ТИПЫ ТЕПЛОВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ. ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА
6.2.1. Тепловые аккумуляторы с твердым теплоаккумулирующим материалом
Тепловые аккумуляторы с твердым теплоаккумулирующим материалом (ТАМ) — одни из наиболее распространенных в сельскохозяйственной энергетике.
Различают два типа аккумуляторов: с неподвижной или подвижной матрицами. Первый тип имеет более простую конструкцию, но требует больших масс аккумулирующего материала. В аккумуляторах с пористой матрицей в качестве ТАМ используют щебень, феолит (железная руда), остатки строительных материалов. Такие тепловые материалы чаще всего применяют в системах теплоснабжения (пассивных или активных) с воздушным теплоносителем.
При зарядке горячий газ или воздух подается в верхнюю часть ТА и, охлаждаясь, опускается в нижнюю его часть. При разрядке холодный газ подается в нижнюю часть теплового аккумулятора, нагревается от ТАМ и выходит из верхней его части. Тепловые аккумуляторы с пористой матрицей проектируют и изготовляют с минимальным гидравлическим сопротивлением с тем, чтобы осуществлялся свободно-конвективный перенос газа в аккумуляторе. При значительном сопротивлении среды аккумулятора для перемещения теплоносителя используется вентилятор.
Возможные схемы теплоснабжения ферм с использованием аккумулятора показаны на рис. 6.1.
На рис. 6.2 приведены простейшие схемы гелиосистемы отопления помещения, в которой солнечный коллектор объединен с аккумулятором теплоты [1]. Схемы солнечной системы хладоснабжения с аккумулятором теплоты изображены на рис. 6.3.
Для использования внепиковой энергии в системах электротеплоснабжения применяют канальные тепловые аккумуляторы. В качестве теплоаккумулирующего материала используют шамот, огнеупорный кирпич, железобетонные плиты и т.п. В период минимального потребления электроэнергии ТАМ нагревается, что содействует выравниванию графика нагрузки электростанции. При прохождении воздуха через матрицу ТА он нагревается и направляется на обогрев помещений. В качестве аккумулятора теплоты может служить грунт.
Рис. 6.1. Схемы теплоснабжения ферм
с использованием теплового аккумулятора:
а, б — со стабилизирующим котлом и дублированием тепловым аккумулятором; в — при использовании внепиковой энергии; 1 — котел; 2 — тепловой аккумулятор; 3 — теплообменник обогрева
Рис. 6.2. Схемы основных типов системы солнечного теплоснабжения с ТА:
а — сезонная; б — с дублирующим источником; в, г — с тепловым насосом; д — с совместной аккумуляцией теплоты и холода; 1 — солнечные панели; 2 — водяные ТА; 3 — промежуточные теплообменники; 4 — циркуляционные насосы; 5 — резервные подогреватели; 6 — тепловые насосы; 7 — ТА фазового перехода; 8 — аккумулятор низкопотенциальной теплоты
Подземные аккумуляторы теплоты могут быть с вертикальными или горизонтальными трубами и используются, как правило, для аккумуляции теплоты в течение нескольких месяцев.
Тепловые аккумуляторы с подвижной матрицей выполняют в виде вращающегося регенератора и применяют в устройствах регенерации теплоты; они обеспечивают постоянную температуру газа на выходе.
При отдаленности потребителя от источника теплоты аккумуляторы можно устанавливать на соединяющих их теплопроводах (рис. 6.4).
Рис. 6.3. Схемы системы солнечного хладоснабжения с ТА (холодильной машины):
а — непрерывного действия; б, в — периодического действия; 1 — солнечные коллекторы; 2 — ТА; 3 — теплоиспользующие холодильные машины; 4 — теплообменники; 5 — трехходовой клапан;
6 — ТА фазового перехода
Рис 6.4. Схема установки аккумулирования теплоты в протяженном трубопроводе:
1 — источник теплоты; 2 — насос линии подачи; 3 — насос обратной линии; 4 — линия подачи; 5 — обратная линия; 6 — потребители теплоты; 7 — зарядный насос; 8 — разрядный насос; 9 — смесители
Одновременное использование нескольких тепловых аккумуляторов позволяет уменьшить амплитуду колебаний температуры теплоносителя.
Основными характеристиками тепловых аккумуляторов являются степень аккумулированной энергии, равная отношению количества теплоты, переданной газу, к максимальному количеству аккумулированной теплоты, и коэффициент эффективности регенерации теплоты, равный отношению количества теплоты, переданной холодному газу, к количеству теплоты, отданной горячим газом.
Преимущества систем аккумулирования, основанных на использовании физической теплоты материалов, следующие: могут быть применены в широких пределах изменения температур;
могут быть использованы как для кратковременного, так и для длительного аккумулирования;
теплоаккумулирующие материалы, как правило, недорогие; могут быть применены природные и геологические формации.
В табл. 6.1 приведены технические характеристики ТАМ (при неизменном агрегатном состоянии).
Для определения характеристик ТА с косвенным аккумулированием целесообразно использовать методы математического моделирования.
Система уравнений, описывающих процессы переноса теплоты в аккумуляторе, в общем случае состоит из уравнений энергии для ТАМ, стенки и жидкости, а также уравнений движения и неразрывности для жидкости, дополненных системой начальных и граничных условий на границах раздела фаз [1]
Использование понятия эффективной теплоемкости (учитывающей теплоту процессов фазовых переходов или химических реакций) позволяет описывать этой системой уравнений процессы в ТА с твердым, плавящимся ТАМ и ТАМ, использующим энергию химических связей.
Решение системы уравнений, описывающей процессы в ТА, возможно только в частных случаях и при использовании существенных допущений.
Зная распределение температуры в объеме ТА, можно определить изменение температуры теплоносителя на выходе из ТА и эффективность аккумулирования теплоты как отношение действительного запаса теплоты к максимальному.
