Применение термохимического аккумулирования перспективно. Такие ТАМ позволяют обеспечить высокую плотность аккумулирования энергии, а также работу аккумулятора в режиме теплового насоса или трансформатора.
Использование термохимических процессов для накопления и превращения теплоты основывается на принципе возникновения химического потенциала вследствие обратимой химической реакции в неравновесном состоянии [16, 17].
Основные показатели теплоаккумулирующих материалов с фазовым переходом приведены в табл. 6.3.
Работа термохимического аккумулирования основывается на получении пара при температуре Т на этапе зарядки и его конденсации при температуре Т2 на этапе разрядки.
Теоретически термохимический процесс аккумулирования обратим. В реальных условиях вследствие неизбежных потерь эффективность этих аккумуляторов снижается и действительная вырабатываемая температура Т' ниже зарядной Т .
Повышение КПД термохимических аккумуляторов достигается использованием тепловых аккумуляторов традиционных типов для накопления теплоты, выделившейся в процессе зарядки, которая используется в процессе разрядки, и наоборот.
В термохимических аккумуляторах теплоты применяют ТА нескольких типов. В некоторых из них для аккумуляции теплоты используются газовые гидраты (клатраты), а именно: фреоны, метилбромид, этил, диоксид углерода [18].
Таблица 6.3. Характеристики ТАМ с фазовым переходом
Образование (разложение) газовых гидратов происходит в процессе обратимой реакции
(6.75)
Разложение гидратов происходит в диапазоне температур 0...18 °C, что указывает на возможность аккумулировать энергию для установок охлаждения и кондиционирования.
Основные характеристики наиболее используемых газовых гидратов приведены в табл. 6.4.
Показатели клатратных систем и, в первую очередь, скрытая теплота преобразования, примерно равны системе лед— вода, имеющих малую массу. В конструктивном отношении аккумуляторы на базе клатратных систем просты. Вместе с тем необходимо подчеркнуть, что использование клатратов на основе фреона не безопасно в экологическом отношении.
В табл. 6.5 приведены характеристики кристаллогидратов, а в табл. 6.6 — на базе органических соединений.
Проанализируем процессы, имеющие место в ходе фазовых превращений при аккумулировании теплоты.
Основные требования, которые предъявляются к обратимым химическим реакциям, используемым для накопления теплоты, следующие: температура инверсии Т должна соответствовать температуре процесса реакции; плотность энергии должна быть не менее 250 кДж/кг или 18 МДж/л; компоненты реакции должны быть неагрессивными к конструктивным материалам. Хорошие энергетические показатели имеют реакции разложения следующих материалов: карбонат кальция, сульфата железа, триоксида серы и их комбинации.
К термическим аккумуляторам откосятся цеолиты, т.е. аллюминиево-силикатные гидраты щелочных или щелочноземельных материалов, принадлежащих к классу тектосиликатов. Цеолиты имеют кристаллическую структуру с трехмерной пористостью, что обеспечивает им хорошее поглощение газов и жидкостей.
