Введение к работе
Актуальность работы.
Экономия энергетических ресурсов всегда имела важнейшее значение в народном хозяйстве и особенно актуальна в настоящее время. Известно, что затраты на любое мероприятие по экономии топлива и электроэнергии в 2-3 раза ниже затрат на расширение топливно-энергетической базы. Проблемы рационального расходования топливно-энергетических ресурсов решаются совершенствованием системы преобразования первичной энергии и повышением эффективности использования произведенной энергии потребителем.
В системе теплоэнергоснабжения могут возникнуть несоответствия - как во времени, так и в пространстве - между подачей энергии и потребностями. Преодоление таких несоответствий возможно путем использования тепловых аккумуляторов (ТА).
В последние годы отмечается повышенный интерес к ТА, в которых аккумулирование тепла происходит посредством использования теплоты фазового перехода вещества из твердого состояния в жидкое. Достоинством таких аккумуляторов являются высокая теплоемкость, постоянство температуры и низкое давление.
Несмотря на явные преимущества аккумулирующих систем, основанных на использовании теплоты фазового перехода, они до сих пор еще не получили широкого распространения. Реализация их требует решения проблем выбора материалов, пригодных для работы в условиях теплового аккумулятора, теплообмена с аккумулирующей средой, согласование температурных уровней теплоаккумулирующего материала (ТАМ) и вторичных теплоносителей, экологической безопасности и снижения капитальных затрат.
При разработке любого типа аккумулятора необходимо в первую очередь правильно выбрать ТАМ, который бы обеспечивал заданный тепловой режим ТА и необходимый ресурс работы.
Применение различных ТАМ требует разработки конструктивных решений, направленных на максимальное использование положительных качеств ТАМ и нейтрализацию их недостатков, а также выбор конструкционных материалов для изготовления элементов ТА (сосудов, контейнеров, оболочек и т.п.), служащих для удержания ТАМ в расплавленном состоянии. Принципиальное значение при этом имеет проблема совместимости используемых материалов.
К настоящему времени выполнено большое число исследований и проведен достаточно подробный анализ теплофизических характеристик веществ, пригодных для аккумулирования теплоты плавления в широком диапазоне температур. Но ограничена информация по использованию конструкционных материалов для удержания расплава теплоаккумулирующего материала, особенно для металлов и сплавов. Часто отсутствуют сведения по характеру совместимости используемых материалов в режиме работы ТА.
Цель данной работы На основе теоретических данных, анализа научно-
технической и патентной литературы и экспериментальных исследований выбрать
теплоаккумулирующий и конструкционный материалы для ТА, используемых в
системе теплоэнергоснабжения' оптимизировать технологическую схему
изготовления теплоаккумулирующего элемента; исследовать физико-химическую и
термомеханическую совместимость материалов в режиме работы ТА; исследовать
влияние длительного термоциклирования на состав материалов, изучить
закономерность появления новых фаз и их воздействие на рабочие характеристики
теплоаккумулирующего элемента для получения теоретических и
экспериментальных данных, которые могут быть использованы при разработке новых типов ТА.
2 Научная новизна:
Следующие результаты являются новыми в научном отношении:
Выявлена взаимосвязь между теплонакопительными характеристиками ТА на фазовом переходе и теплофизическими свойствами теплоаккумулирующих материалов, выражающаяся в том, что тепловая емкость единицы массы и объема аккумулятора определяется теплотой плавленияЛАМ, его удельной теплоемкостью и теплопроводностью, чем объясняется преимущество использования в качестве ТАМ металлов и их сплавов, в частности, сплава алюминий-кремний эвтектического состава.
Сформулировано представление о структурном строении композиционного теплоаккумулирующего материала, заключающееся в том, что теплоаккумулирующая составляющая дискретно распределена в матрице конструкционного материала, что повышает термостойкость материала благодаря снижению термонапряжений, возникающих из-за разности т.к.л.р. ТАМ и конструкционных материалов, а так же улучшает их термомеханическую совместимость в процессе термоциклирования.
Выявлена взаимосвязь между стабильностью теплонакопительных характеристик теплоаккумулирующего композиционного материала и масштабными факторами его структурных составляющих, выражающаяся в том, что стабильность характеристик определяется оптимальным соотношением диаметра ТАМ и толщины защитного слоя, при котором термонапряжения, возникающие в слое, ниже критических значений, что обеспечивает целостность защитного слоя и постоянство состава ТАМ.
Определены условия получения Защитного слоя ТАМ, выражающиеся в том, что структура защитного слоя формируется одновременно с формированием структуры керамической матрицы при температурных условиях, соответствующих режиму работы ТА, чем обеспечивается термомеханическая совместимость защитного слоя с керамической матрицей.
Практическая значимость:
-
Разработан теплоаккумулирующий композиционный материал для ТА нового поколения в системе теплоэнер'госнабжения, состоящий из сплава AI-12 масс% Si в виде гранул, покрытых защитным слоем оксида алюминия, дискретно распределенных в матрице из керамического материала на основе оксида магния. Максимальная рабочая температура материала составляет 600С. При этом рекомендуемая максимальная скорость нагрева и охлаждения не выше 60С и 300 градусов в час соответственно.
-
Установлено, что при диаметре гранул ТАМ 10-15 мм стабильность теплонакопительных характеристик теплоаккумулирующего элемента обеспечивается при толщине защитного слоя не менее 10 мкм.
-
Оптимизированы условия получения защитного слоя гранулы с учетом егс контакта с конструкционным материалом на основе оксида магния, которые обеспечивают получение плотного слоя оксида алюминия переменной толщинь от 10 до 50 мкм.
-
Проведенные испытания по влиянию длительного термоциклирования (500( часов, при температуре 600 С, 520 циклов) на рабочие характеристику теплоаккумулирующего композиционного материала в более жестких условиях пс сравнению с условиями работы ТА, позволяют сделать вывод о том, чтс гарантируемый ресурс работы значительно превышает время эксперимента.
5. Определена максимальная рабочая температура керамического материала на основе оксида магния, содержащего до 10 масс% алюминий кремниевого сплава и до 10 масс% жидкого стекла. Эта температура не должна превышать 1345 С.
Апробация работы: основные материалы диссертации докладывались на научно-технической студенческой конференции №52, Москва, 1998 г. Данные, полученные в диссертационной работе, были использованы при изготовлении опытных образцов ТА на НПО «Луч» г. Подольска Московской области.
Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы из 96 наименований, 4 приложений. Работа изложена на 177 страницах, содержит 38 рисунков и 18 таблиц.