Тепловые аккумуляторы накапливают энергию в результате подвода к ним теплоты. При этом различают два типа таких аккумуляторов. К первому типу относятся те, температура которых в результате подвода теплоты возрастает, ко второму — те, в которых подводимая теплота затрачивается на какой-либо фазовый переход — чаще всего плавление. В первом случае удельная энергия аккумулятора определяется теплоемкостью аккумулирующего вещества и допустимым изменением его температуры, а во втором — скрытой теплотой фазового перехода.
Аккумулирование теплоты в ряде случаев оказывается весьма желательным. Прежде всего здесь речь идет о таких возобновляемых источниках энергии, которые непостоянны во времени по самому своему существу. Например, использование солнечной энергии для целей отопления практически невозможно без использования аккумуляции теплоты — аккумулятор нагревается, когда солнечная радиация есть, и отдает теплоту, когда ее нет. Кроме того, аккумуляция теплоты может рассматриваться как средство выравнивания графика энергопотребления. Особенно это существенно для атомных электростанций. Атомный реактор должен по возможности работать в стационарных условиях в режиме номинальной расчетной нагрузки. При уменьшении электропотребления избыточную теплоту, выделяемую реактором, можно запасать, чтобы отдать ее, когда энергопотребление вновь возрастет.
Вид, конструкция и стоимость тепловых аккумуляторов существенно зависят от желаемой длительности хранения теплоты. Дело в том, что, как уже отмечалось, энергетическая ценность теплоты зависит от температуры, при которой она может быть отдана. Поэтому хранить теплоту следует при максимально высокой температуре, по возможности близкой к температуре того источника теплоты, энергию которого желательно аккумулировать. Всякое тело, имеющее температуру, превышающую температуру окружающей среды, теряет теплоту, сколь бы совершенной ни была его изоляция. Но улучшение тепловой изоляции, разумеется уменьшает интенсивность тепловых потерь, а значит, увеличивает возможную длительность хранения запасенной энергии.
В общем случае теплота от всякого тела теряется тремя путями: теплопроводностью, конвекцией (т. е. за счет движения жидкости или газа, омывающих охлаждаемое тело) и излучением. Потери теплоты теплопроводностью уменьшают, применяя тепловую изоляцию, т. е. вещества, обладающие низкой теплопроводностью. Сегодня существуют весьма совершенные виды тепловой изоляции на основе волокнистых и вспененных Материалов, теплопроводность которых составляет всего 0,03—0,04 Вт/(м-К), что в 10—15 раз меньше теплопроводности воды и лишь немногим больше теплопроводности воздуха. Однако при увеличении температуры изоляционные свойства этих материалов, как правило, ухудшаются за счет вклада теплового излучения, которое возрастает пропорционально четвертой степени температуры.
Наиболее совершенной, хотя и достаточно дорогой тепловой изоляцией является экранно-вакуумная изоляция, в которой теплопроводность практически отсутствует, поскольку точки соприкосновения экранов очень немногочисленны, конвекция исключена за счет вакуума, а излучение уменьшено за счет последовательных экранов, которые уменьшают лучистый тепловой поток во столько раз, каково их число. Частным случаем такой экранно-вакуумной изоляции является система, применяемая в бытовых стеклянных термосах, которые, как известно, могут сохранять температуру налитой в них жидкости в течение многих часов, а иногда и суток.
Говоря о тепловых потерях и возможной длительности хранения теплоты, следует иметь в виду масштабный фактор. Дело в том, что всякий тепловой аккумулятор хранит теплоту во всем своем объеме, а теряет ее со своей внешней поверхности. Поэтому при прочих равных условиях тепловые потери, отнесенные к единице объема аккумулятора, а именно они определяют «качество» хранения теплоты, будут обратно пропорциональны линейному размеру аккумулятора1. Это означает, что для очень больших аккумуляторов эти удельные потери могут оказаться весьма небольшими.
