Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Комбинированные тепловые гелиосистемы. Ч. 2. Тепловые аккумуляторы, бойлеры косвенного нагрева для индивидуальных и децентрализованных систем отопления и горячего водоснабжения: учебное пособие.

Торопов А. Л.,

1.2. Назначение и классификация тепловых аккумуляторов

Работа теплового аккумулятора основана на способности веществ запасать энергию при нагревании и отдавать при остывании. Вещества, используемые для накопления тепловой энергии, называются теплоаккумулирующими материалами (ТАМ). Наиболее часто применяемым материалом, способным эффективно аккумулировать теплоту с последующей отдачей, является вода. Ее очень легко нагреть в трубопроводе, она легко отдает тепло. Вода – экологически чистый материал, обладающий высокой теплоемкостью.

Теплоёмкость – количество теплоты, поглощаемой (выделяемой) телом в процессе нагревания (остывания) на 1 Кельвин. Размерность, Дж/К,

Уде́льная теплоёмкость – это отношение теплоёмкости к массе, теплоёмкость единичной массы вещества (разная для различных веществ); физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо передать единичной массе данного вещества для того, чтобы его температура изменилась на единицу.

В Международной системе единиц (СИ) удельная теплоёмкость измеряется в джоулях на килограмм на Кельвин, Дж/(кг∙К).

По типу процесса аккумулирования энергии в тепловых аккумуляторах различают [2–4]:

● тепловое аккумулирование энергии твердыми и жидкими телами за счет изменения температуры вещества – однофазная, емкостная аккумуляция;

● тепловое аккумулирование энергии посредством использования теплоты фазового перехода;

● термохимическое аккумулирование тепловой энергии.

Первый тип данной классификации, тепловые емкостные аккумуляторы (ТЕА), нашли широкое применение в народном хозяйстве. В них используются различные дешевые теплоаккумулирующие материалы, например, вода. Агрегатное состояние ТАМ в них не меняется во всем рабочем диапазоне. Зарядка и разрядка характеризуется исключительно переменной температурой. Данный тип ТА имеет низкую эффективность. Низкая теплоемкость ТАМ данного типа компенсируется большим объемом устройства. Однако, большие размеры ТЕА, необходимые для обеспечения разрядки в течение 5–7 часов для помещений более 100 квадратных метров, приводят к трудностям монтажа и эксплуатации этих систем. Стоимость таких устройств из-за большого размера, также достаточно велика.

В качестве ТАМ для аккумуляторов данного типа применяют широко распространенные и дешевые жидкие и твердые материалы и их комбинации (вода, камень щебень).

Для лучшего восприятия требуемых объемов теплового аккумулятора, рассмотрим пример.

Дом с отапливаемой площадью 100 квадратных метров. Тепловые потери составляют 5 киловатт в час.

Если требуется поддерживать температуру за счет теплового аккумулятора в течение 7 часов, то его мощность должна быть равна 35 киловатт.

Используем в качестве теплоаккумулирующего материала воду. Тогда масса M ТАМ определяется по формуле:

(1)

Введем понятие эффективный рабочий диапазон температур ТА.

Нижний уровень определяется санитарными нормами в жилых и офисных помещениях, он равен 20 °С. Из массово применяемых отопительных приборов самые низкие требования к температуре в системе отопления имеет «теплый пол». Температура в напорной магистрали должна быть не меньше 35 °С. В радиаторных (98 % российского рынка) системах отопления, минимальная температура в подающих магистралях не должна быть ниже 40–50 °С. Следовательно, нижний предел рабочего диапазона ТА, примем равным 35 °С. Верхний уровень рабочего диапазона также определяется санитарными нормами. Это связано с возможным ожогом кожи при работе радиаторов отопления. Этот порог нагрева батарей определен в 65 °С. Но это батареи, в системе отопления есть другое ограничение. К примеру, все настенные газовые котлы имеют ограничение работы система нагрева теплоносителя в 80 °С. После достижения этого порога, нагрев котла прерывается, чтобы не допустить закипание теплоносителя в котле. В ТА теплоноситель поступает по трубопроводу с некоторым охлаждением. Принимаем верхний уровень рабочего диапазона ТА 75 °С.

Второй тип устройств данной классификации – аккумуляторы теплоты фазового перехода, общепринятое сокращение (АФП), основан на использовании обратимого процесса фазового перехода плавление – затвердевание. В качестве ТАМ для этих устройств, применяются материалы с изменяющимся фазовым состоянием в диапазоне температур эксплуатации системы. Конструкции ТА данного типа более сложные и дорогие, но в них на единицу объема запасается больше энергии, чем для тепловых аккумуляторов первого типа, причем процесс зарядки и разрядки в них происходит в очень узком диапазоне температур.

