Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ тепловых режимов аккумулирования теплоты и алгоритмов их теплового расчета. состояние вопроса 9
1.1. Виды аккумуляторов теплоты, их конструктивные особенности 9
1.2. Термодинамические и тепловые характеристики режимов работы тепловых аккумуляторов с зернистым теплоносителем 16
1.2.1. Термодинамические основы фазопереходных тепловых аккумуляторов 16
1.2.2. Теоретические и практические основы проектирования химических аккумуляторов теплоты с зернистой матрицей 20
1.2.3. Теоретические основы проектирования однофазных аккумуляторов теплоты с зернистой матрицей 23
1.3. Выводы по 1 главе 25
1.4. Цель и постановка задач исследования 26
2. Математическое моделирование процессов тепло - и массообмена в аккумуляторах теплоты с зернистой матрицей для теплогенерирующих установок 27
2.1. Конструктивные особенности тепловых аккумуляторов с зернистым аккумулирующим материалом 27
2.2. Расчет температурных полей в зернистой массе и времени зарядки теплового аккумулятора 29
2.2.1. Накопление теплоты при пропуске греющей среды через зернистую массу теплового аккумулятора 30
2.2.2. Накопление теплоты от равномерно размещенных в зернистой массе тепловых труб 33
2.2.3. Расчет периодически изменяющейся температуры зарядки теплового аккумулятора и хранения теплоты 37
2.2.4. Расчет периодически изменяющейся температуры зарядки и хранения теплового аккумулятора с учетом теплопотерь через изоляцию 38
2.3. Теоретическое исследование режимов работы химических аккумуляторов теплоты 45
2.4. Двух - и трехфазные тепловые аккумуляторы 48
2.5. Математическое моделирование режима отвода теплоты от теплового аккумулятора49
2.6. Выводы по 2 главе 51
3. Экспериментальные исследования тепловых аккумуляторов с зернистым теплоносителем 53
3.1. Методика проведения тепловых испытаний зернистых аккумуляторов теплоты, планирование эксперимента и схема инструментальных измерений 53
3.1.1. Методика проведения тепловых испытаний 53
3.1.2. Экспериментальная установка и схема инструментальных измерений тепловых параметров 54
3.1.3. Определение погрешностей измерений 57
3.1.4. Планирование экспериментов для определения режимных параметров теплового аккумулятора 61
3.2. Исследования однофазных аккумуляторов теплоты в режимах накопления теплоты, её хранения и работы 67
3.2.1. Исследование температурных полей в зернистой массе однофазного ТА .67
3.2.2. Режим работы однофазного теплового аккумулятора 79
3.2.3. Проверка адекватности математических моделей реальным условиям работы теплового аккумулятора 83
3.2.4. Химические аккумуляторы теплоты 85
3.3. Выводы по 3 главе 90
4. Промышленное проектирование и применение аккумуляторов теплоты 92
4.1. Практическое приложение математических моделей аккумуляторов теплоты к их проектированию 92
4.2. Разработка эффективной тепловой изоляции 95
4.3. Тепловая эффективность однофазных, с фазовым переходом и химических тепловых аккумуляторов 98
4.4. Методика, алгоритм и блок-схема расчета однофазного теплового аккумулятора с зернистым теплоаккумулирующим материалом 101
4.4.1. Тепловой баланс теплогенерирующей установки 106
4.4.2. Утилизация теплоты в газоходе теплогенерирующей установки с помощью тепловых труб для теплового аккумулятора 110
4.4.3. Режим накопления теплоты в тепловом аккумуляторе 114
4.4.4. Расчет конструктивных параметров теплового аккумулятора 116
4.4.5. Расчет режима хранения теплоты в тепловом аккумуляторе 117
4.4.6. Расчет режима работы теплового аккумулятора 118
4.5. Расчет тепловых аккумуляторов с фазовым переходом 120
4.6. Расчет химических тепловых аккумуляторов 121
4.7. Экономическая эффективность от внедрения тепловых аккумуляторов 121
4.8. Промышленное внедрение теплового аккумулятора 124
4.8.1. Тепловые аккумуляторы с тепловыми трубами в технологических процессах стройиндустрии 124
4.8.2. Промышленное внедрение теплового аккумулятора за котельным агрегатом 127
4.9. Методика аэродинамического расчета тепловых аккумуляторов 129
4.10. Выводы по 4 главе 130
Общие выводы 131
Библиографический список литературы 133
Приложения 142
- Термодинамические основы фазопереходных тепловых аккумуляторов
- Расчет температурных полей в зернистой массе и времени зарядки теплового аккумулятора
- Исследования однофазных аккумуляторов теплоты в режимах накопления теплоты, её хранения и работы
- Разработка эффективной тепловой изоляции
Введение к работе
Актуальность темы. Для "сглаживания" пульсаций вырабатываемой теплоты теплогенерирующими установками применяются тепловые аккумуляторы.