Рассмотрим, например, аккумулятор емкостью 1 м3, в котором хранится вода, нагретая до 80°С при температуре в помещении 20°С. Пусть аккумулятор окружен изоляцией теплопроводностью 0,08 Вт/1(м-К) толщиной 10 см, тогда с 1 м2 его внешней поверхности потери теплоты составят около 60 Вт/м2,
со всей поверхности аккумулятора (в предположении шаровой формы) примерно 250 Вт. Это означает, что, например, за сутки аккумулятор потеряет 22 660 кДж теплоты, в результате чего температура воды в нем упадет примерно на 5°С. Или, иными словами, за сутки аккумулятор потеряет около 8% запасенной теплоты, не говоря уже о том, что качество этой теплоты (температура) снизится. Если же аккумулятор имел бы объем 1000 м3, то при той же изоляции падение температуры за сутки составило бы всего 0,5°С, что соответствовало бы потерям 0,8% запасенной теплоты.
В связи со сложностью создания совершенной тепловой изоляции, а также отсутствием опыта сооружения очень больших тепловых аккумуляторов сегодня речь идет, в основном, о суточном или в крайнем случае недельном аккумулировании теплоты. Для отопительных установок, использующих солнечную энергию, очень заманчивым было бы сезонное хранение теплоты. Исследования в этом направлении ведутся, но пока они не достигли стадии внедрения.
Как уже отмечалось, тепловые аккумуляторы бывают с переменной и постоянной температурами. В аккумуляторах с переменной температурой в качестве рабочего тела используются твердые тела или жидкости. Обычно допустимое изменение температуры Δί в аккумуляторе является заданным (оно определяется температурой источника теплоты, температурой теплоносителя, необходимой потребителю, и разностями температур, задающими интенсивность теплообмена в периоды зарядки и разрядки аккумулятора). Тогда удельная энергия, запасаемая аккумулятором переменной температуры, кДж/кг, определяется формулой
(6.3) где с — теплоемкость рабочего тела аккумулятора, кДж/(кг-К).
Существуют полуэмпирические законы, в соответствии с которыми в первом приближении может быть оценена теплоемкость.
Закон Дюлонга и Пти устанавливает, что атомная теплоемкость любого атомарного твердого тела при температурах от комнатной и выше постоянна и равна около 25 кДж/(кмоль-К). Закон Коппа и Неймана относится к теплоемкостям твердых многоатомных веществ. В соответствии с этим законом теплоемкость одного моля твердого тела соединения может быть рассчитана как сумма атомных теплоемкостей составляющих его атомов, т. е. в первом приближении равна 25 п кДж/(кмольХ ХК), где п — общее число атомов в молекуле. Закон Дюлонга и Пти выполняется на практике в большинстве случаев достаточно хорошо, закон Коппа и Неймана — намного хуже. Известны значительные отклонения от него, в связи с чем он может применяться лишь для грубых оценок.
Атомная теплоемкость жидкости при оценках принимается обычно равной около 33 кДж/(кмоль-К), а жидких соединений 33 п кДж/(кмоль-К).
Из приведенных законов ясно, что удельная (отнесенная к единице массы) теплоемкость будет тем больше, чем меньше относительная молекулярная масса вещества. Поэтому в качестве рабочих тел тепловых аккумуляторов целесообразно применять легкие твердые тела или жидкости.
Для температур до 100°С весьма удобным теплоаккумулирующим веществом является вода. Она имеет достаточно большую удельную теплоемкость с=4,2 кДж/(кг-К), обладает многими привлекательными эксплуатационными качествами и, что очень важно для больших аккумуляторов, стоит очень дешево. Применение воды при более высоких температурах требует использования сосудов под давлением, что существенно усложняет и удорожает конструкцию.
Интересным типом теплового аккумулятора переменной температуры является аккумулятор из твердого гранулированного материала, например, гравия, щебня, морской гальки. Эти материалы, в основном, состоят из окиси кремния, удельная теплоемкость которого несколько превышает 1 кДж/(кг-К). Такие аккумуляторы могут применяться до температур в несколько сот градусов; в качестве теплоносителя служит воздух или инертные газы. В процессе зарядки горячий воздух продувается через слой аккумулирующего материала, нагревая его, а в процессе разрядки воздух или другой газ прокачивается в обратном направлении и отбирает эту теплоту. Достоинством таких аккумуляторов также являются их простота и дешевизна.