Таблица 6.4. Свойства некоторых газовых гидратов
Гидратирующее вещество | Температура кипения, °C | Структура | Плотность гидрата, кг/м3 | Эвтектика с водой | Разложение | Теплота образования гидрата | |||
t, С | р, МПа | t, С | р, МПа | кДж/моль | кДж/кг | ||||
Этан | -88,5 | I | — | — | — | 14,5 | 1,355 | 63,28 | 510,6 |
Диоксид углерода | -79,0 | I | 1100 | -1,48 | 1,056 | 10,0 | 4,573 | 60,32 | 408,8 |
R22 | -40,7 | I | 1100 | -0,15 | 0,0912 | 16,3 | 0,840 | 85,46 | 380,4 |
R31 | -9,0 | 11 | 1180 | -0,20 | 0,0229 | 17,8 | 0,290 | 88,39 | 426,9 |
Метил бромид | 3,3 | I. | 1300 | -0,24 | 0,0245 | 14,5 | 0,154 | 81,69 | 350,6 |
Пропан | -45 | II | 880 | 0 | 0,176 | 5,7 | 0,561 | 134,0 | 382,5 |
R11 | 23,8 | II | 1150 | -0,10 | 0,0077 | 6,5 | 0,056 | 148,3 | 334,7 |
R12 | -29,2 | II | 1150 | -0,10 | 0,0367 | 11,8 | 0,453 | 126,1 | 295,7 |
R21 | 8,9 | II | 1050 | -0,13 | 0,0149 | 8,7 | 0,103 | 137,8 | 336,8 |
Таблица 6.6. Основные параметры теплоаккумулирующих материалов (органические соединения)
Рис. 6.13. Система аккумулирования и трансформирования теплоты на основе цеолита:
а — тепловой аккумулятор или тепловой насос; б — теплотрансформатор; 1 — емкость с цеолитом; 2 — конденсаторы; 3 — баки с водой; 4 — испарители; 5 — встроенные теплообменники; 6 — клапан; 7 — насос
Аккумулирование или выделение энергии в цеолитах происходит в результате процессов десорбции-адсорбции воды из цеолита. Основы принципа аккумулирования теплоты на основе цеолита реализуются в виде теплового насоса или термотрансформатора [19, 20].
Аккумулирование или выделение теплоты в цеолитовом тепловом аккумуляторе сопровождается изменением давления, отводом теплоты в конденсаторе и подводом его в испаритель. В качестве адсорбентов предпочтительно использовать: оксиды алюминия в форме моногеля, активированный уголь, силикагель и алюминосиликаты на основе натрия и кальция.
На рис. 6.13 приведены схемы аккумулирования теплоты с использованием цеолита [1].
Использование цеолито- вого теплового насоса позволяет обеспечить максимальный коэффициент преобразования теплоты, равный двум. Источником энергии для них могут быть солнечная энергия или тепло окружающей среды [22].
Заслуживают внимания новые разработки по аккумулированию энергии. Предложена новая теория возникновения безводных ТАМ и на ее основе разработаны новые эффективные теплоаккумулирующие материалы с высокими удельными энергетическими и стабильными физико-химическими характеристиками с широким диапазоном рабочих температур [21].
В состав теплоаккумулирующих смесей входят двойные и тройные эвтектические смеси нитратов щелочных материалов с добавками ацетамида (АА) или карбамида (КА) в разном процентном соотношении (табл. 6.7). Все предложенные ТАМ выдержали более 2000 циклов зарядки-разрядки, изменения их физико-химических характеристик при этом не наблюдалось.
Таблица 6.7. Характеристики ТАМ
В результате проведенных исследований на коррозионную стойкость оборудования в новых теплоаккумулирующих средах определено, что предложенные конструкционные материалы (МО, Д16; АМГ-7 М, АМЦ, Ст 3, 15 ХН) достаточно стойкие в сплавах теплоаккумулирующих смесей.
На основе теплоаккумулирующих и конструкционных материалов создан ряд оригинальных тепловых аккумуляторов для работы в энергосистемах с возобновляемыми источниками энергии.
Разработан и создан многослоевой теплоаккумулятор суммарной энергоемкостью 45 кВт-ч, предназначенный для аккумулирования солнечной энергии днем и избыточной электрической энергии ночью [23].
В конструкции теплоаккумулятора (рис. 6.14) заложен принцип стенки Тромба, идея которого в следующем: разная температура плавления теплоаккумулирующих веществ в отсеках, уменьшаясь в направлении жилого помещения, определяет скорость теплопередачи между отсеками.
Рис. 6.14. Схема теплоаккумулятора на основе фазовых превращений
Результаты исследований теплоэлектроаккумулятора как конструкционного элемента жилого дома показали эффективность его использования в комбинированном режиме с совмещением двух источников энергообеспечения: электрического и солнечного. Более совершенная конструкция с использованием в качестве источника солнечного коллектора приведена в работе [22].
