Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

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)

где m –

масса теплоаккумулирующего ТАМ, кг;

Cp –

удельная изобарная теплоемкость ТАМ, Дж/(кг∙К);

Tк и Tн –

значения начальной и конечной температуры ТАМ;

Q –

мощность ТА, Дж (для перевода в киловатты надо разделить на 3,6∙106).

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

Таблица 1

Удельная теплоемкость, плотность, объемная теплоемкость некоторых ТАМ

Материал

Удельная теплоемкость, кДж/(кг∙K)

Плотность, кг/м3

Теплоемкость, кДж/(м3∙K)

Вода

4,19

1000

4187

Металлоконструкции

0,46

7833

3437

Бетон

1,13

2242

2375

Кирпич

0,84

2242

1750

Магнетит, железная руда

0,68

5125

3312

Базальт, каменная порода

0,82

2880

2250

Мрамор

0,86

2880

2375

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)

где Qф –

мощность ТА с фазовым переходом, Дж;

m –

масса ТАМ, кг;

Ст и Сж –

удельные теплоемкости ТАМ в твердом и жидком состоянии, Дж/(кг∙град.);

Тн, Тф, Тк –

температуры ТАМ начальная, фазового перехода, конечная, град.;

Rф –

удельная теплота фазового перехода, Дж/кг.

Теплофизические свойства некоторых парафинов представлены в табл. 2.

Таблица 2

Термодинамические свойства восков (парафинов) [7]

Наименование вещества

Температура плавления, °С

Удельная теплота фазового перехода, кДж/кг

Карнаубский воск

62,9–72,0

115,3

Канделийский воск

60,0–68,0

175,2

Технический воск

72,6–87,2

146,9

Буроугольный воск

73,9–89,0

138,8

Торфяной воск

46,0–69,0

54,0

Торфяной воск модифицированный

66,0–77,0

59,6

Торфяной воск обессмоленный

77,0–82,0

75,7

Озокерит

56,6–76

140,6

Вощина

46,0–54,0

100,4

Полиэтиленовый воск

103,8–109,5

161,0

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

Материал

Чистая соль

Рабочая

Tпл, °С

Qпл, кДж/кг

ρтв∙103, кг/м3

ρж∙103, кг/м3

ТАМ, %

Вода, %

CaCl∙6H2O

29,7

170

1,712

1,52

   

Na2SO4∙10H2O

32,4

251

1,46

1,48

68,2

31,8

Na2S2O3∙5H2O

48

201

1,6

     
 

58,2

260

1,45

90–95

10–5

Ba(OH)2∙8H2O

78

301

2,18

74–94

25–6

MgCl2∙6H2O

116

165

1,57

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)

где λ0 –

коэффициент теплопроводности при 0 °С;

t –

температура, °С;

a –

константа, зависящая от природы материала.

Таблица 4

Теплофизические характеристики теплоизоляционных материалов

Утеплитель

Теплопроводность, Вт/(м∙°С)

Плотность, кг/м3

Паропроницаемость, мг/(м∙ч∙Па)

Горючесть

Пенополиуретан

0,023

32

0,0–0,05

Самозатухающий

0,029

40

0,035

60

0,041

80

Пенополистирол (пенопласт)

0,038

40

0,013–0,05

Г3 и Г4. Сопротивление возгоранию и самозатухание

0,041

100

0,05

150

Экструдированный пенополистирол

0,031

33

0,013

Г1 у марок с антипеновыми добавками, другие Г3 и Г4. Сопротивление возгоранию и самозатухание

Минеральная (базальтовая) вата

0,048

50

0,49–0,6

Огнеупорный

0,056

100

0,07

200

Стекловолокно (стекловата)

0,041–0,044

155–200

0,5

Не горит

Пенопласт ПВХ

0,052

125

0,023

Г3 и Г4. Сопротивление возгоранию и самозатухание

Древесные опилки

0,07–0,18

230

Пожароопасен

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.

12.tif

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.

13.tif

Рис. 13. Схема теплообмена через стенку с учетом теплопередачи и теплоотдачи жидкость-воздух

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:

toropov02.wmf

toropov03.wmf

toropov04.wmf (5)

где R α2 –

частное термическое сопротивление теплоотдачи со стороны горячего теплоносителя;

R λ –

частное термическое сопротивление теплопроводности (стенки);

R α1 –

частное термическое сопротивление теплоотдачи со стороны холодного теплоносителя;

δ –

толщина стенки;

λ –

удельная теплопроводность изоляционного материала.

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.


Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074