Аккумулирование со скользящим давлением

Аккумулирование при переменном давлении с разрядкой насыщенным паром осуществляется с использованием разрядной линии 4 (Рис. 3.). Резервуаром аккумулятора обычно служит теплоизолированный сосуд под давлением. Вода в состоянии насыщения занимает 75-95% объема, остальная часть занята паровой подушкой.

Разрядка осуществляется открытием клапана на разрядной линии. При этом насыщенный или влажный пар с небольшим (до 1%) содержанием жидкости покидает резервуар. Высокая энтальпия пара при этом удерживает жидкость от испарения. Зарядка производится продувкой насыщенного или перегретого пара несколько более высокого давления через жидкость, вследствие чего в резервуаре возникает циркуляция. Также можно проводить зарядку через теплообменную поверхность с использованием пара, имеющего более высокую температуру, чем жидкость.

К достоинствам этой системы относятся быстрота подготовки к работе, сравнительно низкие капиталовложения и зарядка паром.

 

Тепловое аккумулирование в паровой подушке

Этот тип аккумулирования используется в катапультах самолетов, базирующихся на авианосцах. Отличие от предыдущей системы в том, что в начальный момент резервуар целиком заполнен паром и разрядка происходит с гораздо большей скоростью. Если пар насыщенный, то при разрядке часть его конденсируется, образуя небольшой объем воды. Еще одно отличие состоит в том, что часть тепла поглощается стенками резервуара и при разрядке возвращается не полностью, поэтому тепловое равновесие между стенками и паром не достигается.

Тепловое аккумулирование с расширением

Объем пара в такой системе может быть либо таким же, как в системе со скользящим давлением, либо меньшим. Разрядка в данном случае осуществляется горячей водой под давлением по линии 7 (Рис. 3.), при этом объем пара увеличивается, в том числе и за счет частичного испарения воды, что, в свою очередь, ведет к некоторому снижению давления.

Зарядка может проводиться за счет подачи горячей воды под давлением (по линии 8), которая в начальный период времени испаряется, либо одновременно недогретой горячей водой по линии 10 и паром по линии 11.

Системы аккумулирования такого типа использовались в ракетах (водяной ракетный двигатель стартового ускорителя истребителя М-262, двигатель почтовой и метеорологической ракет), в эжекторах сверхзвуковых аэродинамических труб периодического действия и в нагнетателях замкнутых системы горячей воды. Кроме того, были предложены способы применения таких систем для перегрева аккумулированного пара в очень больших резервуарах давления ввиду низкого перепада температур при зарядке и разрядке.

 

Косвенное аккумулирование со скользящим давлением

При таком способе аккумулирования масса и объем аккумулирующей среды остаются постоянными. Разрядка и зарядка осуществляется путем подвода и отвода тепла через теплообменные поверхности 6 и 9 (Рис. 3.). Аккумулирующая среда – вода и пар в состоянии теплового равновесия. В момент разрядки, однако, это равновесие нарушается, и паровая подушка действует скорее как поршень, особенно при большой скорости разрядки.

 

Аккумулирование посредством сжатого газа

Основное отличие от систем аккумулирования с паровой подушкой заключается в том, что здесь используется только газ, то есть однофазная среда. Отводимый при разрядке газ имеет то же состояние, что и газ, остающийся в системе.

Применение таких систем аккумулирования может быть самым различным: от стальных сосудов объемом в несколько кубометров на выходе компрессорных установок до подземных систем аккумулирования сжатого воздуха объемом более 100 000 м³, используемых для покрытия пиковых нагрузок газовых турбин.

 

Тепловое аккумулирование с использованием недогретых

Жидкостей под давлением

Поддерживая давление среды выше или температуру ниже уровня насыщения ("поддавливание" или "недогрев"), можно предотвратить кипение аккумулирующей среды. Давление при этом поддерживается постоянным. "Поддавливание" можно осуществить атмосферным давлением при аккумулировании с использованием горячей воды при температуре ниже 100°С или высококипящих жидкостей, закачкой инертного газа под давлением или применением двухфазного нагнетателя, поддерживающего давление в паровой подушке за счет испарения части жидкости или конденсации части пара. Емкость аккумулятора в данном случае определяется в основном изменением энтальпии жидкой фазы.

В качестве примеров использования таких систем аккумулирования можно привести системы для нагрева питающей воды на тепловых электростанциях, системы с горячей нефтью и расплавленными солями в солнечных электростанциях, водяные системы аккумулирования в районных теплосетях.

Такие аккумуляторы в основном работают в диапазоне средних и высоких температур. При низких температурах, то есть при отношении температур аккумулятора и окружающей среды 0,2 и меньше, емкость аккумулятора возрастает, но при этом возникает потребность в использовании тепловых насосов, специальных рабочих тел и относительно дорогого оборудования. Схема теплового аккумулятора, в котором в качестве теплоаккумулирующей среды используется недогретая жидкость под давлением приведена на рисунке 4.

 

Рис. 4. Аккумулятор постоянного давления.

1 – сосуд давления, 2 – жидкая аккумулирующая среда, 3 – система наддува,

4 – верхняя линия зарядки/разрядки, 5 – нижняя линия зарядки/разрядки,

6 – поверхность разрядного теплообменника, 7 – поверхность зарядного теплообменника, 8 – верхняя зарядная линия горячей воды, 9 – внутреннее

оборудование.

Рис. 5. Типы тепловых аккумуляторов с использованием

недогретых жидкостей под давлением.

а – горячий и холодный сосуды, б – полевой вариант, в – система со скользящей температурой, государство – аккумулирование с вытеснением.

1 – горячий сосуд, 2 – горячая линия, 3 – потребитель, 4 – холодная линия, 5 – насос для зарядки, 6 – холодный сосуд, 7 – сосуд с переменной температурой.

Возможны следующие типы систем аккумулирования с использованием недогретых жидкостей под давлением (Рис. 5.):

а) Горячая (заряженная) и холодная (разряженная) аккумулирующие среды находятся в отдельных сосудах, каждый из которых рассчитан на полную рабочую массу аккумулирующего вещества. Переходные термические напряжения и потери от смешения исключены.

б) Схема аналогична предыдущей. Разница в том, что горячая вода содержится во всех сосудах, кроме последнего, который не содержит воды вообще. В процессе разрядки горячая жидкость из первого сосуда охлаждается и накапливается во втором, из второго в третьем и т.д. до тех пор, пока последний сосуд не заполнится холодной водой, а первый не останется пустым. Объем сосудов в данном случае меньше, но могут возникать переходные термические напряжения, хотя при низких давлениях и небольшой толщине стенок они почти не оказывают влияния на процесс теплоотдачи.

в) Температура жидкости повышается в процессе зарядки и понижается при разрядке. В сосуде может быть установлен теплообменник, либо жидкость может закачиваться в сосуд и забираться из него.

г) Горячая и холодная жидкости находятся в одном сосуде. Горячая жидкость, имеющая меньшую плотность, скапливается в верхней части сосуда, а холодная – в нижней. Вследствие теплопроводности воды и стенок сосуда, а также турбулизации при зарядке и разрядке будет формироваться зона смешения, которая с одной стороны приводит к потерям тепла, а с другой уменьшает переходные температурные напряжения в стенках сосуда. Данный тип аккумулятора лучше использовать для работы с большой цикличностью зарядки и разрядки.