Повышение эффективности теплогенерирующих установок за счет утилизации теплоты, ее аккумулирования и использования в системах теплоснабжения как "пиковой" тепловой нагрузки является актуальнейшей проблемой, решение которой позволит создать эффективные тепловые схемы и компактные технические решения по аккумулированию теплоты. Кроме того, считается одной из актуальнейших научных проблем и математическое моделирование процессов утилизации теплоты, ее аккумулирования для разработки методики расчета и проектирования теплогенерирующих установок на органическом топливе, в которых в качестве хвостовых поверхностей устанавливаются теплоутилизаторы и аккумуляторы теплоты. Если по проектированию теплоутилизаторов исследования по данной проблеме разрознены и требуют обобщения в отечественной и зарубежной практике конструирования перечисленных устройств, то по разработке аккумулирующих установок решение находится на начальном уровне.
Данная работа выполнялась в соответствии с целевой программой ГКНТ и ГОССТРОЯ России, а также с межвузовскими программами «Строительство» по научному направлению: «Разработка систем теплогазоснабжения с целью экономии ТЭР и защиты окружающей среды от тепловых и вредных газообразных выбросов энергетических установок».
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка аккумуляторов теплоты с зернистым теплоносителем и метода их расчета на основе математического моделирования, научное и технико-экономическое обоснование их внедрения.
В связи с поставленной целью задачами исследования являются: - теоретически и практически обосновать эффективность накопления тепловой энергии аккумуляторами с зернистым теплоносителем;
исследовать работу однофазных, с фазовым переходом и химических тепловых аккумуляторов в режимах накопления теплоты, её" хранения и использования для систем теплоснабжения;
разработать методику расчета аккумуляторов теплоты с зернистой матрицей;
разработать технико-экономическое обоснование применения аккумуляторов теплоты с зернистым теплоносителем для теплогенерирующих установок.
Научная новизна заключается в следующем:
разработана математическая модель процессов тепло - и массообмена в аккумуляторах теплоты теплогенерирующих установок;
получены аналитические зависимости на основе математического моделирования для расчета полей температур в зернистой массе и теплоизоляции, позволяющие определять количество теплоты в режимах накопления, хранения и ее использования, а также эффективность аккумулирования;
разработана методика расчета тепловых, аэродинамических и конструктивных параметров тепловых аккумуляторов с зернистой матрицей;
- разработаны научные и технико-экономические обоснования применения
аккумуляторов теплоты с зернистым теплоносителем для теплогенерирующих
установок.
На защиту выносятся:
математические модели процессов тепло - и массообмена в одно- и многофазных, химических аккумуляторах теплоты теплогенерирующих установок;
аналитические зависимости, полученные на основе математического моделирования, для расчета теплофизических и конструктивных параметров однофазных, с фазовым переходом и химических аккумуляторов теплоты, полей температур в зернистой массе и теплоизоляции, а также эффективности аккумулирования в режимах накопления теплоты, её хранения и использования;
-зависимости, позволяющие производить научное и технико-экономическое обоснования применения аккумуляторов теплоты с зернистым теплоносителем для теплогенерирующих установок;
7 - методика и алгоритм проектирования тепловых аккумуляторов на основе аналитических зависимостей для определения тепловых, аэродинамических, конструктивных и технико-экономических параметров.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждены:
применением фундаментальных аэродинамических и тепло - и массо-обменных законов для газообразных и жидких сред, подтвержденных статистической теорией и экспериментом;
соответствием результатов лабораторных и натурных исследований и численного эксперимента, выполненных с использованием современных приборов и методов испытаний со степенью достоверности 92%, в том числе теории математической статистики;
одновременным использованием нескольких методов исследований, позволяющих с разных сторон изучить одни и те же процессы и явления, положенные в основу предлагаемых решений.
Практическое значение работы заключается в апробации и внедрении новых методик по разработке тепловых аккумуляторов теплоты в проектных организациях при проектировании котельных установок систем теплоснабжения.