В зависимости от того, переходит твердое состояние ТАМ в жидкое, или обратно, процесс протекает с поглощением или выделением тепла. Эта теплота называется скрытой теплотой фазового перехода. Она затрачивается на разрушение кристаллической решетки при плавлении и выделяется при кристаллизации.

В связи с тем, что плотности и теплопроводности ТАМ с фазовым переходом в твердом и жидком состоянии отличаются, применяются также схемы с промежуточным теплоносителем (вода), которые осуществляют теплопередачу энергии от источника к ТАМ при зарядка и от ТАМ к потребителю при зарядке. Конструкции таких устройств могут быть разнообразные.

Основными требованиями к ТАМ, являются:

– температура фазового перехода должна соответствовать рабочим параметрам теплоносителя в режимах зарядки и разрядки;

– иметь низкий коэффициент объемного расширения и по возможности меньшую разницу плотностей жидкой и твердой фаз;

– быть химически совместимым с конструкционными материалами ТА;

– иметь стабильность состава и теплофизических свойств на протяжении всего периода эксплуатации;

– быть доступным и иметь низкую стоимость.

Наиболее пригодными для низкотемпературных АФП считаются парафины. Достоинства парафинов:

– большая теплота фазового перехода;

– отсутствие эффекта переохлаждения;

– низкий коэффициент вязкости;

– парафин, в жидком состоянии неполярная жидкость и поэтому не смешивается с полярными, такими как вода и спирт;

– низкая электропроводность;

– долговечен и стабилен при циклическом изменении агрегатного состояния;

– температура воспламенения выше 250 °С;

– стабильность при нагреве до 250 °С;

– не кипит, нет опасности возникновения высокого давления пара даже при высоких рабочих температурах;

– экологически безвреден;

– не токсичен, не вреден для здоровья;

– являются коррозионно устойчивыми материалами.

Плотность термических парафинов в жидком состоянии колеблется от 750 до 850 кг/м3 и в твердом от 800 до 900 кг/м3. Перечисленные свойства парафина делают его идеальным материалом для различных приложений, связанных с низкотемпературной аккумуляцией теплоты.

Главным и существенным недостатком парафинов – низкий коэффициент теплопроводность в твердой фазе и изменение плотности при фазовом переходе. Данные о теплофизических свойствах ТАМ представлены в [5–6].

Термохимический – третий способ аккумулирования тепловой энергии, основан на использовании обратимых химических реакций и позволяет запасать тепловой энергии на единицу массы больше, чем в первых двух случаях, но сложен в реализации и в конструкциях, применяемых в системах отопления и ГВС, в настоящее время, практически, не применяется.

По интервалу рабочих температур тепловые аккумуляторы систем отопления и ГВС можно разделить на три группы:

■ низкотемпературные – 35 °С < Т < 100 °С;

■ среднетемпературные – 100 °С < Т < 500 °С;

■ высокотемпературные – Т > 500 °С.

В системах отопления и ГВС, наиболее широкое применение нашли низкотемпературные ТА. Это обусловлено тем, что диапазоны рабочих температур, которые возникают в этих системах, конструкционные и технологические материалы из которых сделаны узлы и элементы этих систем, все это рассчитано, в подавляющем большинстве, на диапазон эксплуатационных температур до 120 °С.

Средне- и высокотемпературные тепловые аккумуляторы пока не нашли широкого применения в промышленности. Применение среднетемпературных тепловых аккумуляторов связано, в основном, с энергетическими установками и системами утилизации тепла технологических процессов с высокими температурами, а высокотемпературные ТА могут применяться в металлургии.

По временному фактору использования тепловые аккумуляторы различают на:

■ краткосрочного действия (суточные) – цикла работы (зарядка/разрядка) не превышает продолжительности суток;

■ долгосрочного действия – продолжительность процесса зарядки и разрядки превышает продолжительность суток (может достигать недельного, месячного и годового периода).

Создание комфортной среды обитания человека связано с его жизненным циклом. Короткий период, это сутки и в сутках есть дневное (активное) время и ночное (пассивное). Продолжительность сна составляет около 7–8 часов. Именно этот период времени можно рассматривать, как минимальный период работы аккумулятора тепла. Человек в это время не может контролировать оборудование систем отопления и ГВС, к примеру, закладывать топливо в твердотопливный котел индивидуального дома. ТА предназначен для решения этой проблемы. Если рассмотреть цикл потребления горячей воды населением, то он также имеет суточный характер потребления. График потребления ГВС одного из многоквартирных домов представлен на рис. 11.

Рис. 11. График потребления горячей воды многоквартирного дома

Тепловые аккумуляторы для систем горячего водоснабжения и отопления индивидуальных домов и децентрализованных систем, ориентированы на краткосрочное действие. Системы поддержания температуры в помещении при отсутствии обитателей могут быть рассчитаны на недельный цикл.

В данном учебном пособии рассмотрены именно случаи использования низкотемпературных, кратковременного использования емкостных и фазовопереходных тепловых аккумуляторов.