Применение аккумуляторов теплоты

Одним из направлений повышения эффективности теплогенери- рующих установок является аккумулирование тепла и его использова- ние в системах теплоснабжения при «пиковой» тепловой нагрузке.

В настоящее время известно большое многообразие видов и конст- рукций тепловых аккумуляторов с разными теплоаккумулирующими материалами (ТАМ), обусловленное широким спектром областей при- менения аккумуляторов тепла. Множество методов и способов аккуму- лирования приводит к различным техническим и конструктивным ре- шениям (рис. 2.6.1):

• тепловые аккумуляторы с твердым ТАМ;

• тепловые аккумуляторы с плавящимися ТАМ;

• жидкостные аккумуляторы тепла;

• паровые аккумуляторы тепла;

• термохимические аккумуляторы;

• тепловые аккумуляторы с электронагревательным элементом. Традиционно рассматриваются тепловые аккумуляторы с непод-

вижной или подвижной матрицами. Использование неподвижной мат- рицы обеспечивает простоту конструкции, но требует больших масс ТАМ. Кроме этого, температура теплоносителя на выходе из аккумуля- тора изменяется в течение времени, что требует дополнительной систе- мы поддержания постоянных параметров путем перепуска.

Канальные тепловые аккумуляторы широко применяются в систе- мах электро- и теплоснабжения, использующих внепиковую энергию. Теплоаккумулирующий материал (шамот, огнеупорный кирпич и т. п.) нагреваете в периоды минимального потребления электроэнергии, что позволяет выравнивать графики загрузки электростанций. Пропуская холодный воздух через матрицу можно осуществлять обогрев помеще- ний. Аккумуляторы данного типа производятся за рубежом серийно для индивидуальных и малосемейных домов.

Особым типом канальных тепловых аккумуляторов с твердым ТАМ являются тепловые графитовые аккумуляторы, используемые в качестве источника энергии в автономных энергоустановках. Темпера- тура их нагрева может достигать 3500 K, что обеспечивает приемлемые массогабаритные характеристики установки.

Подземные аккумуляторы тепла с горизонтальными каналами при- меняются для аккумуляции тепла и его использования в течение 2–4-х месяцев.

 

 

Рис. 2.6.1. Основные типы тепловых аккумуляторов с твердым теплоаккумулирующим материалом:

а – с пористой матрицей; б, в – канальные; г, д – подземные с вертикальными и горизонтальными каналами; е – в водоносном горизонте;

1 – вход теплоносителя; 2 – теплоизоляция; 3 – разделительная решетка;

4 – ТАМ; 5 – выход теплоносителя; 6 – разделение потоков; 7 – водоносный слой; 8 – водонепроницаемый слой

 

Аккумуляторы тепла в водоносных горизонтах применяются для аккумуляции тепла, достаточного для теплоснабжения небольшого по- селка в течение года. Здесь в качестве ТАМ используется водопрони- цаемый слой земли, в который в режиме заряда через скважину закачи- вается горячая вода, а в режиме разряда через другую скважину – хо- лодная. Из-за отсутствия поверхностей теплообмена данный тип тепло- вых аккумуляторов обеспечивает наилучшие экономические характери- стики среди подземных аккумуляторов тепла. Очевидно, что их недос- татками являются сложность проектирования для водоносного горизон- та и большие энергетические затраты на прокачку теплоносителя.

Использование подвижной матрицы предполагает применение теп- ловых аккумуляторов, как правило, в виде вращающегося регенератора, устройств с падающими шарами и т. п. Они используются в аппаратах регенерации тепловой энергии и из-за малой продолжительности рабо- чего цикла имеют небольшие конструктивные размеры. Для тепловых аккумуляторов с подвижной матрицей характерна постоянная темпера- тура газа на выходе.

При использовании теплоты плавления некоторых веществ для ак- кумулирования теплоты обеспечивается высокая плотность запасаемой энергии, небольшие перепады температур и стабильная температура на выходе из теплового аккумулятора. Несмотря на это, большинство ТАМ в расплавленном состоянии являются коррозионно-активными вещест- вами, в большинстве своем имеют низкий коэффициент теплопроводно- сти, изменяют объем при плавлении и относительно дороги. В настоя- щее время известен достаточно широкий спектр веществ, обеспечи- вающих температуру аккумуляции от 0 до 1400 °С. Необходимо отме- тить, что широкое применение тепловых аккумуляторов с плавящимся ТАМ сдерживается, прежде всего, соображениями экономичности соз- даваемых установок.