На основе методики проектирования тепловых аккумуляторов разработано устройство на базе тепловых труб, внедренное в котельной ЗАО "Елецизвесть" за котлами марки ДЕ -10-14 ГМ.
Результаты диссертации используются в процессе обучения студентов по курсам: "Теплотехника", "Теплогенерирующие установки" и при дипломном проектировании на факультете инженерных систем и сооружений Воронежского государственного архитектурно-строительного университета.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены в 2001 - 2003 гг. на 52-55 научных конференциях и семинарах в Воронежском государственном архитектурно-строительном университете, на секции Ассоциации инженеров по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике (АВОК) в 2003г., на научно-
8 практической конференции "Задачи научных и производственных коллективов в реструктуризации строительного комплекса и предприятий городского строительного хозяйства" (Тула 2003).
По материалам исследований опубликовано 7 научных статей и тезисов научных конференций общим объемом 27 страниц. Из них лично автору принадлежит 18 страниц. Одна статья опубликована в журнале, рекомендованном ВАК для докторских диссертаций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и библиографического списка литературы из 91 наименования. Диссертация изложена на 147 страницах машинописного текста и содержит 30 рисунков, 12 таблиц и 5 приложений.
Термодинамические основы фазопереходных тепловых аккумуляторов
Математические модели фазопереходных тепловых аккумуляторов базируются на основе термодинамики необратимых процессов, вызванных необратимыми потерями теплоты /2,9-10,22-23/. По существу такие ТА представляют собой теплоутилюаторы периодического действия. Они перспективны и могут найти применение для выравнивания выходной тепловой мощности котельной, либо ТЭЦ: при теплоизбытках происходит накопление теплоты, а при увеличении тепловой мощности - потребление "пиковой" нагрузки /68,69/.
Особенно перспективны ТА, совмещенными с теплоутилизатором на основе тепловых труб /30,59,62,68,76/. Их отличает в конструктивном отношении простота. Они включают резервуар (подземный или надземный), заполненный зернистой массой. Равномерно в массиве аккумулятора распределены бесфитильные тепловые трубы (БТТ). Часть тепловых труб (конденсаторы) помещены в коллектор с нагреваемой средой, а другая часть БТТ (испарители) - в газоход. Может применяться концевой теплообменник, в котором нагревается холодный теплоноситель.
Можно выделить три режима работы аккумулирующей зернистой матрицы: процессы зарядки, хранения и разрядки (работы) аккумулятора. Для каждого из них характерно различное изменение термодинамических и тепловых характеристик теплоаккумулирующего материала.
Аккумулирование тепла системой теплоснабжения налагает ряд ограничений на ее характеристики. Технологически выгодна работа теплового аккумулятора при малых изменениях объема и постоянном давлении. Термодинамически выгодна стационарная работа тепловых сетей, входящих в энергетическую систему, следовательно, процесс аккумулирования должен быть изотермическим /10,46/. Наилучшим решением явилось бы аккумулирование энергии в совмещенных схемах поступления теплоты в ТА и одновременное ее использование в теплоснабжении.
Функцией состояния, изменяющейся с подводом или отводом тепла при изобарическом процессе, является энтальпия системы Н /10/: Изменение энтальпии при теплообмене равно:
При изобарических процессах, где dP=0, изменение энтальпии равно: идет по числу фазовых переходов FM - Fj, сопровождающихся изменениями теплоемкости Cp(Fj) при повышении температуры ТАМ от Ті до Хн-ь Анализируя уравнение, отметим, что каждое слагаемое может внести свой весомый вклад в общую сумму аккумулируемой теплоты. Первое слагаемое зависит от разности температур и при его увеличении становится сопоставимым со вторым слагаемым, которое отражает изотермический процесс фазового перехода.
