Среды, аккумулирующие теплоту

Аккумулирование явной теплоты. Бак с горячей водой, используемый в большинстве домов в качестве аккумулятора теплоты, может также применяться в промышленных зданиях.

Таблица 8.3. Свойства сред, аккумулирующих теплоту [8.0]

Основное преимущество использования для аккумулирования теплоты воды состоит в том, что не требуется теплообменника (за исключением тех случаей, когда необходимо отдавать.теплоту в систему циркуляции горячего воздуха). Здесь теплоноситель и аккумулятор теплоты совмещены в одной среде. Баки-аккумуляторы для жидкости могут быть различных размеров, и эту систему сравнительно просто выпол- • нить.              .              .

Такой бак можно использовать и для накопления сбросной теплоты. В промышленности можно в таких аккумуляторах как накапливать пар, так и использовать его для нагрева воды. При использовании водяных баков-аккумуляторов важную роль играет система контроля и регулирования. В бак не следует подавать холодную воду, потому что холодная вода сразу же опускается вниз, вытесняя горячую воду наверх, и с температурного датчика поступает сигнал для включения парового обогрева.

Управление General Electricity Generating Board провело исследование по аккумулированию явной теплоты с целью обеспечения работы электростанции при постоянной тепловой мощности независимо от электрической нагрузки, а также быстрого удовлетворения колебания нагрузки [8.8]. В данном исследовании в качестве среды, аккумулирующей теплоту, была рассмотрена главным образом вода, а также жидкий натрий (вместе с ядерным реактором на быстрых нейтронах). В результате исследований пришли к выводу, что вода является экономически выгодной средой для аккумулирования теплоты для электростанций, а от натрия следует отказаться из-за высокой стоимости его в настоящее время.

Обычное явление в отопительных системах — аккумулирование теплоты в твердой среде. Недавно комиссией Electricity Council было проведено исследование [8.9] твердых и жидких сред (табл. 8.3), которые можно применять при более высоких температурах, чем получить в системах аккумулирования воды.

Для этой цели можно было бы применять расплавы солей и алюминия..Однако ограничения по безопасности заставили отказаться от них в настоящее время несмотря на их относительно низкую массу, приемлемую стоимость и высокую аккумулирующую способность.

Из имеющихся твердых сред наилучшими материалами для аккумулирования теплоты являются керамические и сплавы на основе чугуна. Однако максимальная рабочая температура определяется другими факторами, такими как характеристики теплоизоляции и срок службы нагреваемой среды; отвод теплоты также зависит от теплопроводности материала кожуха.

Эта система была впервые применена в промышленных масштабах и уже работает в течение нескольких лет на заводе по производству ал- кидной смолы.

Алкиднук) смолу, основной ингредиент лаков, получают в герметичных котлах из нержавеющей стали. Эта демонстрационная установка, построенная для системы аккумулирования теплоты, имеет вместимость 1,6 м8 и максимальную рабочую температуру 260 °С. Нагрев начинается сразу же после загрузки реагентов в котел и продолжается до достижения заданной рабочей температуры. Скорость повышения температуры смолы 1 °С/мин. Мощность в начале процесса нагрева составляет около 190 кВт и постепенно снижается по мере снижения температуры аккумулирующей среды и повышения температуры смолы. Затем температура в котле поддерживается на постоянном уровне, для того чтобы произошли необходимые реакции и возврат флегмы. Необходимая для процесса теплота аккумулируется в 7000 кг специальных чугунных блоков, выдерживающих высокую температуру. Этот аккумулятор при пористости около 30% имеет внутреннюю поверхность теплопередачи площадью 32 м2. Аккумулятор (рис. 8.4) нагревают ночью от источника мощностью 80 кВт в течение 7,5 ч для накопления теплоты в количестве около 2 ГДж. Днем эта теплота передается циркулирующим по замкнутой системе воздухом от аккумулятора теплоты к технологическим аппаратам. Температура смолы быстро регулируется в пределах ± 1,5 °С от заданной рабочей температуры с помощью включения или выключения вентилятора. Весь процесс длится 8—10 ч.

Было определено, что капитальные затраты на систему аккумулирования теплоты на установке по производству смолы такие же, как на установку, работающую на жидком топливе, и эксплуатационные расходы на литр продукта такие же, как для жидкого топлива или немного ниже, хотя система, работающая на газовом топливе, имела бы более низкую первоначальную стоимость (70% стоимости системы аккумулирования теплоты), эксплуатационные расходы были бы на 50% выше, чем для новой системы.

Среды, аккумулирующие теплоту плавления. Так же как в методах аккумулирования явной теплоты, рассмотренных в предыдущем разделе, зарядная емкость сред, аккумулирующих теплоту плавления или скрытую теплоту, зависит от объема. В последнем случае объем зависит от скрытой теплоты плавления применяемого материала. В отличие от системы аккумулирования явной теплоты среда, аккумулирующая теплоту плавления, отдает или поглощает теплоту при постоянной или почти постоянной температуре. Однако для этого она должна менять свою фазу. При получении теплоты материал плавится и отдает теплоту при повторном затвердевании. Скрытая теплота плавления материала в принципе позволяет получить в единице объема больший заряд теплоты, чем явная. Типичные характеристики различных сред приведены в табл. 8.4.

Несмотря .на высокую теплоаккумулирующую способность материалов этого типа, имеется несколько недостатков, связанных с их применением, которые делают менее целесообразным их применение, по крайней мере, в ближайшем будущем, в промышленных масштабах. При-

Рнс. 8.4. Аккумулятор теплоты на установке по производству смол:

/ — теплоизоляция фирмы Rockwell! Я — вход; 3 — корпус камеры; 4 — огнеупорные блоки; 5 — каналы для нагревательных элементов; 6 — блоки аккумуляторы теплоты; 7 — проходы для воздуха; 8— коллектор; 9 — цоколь) 10 — стальной корпус

веденные в табл. 8.4 материалы имеют довольно ограниченную рабочую температуру, что делает их более пригодными для систем отопления жилых зданий, хотя возможно их применение вместе с тепловыми насосами. Для промышленного применения был предложен сульфид германия, имеющий температуру эвтектики 590 °С [8.12]. К сожалению, германий в настоящее время стоит очень дорого, но регенерация его из летучей золы в промышленных масштабах могла бы сделать такую систему более конкурентоспособной.

Одной из наиболее сложных проблем при проектировании аккумулирующей системы этого типа является объединение ее с теплообменником. Приведенные в табл. 8.4 материалы расширяются при плавлении и имеют положительный коэффициент расширения в жидкой фазе. Материал этого типа трудно использовать для передачи теплоты в емкость, поскольку жидкость находится над твердой фазой и сама горячая жидкость — в верхнем слое. Расположение теплообменника сверху было бы нежелательно, поскольку конвекция не способствовала бы теплопередаче, а переход теплоты вниз в материал с твердой фазой шел бы очень медленно. Расположение теплообменника в твердой фазе мот- 196

ло бы создать проблемы, связанные с напряжением, возникающим при изменении объема при плавлении.

В [8.121 высказано мнение, что применение полупроводниковых материалов, для многих из которых характерно уменьшение объема при плавлении, могло бы устранитьэту проблему. Твердая фаза будет находиться над жидкой фазой, и если расположить теплообменник внизу аккумулятора, то конвекция могла бы способствовать и подаче, и отводу теплоты.