Тепловые аккумуляторы постоянной температуры основаны на том, что при зарядке аккумулятора теплота затрачивается на какой-либо фазовый переход (чаще всего на плавление) рабочего вещества. При отборе теплоты от аккумулятора рабочее вещество опять затвердевает. Такие аккумуляторы имеют по крайней мере два преимущества. Во-первых, они характеризуются большими значениями удельной энергии, чем теплоемкостные аккумуляторы переменной температуры. Во- вторых, разность температур теплоносителя, передающего теплоту потребителю, и источника теплоты, заряжающего аккумулятор, определяется здесь только желаемой интенсивностью теплопередачи, тогда как в первом типе аккумуляторов она в большинстве случаев включает еще само изменение температуры рабочего вещества аккумулятора. Недостатком аккумуляторов постоянной температуры является то, что для каждой задаваемой температуры в них надо использовать новое рабочее вещество, ибо температура плавления любого вещества представляет собой вполне определенное значение.
Из сказанного выше о принципе работы аккумулятора постоянной температуры ясно, что его удельная энергия еак просто равна удельной теплоте фазового перехода (плавления) l:
Для грубой оценки теплоты плавления можно использовать известные эмпирические правила, в соответствии с которыми отношение мольной теплоты плавления к температуре плавления есть постоянная величина для каждого из следующих классов веществ:
для атомарных веществ 
=2-3 ккал/(кмоль-К), или 8,4—12,6 кДж/(кмоль·К);
для неорганических соединений 
=54-7 ккал/(кмоль·К), или 20,9—29,3 кДж/(кмоль·К);
для органических соединений
= 10-5-16 ккал/(кмоль·К), или 41,9—67,0 кДж/(кмоль·К).
Из приведенного правила можно сделать два вывода: чем выше температура плавления вещества, тем выше его теплота плавления; чем меньше относительная молекулярная масса вещества, тем выше его удельная теплота плавления.
Поскольку желаемые температуры в аккумуляторе обычно бывают заданными, при прочих равных условиях более легкое вещество обеспечит меньшую массу аккумулятора на заданное количество запасаемой энергии.
При средних температурах удобными веществами для тепловых аккумуляторов постоянной температуры оказываются различные соли, например поваренная соль плавится при 800°С и имеет теплоту плавления 517 кДж/кг; в связи со своей дешевизной и доступностью она может применяться как рабочее вещество аккумулятора.
Наряду с большой удельной теплотой плавления рабочее вещество теплового аккумулятора должно обладать высокой теплопроводностью как в твердом, так и в жидком состоянии, чтобы ускорить процессы зарядки аккумулятора и извлечения из него теплоты. Если рабочее вещество при плавлении и затвердевании заметно изменяет свой объем, в конструкции аккумулятора должны быть предусмотрены меры для компенсации этих изменений.
В связи со сравнительно низкими удельными энергиями тепловые аккумуляторы могут применяться в основном в стационарных установках. Для всякой транспортной установки тепловой аккумулятор окажется слишком тяжелым.
Вообще транспортировать теплоту, аккумулированную в каком-нибудь веществе, целесообразно только по трубам, да и то на сравнительно небольшие расстояния; например, горячая вода, нагретая до 160—170°С, транспортируется от ТЭЦ к жилым массивам на расстоянии в несколько километров. Более дальний транспорт такой малоконцентрированной энергии оказывается нерентабельным. Сейчас в мире рассматриваются возможности сооружения атомных теплоэлектроцентралей (АТЭЦ). Первая такая АТЭЦ в Билибино, имеющая мощность 48 МВт, сооружена в 1976 г. По условиям радиационной безопасности АТЭЦ должна располагаться на большем удалении от жилых массивов, чем ТЭЦ на органическом топливе. В проектных проработках расстояния от АТЭЦ до потребителей принимаются 15—20, а иногда и более километров. Транспорт теплоты (горячей воды) на такие расстояния оказывается рентабельным только при очень больших потоках теплоты, при использовании труб больших диаметров. Возможно, что создание АТЭЦ потребует повышения температуры воды и некоторых изменений схемы теплоснабжения.