В случае теплобмкостного аккумулирования уравнение теплового баланса аккумулятора описывается уравнением: где [Ть Т2 ] — рабочий интервал температур аккумулятора, аСр- изобарная теплоемкость ТАМ. Для простых твердых веществ при комнатной температуре теплоемкость находится в пределах 25,9 - 26,8 Дж/(г-атом-К) (правило Дюлонга-Пти) /36/. Эта величина возрастает практически линейно с повышением температуры и при температуре первого фазового перехода (плавление или аллотропического превращения) примерно одинакова для всех элементов и составляет 29,3 - 30,3 Дж/(г-атом-К) /36/. Для получения теплоємкостей других соединений указанные величины должны быть умноже 19 ны на число атомов в молекуле (правило Неймана и Коппа) /49/. Таким образом, допуская линейное возрастание Ср (Т), с высокой точностью удается рассчитать теплоемкость соединении для широкого интервала температур: где а и /?-независимые от температуры эмпирические постоянные и находятся из системы
Значения Q, (298 К) известны для большинства соединений, п - число атомов в соединении, Тф. Л—температура первого фазового перехода. Тогда теплота, запасаемая аккумулятором в интервале [Ті, Т2] для твердотельного ТАМ, рассчитывается по формуле:
Видно, что чем больше разность температур и усредненная теплоемкость, тем эффективней ТА. Формула (1.9) применима для расчета количества теплоты для ТА с фазо-переходным ТАМ
На основе второго закона термодинамики в результате анализа физического процесса аккумулирования теплоты можно определить скорость прироста энтропии при аккумулировании как функции заданных исходных параметров /9-10,40/. Это позволяет проводить термодинамическую оптимизацию процесса аккумулирования теплоты с учетом степени необратимости процесса, зависящей от скорости прироста энтропии и ее минимизации на основе подбора значений параметров аккумулирования.
Важнейшим направлением в области теплового аккумулирования является изучение и проектирование химических аккумуляторов теплоты (ХАТ) с зернистым теплоаккумулирующим материалом /26-27,29,36/.
Принцип работы ХАТ основан на использовании теплового эффекта возникающего в результате обратимой химической реакции в неравновесном состоянии. При наличии способа, предупреждающего возврат к равновесному состоянию, химический потенциал можно накапливать для преобразования в другие виды энергии. Таким образом, термохимические циклы дают принципиальную возможность превратить в химический потенциал и обратно тепловую, механическую, световую или электрическую виды энергии /36/. Химические реагенты и реакции для химического аккумулятора теплоты должны удовлетворять следующим требованиям: ? дешевизна и доступность; ? высокая объемная плотность запасаемой энергии; ? по возможности протекание реакции без применения катализатора; ? быть химически инертными по отношению к конструкционным материалам теплового аккумулятора; ? легкость в осуществлении управления за ходом химической реакции с помощью температуры или давления; ? большое количество термохимических циклов; ? иметь большую и развитую внешнюю поверхность для интенсификации протекания химической реакции. В качестве зернистого теплоаккумулирующего материала перспективно и целесообразно использовать оксид кальция СаО (жженная негашеная известь). Оксид кальция — продукт обжига известняка (СаСОз — СаО + СОг). СаО широко используется в строительстве для производства силикатных изделий и конструкций автоклавной обработки, растворов, местных вяжущих, бетонов низких марок, известковых красок. На заводах по производству строительных материалов про изводится гашение СаО водой. Гашение протекает по реакции СаО + Н20 — Са (ОН)г и сопровождается выделением большого количества теплоты, которое нигде не используется. Отсюда очевидна необходимость применения в данном
Расчет температурных полей в зернистой массе и времени зарядки теплового аккумулятора
Математическая модель процессов аккумулирования теплоты должна описывать несколько режимов работы ТА: - одновременное накопление теплоты при пропуске греющей среды через зернистую массу; - накопление теплоты и кратковременное ее хранение при подводе теплоты тепловыми трубами; - накопление теплоты, ее хранение при подводе теплоты тепловыми трубами в течение длительного времени и ее использование (непосредственная работа теплового аккумулятора) в различных технологических процессах. Рассмотрим тепловой аккумулятор 3, включающий зернистый массив 1, через который проходит греющая газообразная среда (рис. 2.2). Отвод теплоты от ТА осуществляется бесфитильными тепловыми трубами 2 в коллекторе 4, куда подается нагреваемая среда. Схема подключения такого ТА к теплогенерирующеи установке приведена в разд. 4. Отвод теплоты от зернистой массы греющая газообразная среда Начало координат находится на поверхности тепловых труб. Для определения количественных оценок рассмотрим уравнение теплового баланса и тепло 2 ные параметры, г= безразмерное время; Mi - масса газа, отнесенная кім о зернистой поверхности; индексы: 1- греющая среда; 2 - аккумулирующая масса. Система уравнений (2.1) - (2.2) решалась при краевых условиях: Полученные зависимости могут быть положены в основу расчетов режима накопления теплоты в тепловых аккумуляторах с подводом теплоты при непосредственном