источники энергии.
тема: Аккумулирование тепла
Проверил: В.В. Чертищев
Барнаул 2007
Содержание
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 оС 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
ТАМ
Температура, К
Плотность кг\м3·103
Удельная теплоёмкость кДж\кг·К
коэффициент
застывания
максимальная
--PAGE_BREAK----PAGE_BREAK----PAGE_BREAK--744
0,15
3,9
Парафин 46-48
320
209
2,08
800
0,34
3
нафталин
353
1170
0,8
ацетамин
355
1160
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
Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций) © Кафедра теплоэнергетических систем, 2006
Гулиа Н. В. Накопители энергии. – М.,1980г.
Левенберг В.Д. и др. Аккумулирование тепла. 1991г.
Пугач Л.И. нетрадиционная энергетика, возобновляемые источники.
www.rodniki.bel.ru/dom/elgen0.htm
www.seu.ru/programs/ecodom/book/index.htm