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.,

1.3. Энергетические и эксплуатационные показатели тепловых аккумуляторов

Энергетические и эксплуатационные показатели ТА позволяют потребителю правильно выбрать технические устройства.

К основным характеристикам ТА относятся:

● удельная мощность;

● мощность ТА;

● удельная стоимость накопителя энергии;

● время заряда–разряда;

● срок службы;

● КПД;

● саморазряд;

● безопасность;

● простота обслуживания.

Теплоаккумуляционная способность или мощность, которую можно накопить в аккумуляторе теплоты емкостного типа, находится из формулы:

Q = m∙Cp∙(Tк – Тн), (2)

Темплоемкость некоторых материалов, которые могут быть использованы в однофазных (емкостных) ТА представлены в табл. 1.

Таблица 1

Удельная теплоемкость, плотность, объемная теплоемкость некоторых ТАМ

Рассмотрим ТА с объемом кубический метр и диапазон температуры зарядки от 35 до 75 °С.

Тогда, при равных объемах аккумуляторов, при использовании в качестве ТАМ воды, мощность ТА будет равна 46,5 кВт, металла – 38,2 кВт, бетона – 26,4 кВт, кирпича – 19,4 кВт, мрамор – 26,4 кВт.

Расчет показывает, что для емкостных ТА, наилучшим аккумулирующим материалом является вода. Любые комбинации ТАМ (вода + твердый материал) дают результат мощности хуже, чем однородная вода.

В случае, если в тепловом аккумуляторе используются материалы с фазовым переходом, то мощность ТА определяется по формуле 3.

Qф = m∙(Cт∙(Тф – Тн) + Rф + Сж∙(Тк – Тф)), (3)

Теплофизические свойства некоторых парафинов представлены в табл. 2.

Таблица 2

Термодинамические свойства восков (парафинов) [7]

Теплофихические характеристики парафинов в разном фазовом состоянии различны. Если взять в качестве примера ТАМ парафин с температурой плавления 55 °С и удельной теплотой фазового перехода, равной 150 кДж/кг, объем ТА один кубический метр, диапазон изменения температур зарядки 35–75 °С, плотность в твердом состоянии 900 кг/м3, а в жидком 830 кг/м3, удельную теплоемкость 3000 Дж/(кг∙град), то мощность, определенная по формуле (3) будет равна 67,5 кВт. Что на 45 % больше, чем, если ТАМ – вода. Соответственно, если использовать комбинированный вариант ТАМ вода и капсулы или трубки из парафина, в равном соотношении, то мощность этого комбинированного варианта ТА будет на 22,5 % выше, чем при применении воды в качестве ТАМ.

Необходимо отметить также, что при использовании радиаторов в качестве приборов водяного отопления, а это основной способ отопления в России, диапазон эффективной температуры использования ТА сужается. Редко, когда температура радиаторов выше 65 °С, а при нижнем значении в 35 °С радиаторы практически не греют. По нормам, температура ГВС должна быть около 55 °С. Поэтому, реально эффективный диапазон температур радиаторного использования ТА 45–65 °С. Если рассматривать именно этот диапазон изменения рабочих температур ТА, то мощность водяного ТАМ при объеме кубический метр, составляет 23 кВт, а парафинового, 52 кВт. Разница в 2,26 раза, а это уже очень большое отличие.

Таблица 3

Термофизические характеристики кристаллогидратов

В низкотемпературных ТА также используют в качестве ТАМ, кристаллогидраты. Теплофизические характеристики некоторых из них представлены в табл. 3.

К важному недостатку данных ТАМ можно отнести их повышенную коррозионную активность, к преимуществам – более высокие показатели удельные мощностные характеристики.

Удельная мощность ТА определяется отношением мощности рассчитанной по формулам (2), (3) на объем ТАМ. К примеру, в рассмотренном выше случае с мощностью аккумулятора объемом кубический метр с водой и парафином, удельная мощность водяного ТАМ в диапазоне температур 20 °С будет 23 кВт/м3 или 23 Ват/дм3, а парафинового, 52 Вт/дм3. Очень важно обращать внимание и сравнивать характеристики при одном диапазоне температур. Удельные мощности могут быть и относительно других мер веса и объема, например килограмм. В наших рассмотренных случаях данные значения будут для водяного ТАМ 23 Вт/кг и для парафиновых ТАМ 58 Вт/кг, в рассматриваемом диапазоне температур.

Удельная стоимость ТА – относительный показатель стоимости одного килограмма или кубического дециметра. Удобный показатель для прогнозирования затрат, связанных с установкой ТА и сравнения их эффективности.

Допустим, рассматриваемый ранее водяной ТА стоит 30 000 рублей и у него показатель удельной мощности 23000 Вт/м3, тогда на вложенный рубль приходится 0,77 Вт. А при стоимости парафинового ТА 45000 рублей, его удельная стоимость равна 1,16 Вт/руб. Значит, парафиновый экономически более выгоден при равных других показателях.

Простота обслуживания. Некоторые ТА имеют ограниченное количество циклов разрядки и зарядки и ТАМ надо менять после заданного срока эксплуатации. Если вы используете в качестве ТАМ воду или другой теплоноситель, то периодически их нужно менять. Таким образом, существуют периодические эксплуатационные затраты. Важно, чтобы проведение этих операций не было бы сложным и проводилось не часто.