контакте греющей среды и зернистого теплоносителя, и одновре енной работы ТА без режима хранения. В этом случае ТА работает как тепло-утилизатор. Рассмотренная выше математическая модель позволяет рассчитать температурное поле ТА, подвод теплоты к которому осуществляется при непосредственном пропуске греющей среды через зернистую массу. Она не учитывает периодичности подвода и отвода теплоты. Характерной особенностью ТА с тепловыми трубами является то, что температура стенки тепловой трубы стабильна по высоте. Поэтому массив зернистого теплоносителя можно разделить на множество горизонтальных пластин с минимальной толщиной, в которой подводимая теплота будет постоянной по времени. Это допущение вполне оправдано, так как особенностью тепловых труб является их работа в виде теплового клапана: они пропускают только стабильные тепловые потоки, а при избытках теплоты — "запираются". Задача накопления теплоты в ТА в этом случае сводится к решению уравнения энергии для пластины с внутренним источником теплоты. В общем виде такая задача рассмотрена в работе /33/. Применительно к тепловым аккумуляторам постановка задачи следующая /61,70/. Рассмотрим область матричного зернистого материала шириной 2L. Примем также, что ТАМ близок к изотропному материалу, то есть распространение теплоты по направлениям OX, 0Y, 0Z равнозначно. Это обусловлено стабильностью температуры стенки и подводимым тепловым потоком, а также достаточной однородностью зернистого материала. Поэтому в соответствии с моделью достаточно распределение температур определить по одному из направлений, например, ОХ. Изотермы будут представлять концентрические окружности.
Начало координат разместим на стенке тепловой трубы. При этом, тепловые трубы располагаются таким образом, чтобы воздействием соседних труб можно пренебречь. Уравнение энергии имеет вид /61,70/: подводимой теплоты в единицу времени, приведенное к объему зернистой массы, Вт/м3; а,Л — соответственно, коэффициенты температуропроводности и теплопроводности, Т-температура; t- время. Исходное уравнение, как и выше, в результате несложных преобразований приводится к безразмерному виду: зернистой массе, Т=— - безразмерное текущее время; L — половина ширины условной пластины, в реальных условиях L - половина расстояния между сосед Анализ расчетных зависимостей (рис.2.3) показывает, что для небольших времен накопления теплоты (Fo 0,l) зависимость (2.11) - (2.12) мало чувствительна к изменению времени, и температура в зернистой массе практически изменяется по толщине ТАМ линейно с небольшим угловым коэффициентом. изменения температуры по толщине зернистой массы (уравнение (2.12)) ри подводе теплоты к ТА изменение температурного поля ТАМ зависит от параметров Foo, Т, а также от теплофизических размерных параметров и начальной температуры зернистой массы: Х , / Ср, Т2 о . Математическая модель не учитывает периодичности изменения температуры и теплопотери через теплоизоляцию. Рассмотренная модель может быть использована в теплогенерирующих установках при непосредственном контакте отработанного технологического газа с зернистой аккумулирующей массой ТА, то есть в случае не загрязненных газов. Как правило, технологические отработанные газы загрязнены, содержат сажистые и пылевидные включения, что в большинстве случаев не позволяет их использовать при непосредственном контакте с теплоаккумулирующим материалом. Наиболее перспективны ТА, как отмечалось в разд.1, для утилизации теплоты в котельных установках, уходящие газы которых загрязнены даже при работе их на газообразном топливе. Кроме того, достаточно сложно компоновать ТА с котлами при непосредственном пропуске уходящих газов через теплоаккумулирующий материал из-за возрастания аэродинамического сопротивления котельной установки. Поэтому в котельных установках, как показывает анализ /62/, подвод теплоты к аккумулирующему материалу производится посредством промежуточного теплоносителя тепловых труб (рис.2.1) /73/. Рассмотрим математическую модель ТА, в аккумулирующем материале, которого равномерно размещены подводящие и отводящие теплоту тепловые трубы. Развитие представленной выше модели направлено на учет периодичности включения и выключения ТА. Решение уравнения энергии в этом случае должно удовлетворять начальным условиям, учитывающим условие периодичности /33/. Применительно к режимам хранения и работы ТА (рис.2.1) постановка задачи следующая /61/. Необходимо решить уравнение энергии для периодически изменяющейся температуры на пластине, которую представляет собой минимальной толщины зернистая аккумулирующая масса при подводе и отводе теплоты с помощью тепловых труб (см. выше). Краевые условия задачи /33/, приведенные к безразмерной форме применительно к ТА, можно представить как /61/
Исследования однофазных аккумуляторов теплоты в режимах накопления теплоты, её хранения и работы
Опыты проводились на трех зернистых материалах: полистироловая крошка, керамзитовые и чугунные шарики. Кроме того, при обработки данных использовались эксперименты на щебне и гальке, а также испытания химического ТА на извести /10,18,24,27,71,73/. Целью экспериментов являлось определение параметров опытных ТА для их использования в системах теплоснабжения в энергетике, стройиндустрии и т.п.