При небольших рабочих температурах (до 120 °С) рекомендуется применение кристаллогидратов неорганических солей, что связано, в первую очередь, с использованием в качестве ТАМ природных веществ. Для реального применения рассматриваются только вещества, не разла- гающиеся при плавлении, либо растворяющиеся в избыточной воде, входящей в состав ТАМ.

Использование органических веществ полностью снимает вопросы коррозионного разрушения корпуса, обеспечивает высокие плотности запасаемой энергии, достаточно хорошие технико-экономические пока- затели. Однако в процессе работы теплового аккумулятора с органиче- скими ТАМ происходит снижение теплоты плавления вследствие раз- рушения протяженных цепочек молекул полимера. Из-за низкого коэф- фициента теплопроводности органических ТАМ требуется создание и применение развитых поверхностей теплообмена, что, в свою очередь, накладывает конструктивные ограничения на использование теплового аккумулятора.

При рабочих температурах от 500 до 1600 °C используются, как правило, соединения и сплавы щелочных и щелочноземельных метал- лов. Существенным недостатком применения соединений металлов принято считать низкий коэффициент теплопроводности, коррозионную активность, изменение объема при плавлении. Для защиты от химиче- ской коррозии, очевидно, необходимо подобрать конструкционные ма-

териалы или ингибиторы коррозии, обеспечивающие заданный срок службы теплового аккумулятора. Следует также перспективно исполь- зовать смеси и сплавы органических и неорганических веществ, позво- ляющие обеспечивать необходимые значения температур плавления и большие сроки службы.

Применение разнообразных теплоаккумулирующих материалов требует разработки надежных конструктивных решений, направленных на максимальное использование положительных качеств ТАМ и исклю- чение их недостатков.

Известно, что лучшим вариантом теплообменной поверхности яв- ляется ее полное отсутствие, т. е. непосредственного контакта теплоак- кумулирующего материала и теплоносителя. Очевидно, что в этом слу- чае необходимо подбирать как теплоаккумулирующие материалы, так и теплоносители по признакам, обеспечивающим работоспособность кон- струкций.

Теплоаккумулирующие материалы в этом случае должны отвечать следующим требованиям: кристаллизоваться отдельными кристаллами; иметь большую разность плотностей твердой и жидкой фаз; быть хими- чески стабильными; не образовывать эмульсий с теплоносителем.

Теплоносители подбираются по следующим признакам: химиче- ская стабильность в смеси с ТАМ; большая разница плотностей по от- ношению к ТАМ; малая способность к вспениванию и ряд других тре- бований, вытекающих из особенностей конструкций.

Кроме аккумуляторов с ТАМ, распространение получили жидкост- ные и паровые тепловые аккумуляторы.

Использование термохимических циклов в тепловых аккумулято- рах основывается на принципе возникновения химического потенциала в результате обратимой химической реакции в неравновесном состоя- нии. Важным преимуществом химических способов аккумулирования тепловой энергии, по сравнению с обычными, является то, что запасен- ная энергия может храниться достаточно длительное время без приме- нения тепловой изоляции; транспортировать энергию на значительные расстояния.

Конструкция теплового аккумулятора с тепловыми трубами к теп- логенерирующей установке приведена на рис. 2.6.2. Тепловой аккуму- лятор устанавливается в хвостовой части котла: в газоход помещаются испарительные части тепловых труб, а конденсаторы размещены в зер- нистой массе.

Между подводящими теплоту тепловыми трубами установлены также трубы, отводящие теплоту от зернистой массы. К преимуществам использования в качестве теплообменных поверхностей тепловых акку-

муляторов тепловых труб следует отнести простоту компоновки, на- дежность и стабильность работы, меньшие гидравлические потери в га- зовом тракте. Таким образом, применение аккумуляторов теплоты в системах теплоснабжения позволит повысить эффективность использо- вания топлива, что увеличивает КПД источника тепла.

 

 

Рис. 2.6.2. Конструкция теплового аккумулятора с тепловыми трубами: 1 – тепловой аккумулятор с зернистой матрицей; 2 – коллектор с нагреваемой средой; 3 – коллектор-газоход с греющей водой; 4,5 – подводящие и отводя-

щие теплоту тепловые трубы, соответственно; 6 – зернистая масса.