Безопасность эксплуатации ТА связана, в первую очередь, с простотой и периодичностью обслуживания, надежностью и качеством применяемых узлов и экологичностью материалов, составом ТАМ.

Время заряда – разряда, саморазряд ТА.

Назначение теплового аккумулятора – собрать избыточную тепловую энергию, сохранить ее максимально длительное время и передать ее потребителю.

Сохранение энергии происходит с помощью теплоизоляционного слоя, покрывающего всю поверхность ТА (стенки, крышку, дно). В табл. 4 представлена теплофизические показатели теплоизоляционных материалов, применяемых для ТА. Теплопроводность теплоизоляции изменяется, в общем случае, в зависимости от температуры в среднем по линейному закону прямолинейно и приближенно подсчитывается по формуле:

λt = λ0 + at, (4)

Таблица 4

Теплофизические характеристики теплоизоляционных материалов

Саморазряд теплового аккумулятора обусловлен тем, что если к аккумулятору не поступает энергия, то даже через очень хорошую изоляцию, происходит передача тепла от более теплого тела к более холодному, то есть в окружающую тепловой аккумулятор среду. Теплопотери саморазряда зависят от разности температур окружающей среды и теплоносителя в ТА. Чем больше разница температур, тем быстрее остывает ТА. Значения тепловых потерь при саморазряде должны указываться производителем тепловых аккумуляторов в паспортных технических данных. Считается нормальным, если для кубового аккумулятора, при разности температур в 30 °С, тепловые потери саморазряда составляют 50 Вт/ч. Такие потери обеспечивает слой теплоизоляции в 10 см по всем сторонам ТА.

Время заряда и разряда теплового аккумулятора зависит от подведенной (избыточной) мощности и от тепловых потерь дома.

Для того, чтобы определить время разряда нужно разделить накопленную мощность на теплопотери обслуживаемого помещения при отоплении. К примеру, накопленная мощность составляет 52 кВт, а теплопотери – 6 кВт/ч. Тогда время разряда составляет 8,7 часа. Соответственно и при зарядке теплового аккумулятора, если избыточная мощность составляет 10 кВт/ч, то зарядится этот аккумулятор из начального состояния за 5,2 часа.

КПД тепловых аккумуляторов зависит от нескольких главных параметров, среди которых первое место занимает общее термическое сопротивление изоляции ТА.

Рис. 12. Графики изменения КПД тепловых аккумуляторов в зависимости от общего термического сопротивления и размеров теплового аккумулятора

Чем выше этот показатель, тем выше КПД теплового аккумулятора. В работе [8] (рис. 12) представлены графики значения КПД тепловых аккумуляторов с фазовым переходом в зависимости от общего термического сопротивления, времени зарядки и объема ТА.

Из графика видно, что для аккумуляторов с объемом 1 м3, при значении общего термического сопротивления 2, КПД составляет 0,925. Термическое сопротивление, равное 2, соответствует стенке из пенополиуритана с плотностью 80 кг/м3 и толщиной 8 см.

Рекомендуем применять толщину теплоизоляционного материала 10 см, тогда КПД в расчетах низкотемпературных тепловых аккумуляторов можно принимать равным 0,95.

На рис. 13 представлена схема теплопередачи через стенку теплового аккумулятора и формулы расчета термического сопротивления R с учетом теплоотдачи в окружающий воздух и ТАМ. Общее термическое сопротивление равно сумме частных:

(5)

Для условий свободной конвекции воздуха: α1 от 5 до 25 Вт/(м2∙К), воды: α2 от 20 до 100 Вт/(м2∙К). При вынужденной конвекции величины коэффициента теплоотдачи колеблются в пределах: для воздуха: 10–200 Вт/(м2∙К), для воды: 50–10 000 Вт/(м2∙К).

Литература по главе 1

1. Торопов А.Л. Комбинированные тепловые гелиосистемы. Ч. 1. Тепловые солнечные коллекторы для индивидуальных и децентрализованных систем отопления и горячего водоснабжения: учебное пособие. – М.: Издательский дом Академии Естествознания, 2019. – 88 с.

2. Бекман Г., Гилли П. Тепловое аккумулирование энергии. – М., Мир, 1987.

3. Kreith F., Kreider J.F. Principles of Solar Engineering. – Washington, London, 1978. – 778 p.

4. Левенберг В.Д., Ткач М.Р. Гольстрем В.А. Аккумулирование тепла. – К.: «Техника», 1991. – 112 с.

5. Физические величины: справочник / под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 1232 с.

6. Справочник химика / под ред. Б.П. Никольского. – Л., 1967. – 622 с.

7. Боровская Л.В., Шабалина С.Г. Теплоаккумулирующие свойства природных и синтетических восков // Современные наукоемкие технологии. – 2010. – № 4. – С. 98–99.

8. Цимбалюк Ю.В. Методика расчета фазопереходных тепловых аккумуляторов для нефтегазопромысловых объектов // Вестник АГТУ. – 2006. – № 6 (35). – С. 98–100.