Одними из основных параметров, как это следует из планирования экспериментов и математических моделей, являются температура зернистой массы, время прогрева, хранения и работы ТА, толщина изоляции, плотность теплового потока при накоплении энергии и ее использование, а также эффективность аккумулирования.
В первой серии опытов исследуем изменение температуры зернистых те-плоаккумулирующих материалов в зависимости от времени при различных режимах работы однофазного теплового аккумулятора.
На рис. 3.3-3.5 приведены зависимости изменения температур в зернистой массе от времени при варьировании толщины тепловой изоляции в режимах зарядки и хранения теплоты для керамзита, полистироловой крошки и чугунных шариков.
Максимальная установившаяся температура зернистой массы в опытах составила 82 С (чугунные шарики при наличии изоляции). Для других теплоно сителей температура составила 78 - 80 С при одинаковом времени зарядки теп лового аккумулятора в течение 1,2 часа. Опыты показали, что при зарядке ТА температура зернистой массы от времени возрастает по экспоненте, практически близко к линейному закону. Темп роста температуры для всех видов ТАМ примерно одинаков и составил в среднем 0,012 С/сек (43 С/час). На темп заправки ТА наличие изоляции и ее толщина влияют слабо. В ос новном наличие изоляции сказывается на конечной установившейся температуре зернистой массы. Недогрев зернистой массы при отсутствии теплоизоляции со ту ставляет не более 10 С.
В опытах подвод теплоты к зернистой массе осуществлялся при непосредственном контакте греющей среды (горячего воздуха) и зернистой массы (математическая модель подраздел.2.2.1), а также моделировался тепловыми трубами (последующие модели). Описание такой установки представлено в работах /68-69/. В зернистую массу (рис.2.1) вводились конденсаторы тепловых труб, а испарители помещались в электрическую печь. В качестве теплоносителя в подводящих теплоту тепловых трубах использовалась вода при давлении Ps= 0,1 МПа, а в отводящих теплоту - ацетон /76/ с температурой кипения около 80 С.
Кроме того, подвод теплоты в опытах осуществлялся горячей водой, ко-торая подавалась в погружной медный змеевик. Для моделирования тепловых труб температура горячей воды в змеевике поддерживалась 100 С.
Наиболее важно оценить время охлаждения зернистой массы от температуры зарядки (Тщах) до заданной из технологических соображений температуры аккумулятора (Тт ,,.), то есть время хранения теплоты. На основании опытных данных в табл.3.6. представлен анализ режима хранения теплоты в опытном тепловом аккумуляторе.
В сильной степени толщина изоляции влияет на режим хранения теплоты. В этом режиме характер изменения (падения) температуры ТАМ не линейный. Кривая в начальный момент времени имеет вогнутость вверх, а на последней ста дии до установления стационарной температуры окружающей среды темп паде Ф ния уменьшается (кривая имеет вогнутость вниз). За 2 часа хранения теплоты при максимальной толщине тепловой изоляции б = \50мм (минеральная вата) температура ТАМ падает с 80 С до 76 С (полистирол); с 81 С до 75 С (керамзит) и с 82 С до 77 С (чугунные шарики).
Опыты показали, что слоя тепловой изоляции толщиной 50 мм недостаточно, чтобы в режиме хранения сохранять теплоту в течение длительного времени. Толщина изоляции должна быть не менее 150 мм. При такой толщине теплоизоляции аккумулятор теплоты способен сохранять свою работоспособность в течение 7-9,5 часов после окончания цикла зарядки. Из этого следует целесообразность применения теплового аккумулятора в системах горячего водоснабжения для покрытия пиковых нагрузок в часы максимального водопотребления, либо для собственных нужд котельной.
Подводимый удельный тепловой поток, отнесенный к площади поверхности теплоаккумулирующего материала (зёрен), составил 110 Вт/м2.
Соответственно общее количество теплоты, запасаемое ТА в режиме зарядки равно 256 Вт (для керамзитной крошки), 236 Вт (для полистироловой крошки) и 360 Вт (для чугунных шариков).
Используя уравнения (2.6. - 2.7.) (разд. 2) и данные эксперимента, определим время прогрева мелкозернистой теплоаккумулирующей насадки t0 и среднюю энергоемкость теплоаккумулирующего материала Е:
На основе полученных результатов следует сделать вывод, что средняя энергоемкость Е для керамзита, полистирола и чугуна находится примерно на одинаковом уровне.
Для оценки влияния толщины теплоизоляции на температуру теплоаккумулирующего материала в фиксированный момент времени на рис.3.6.-3.8 приведены
Разработка эффективной тепловой изоляции
Перспективно использовать в качестве теплоизоляции три слоя: минвату, воздушную прослойку и экранные поверхности из алюминиевой фольги (рис.4.2). Это позволяет резко увеличить термическое сопротивление изоляции и уменьшить тепловые потери в ТА как за счет увеличения термического сопротивления, так и за счет лучистой составляющей при отражении радиационного теплового потока алюминиевой фольгой. В этом случае теплопотери снижаются в « 4 раза, так как термическое сопротивление воздушной прослойки толщиной 50 мм составляет 8вз I Явз = 6,25 (м2 К)/Вт, а термическое сопротивление исследуемой изоляции из асбеста или из минераловатных плит SM / Ли = 1,5 (м2 К)/Вт (S , 8 -толщина соответственно воздушной прослойки и минераловатных плит; Я , Я — теплопроводность соответствующих слоев изоляции). В общем виде толщина изоляции рассчитывается по формуле (разд.2): Для режима хранения при частоте 60 = 1,540-4 С и толщине изоляции 200 мм (рис.4.2) время хранения составило to=6,5 час при снижении температуры зернистой массы на 10 С, что и подтверждается экспериментально (см. разд.З). Расчет температуры зернистой массы с учетом теплоизоляции производится по формуле: Для условий эксперимента расчетная плотность теплового потока в опытном ТА на основе математического моделирования составила 120 Вт/м2, а опытное значение равно ЦЇ=1 10 Вт/м2. Для режима накопления теплоты ТА принимается Cos (ОТ=1. Сходимость теории и эксперимента достаточно хорошая. Важным параметром работы ТА является время и емкость накопления теплоты, которые можно получить из уравнений теплового и материального балансов. Расчет проводится соответственно по формулам: - средняя энергоемкость Е, (кВт» с)/м3, при известном тепловом потоке: где Vax- объем теплоаккумулирующей насадки. Так как температура и тепловой поток в зернистой массе меняются, как это следует из эксперимента, квазилинейно, то для расчета перечисленных параметров справедливы зависимости (2.20)-(2.23) с учетом формул (2.17). Расчеты для условий проведения экспериментов показывают, что где индексы: ак.- аккумулирующая зернистая масса, из. - изоляция. Выполняя умножение матриц (4.12,а) и решая матричное уравнение относительно термического сопротивления R, получим, что для опытного ТА при Так=60-80 С и q3K = 1Ю Вт/м2 необходима изоляция толщиной 200 мм, что и под эксперимент (см.разд.З): 150 мм - асбестовый картон или минвата; 50 мм - воздушная прослойка.
Как следует из эксперимента (разд.З), толщина изоляции должна быть не менее 200мм при суммарном термическом сопротивлении не менее R=2 (м2 К/Вт), чтобы обеспечить хранение теплоты в течение 6-8 часов. К достоинствам матричного представления параметров ТА следует отнести то, что отпадает необходимость работать при расчетах с громоздкими формулами, а расчет производится в результате преобразования численных матриц, куда подставляются расчетные или экспериментальные данные. Из анализа результатов математического моделирования следует, что коэффициенты матриц зависят экспоненциально от теплофизических параметров зернистой массы и изоляции. Расчет теплового потока через изоляцию можно выразить через температуру зернистой массы и коэффициенты матричного уравнения (см. разд.2): Сопоставление расчетных и экспериментальных данных показало, что наблюдается удовлетворительное соответствие теории и эксперимента для однофазных ТА с зернистой аккумулирующей массой. Тепловая эффективность ТА оценивалась по уравнению: r где 7] , 7] ,TJ б - соответствующие эффективности ТА в режимах заправки, хранения теплоты и его работы. Тепловая эффективность есть полезная теплота, отнесенная к затраченной теплоте. В соответствующих режимах теплота определяется по известным соотношениям теплового баланса. Эффективности 7] ,7/ 7] б оценивалась по укрупненным показателям на основе известных температур в соответствующем режиме /68-69/: Таким образом, эффективность аккумулирования зависит от температуры зернистой массы в конце рабочего цикла и от температуры ее в конце зарядки ТА. Для теплового аккумулятора к котлу ДЕ - 10 - 14 ГМ температура зарядки составила 81 С, а температура зернистой массы после разрядки - 45С. Поэтому эффективность аккумулирования, рассчитанная по формуле (4.15), составила 48%. Для химического ТА Т"3 = 150 С, а Т"Р = 45 С, поэтому т] = 70 %. Сопоставление эффективности химических ТА и однофазных с зернистым ТАМ по 100 казало, что она в - 1,5 раза выше у химических ТА. Однако, при внедрении химических тепловых аккумуляторов возникают проблемы регенерации зернистого материала - извести. Температура среды, подаваемой для нагрева отработанного зернистого материала - извести, как правило выше, нежели температура утилизируемой среды. Например, для получения из гашеной извести негашеной предпочтительно подавать на регенерацию пар или горячий воздух с температурой не ниже 200 С, что снижает ценность утилизируемой теплоты в ТА. Химические ТА на основе извести перспективны, например, для разогрева ДВС в предпусковой период. Регенерация осуществляется выхлопными газами, которые пропускаются через зернистую массу с температурой порядка 200 С. В летний период такие ТА могут использоваться для системы кондиционирования /24,75/. Могут найти применение химические ТА и в стройиндустрии, где по технологии необходимо "гасить" известь /73-74/. В этом случае ТА выполняются одноциклическими, и работают они по режиму теплоутилизаторов с зернистым теплоносителем. Отработанный ТАМ используется в технологическом процессе.
Температура зернистой массы для двухфазных ТА принимается равной Т"з = Тш, для трехфазных Т"з = Ткип, а эффективность рассчитывается по формуле (4.15). Выполняя, тепловой баланс ТА, получим более строгое выражение для определения эффективности аккумулирования: 101 где Tj (j - индекс, характеризующий соответствующий режим работы ТА) определяется по зависимостям, полученным на основе математического моделирования (разд.2), (р - коэффициент сохранения теплоты теплогенерирующей установки (ТГУ), Вр - расход топлива на рабочую массу, сжигаемый в ТГУ, 1 - энтальпия уходящих газов в ТГУ. Индексы: пол. - полезная, затр. — затраченная, ух. -уходящие. 4.4. Методика, алгоритм и блок-схема расчета однофазного теплового аккумулятора с зернистым теплоаккумулирующим материалом На основе проведенных выше теоретических и экспериментальных исследований разработан алгоритм расчета теплового аккумулятора с зернистым теплоаккумулирующим материалом с учетом разд.4.1 и разд.а 2. На рис.4.3,а представлена укрупненная блок-схема расчета теплового аккумулятора с зернистым теплоаккумулирующим материалом на основе БТТ, а на рис.4.3,б подробная схема алгоритма расчета. Блок 1. Исходные данные: температура греющей среды на входе Тг и на выходе Тг" в ТА; начальная температура теплоаккумулирующего материала Тг.о , температура нагреваемого промежуточного теплоносителя (вода на горячее водоснабжение или химводоочистку) на входе в ТА Ґз и на выходе из него Ґз; расход греющего теплоносителя G\ и нагреваемой среды (7з; подводимый тепловой поток qm; температура стенки ТА в режиме работы Um.; теплофизические параметры теплоаккумулирующего материала: коэффициент теплопроводности Xi, плотность материала pi, теплоемкость CPi\ теплофизические параметры греющей среды: коэффициент теплопроводности Л\, плотность газа р\, теплоемкость Ср\; теплофизические параметры тепловой изоляции: коэффициент теплопроводности Лиз., плотность материала риз., теплоемкость Ср.,.; полное время накопления теплоты аккумулятором /о; толщина зернистой массы по направлению движения греющего газа S; масса газа, отнесенная к 1 м2 зернистой поверхности
