Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих тепловых аккумуляторов теплоаккумулирующими материалами фазового перехода 12
1.1. Общие сведения об аккумуляторах тепловой энергии 12
1.2. Анализ теплофизических свойств теплоаккумулирующих материалов фазового перехода 15
1.3. Анализ недостатков существующих тепловых аккумуляторов с ТАМ ФП 21
1.4. Разработка теплового аккумулятора с ТАМ ФП с многоярусными одогревателями и высокотеплопроводными инклюзивами 26
1.5. Основные задачи теоретических и экспериментальных исследований 28
2. Теоретические исследования процессов аккумулирования в тепловых аккумуляторах с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода 32
2.1. Аналитическое исследование процессов квазикондуктивного теплообмена при процессах фазового перехода в слоях ТАМ ФП 32
2.2. Аналитические исследования влияния высокотеплопроводных инклюзи вов различной формы на интенсивность процессов теплообмена при за рядке и разрядке теплового аккумулятора 35
2.3. Математическое моделирование параметров теплоносителя на выходе из фазопереходного аккумулятора теплоты в режиме зарядки 48
2.4. Математическое моделирование параметров теплоносителя на выходе из фазопереходного аккумулятора теплоты в режиме разрядки 54
3. Экспериментальные исследования теплообмена в тепловых аккумуляторах с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода 62
3.1. Экспериментальные исследования процессов плавления и затвердевания ТАМ ФП в плоском слое 62
3.2. Экспериментальные исследования процессов плавления и затвердевания ТАМ ФП в плоских слоях с высокотеплопроводными инклюзивами (эмпирические зависимости) 65
3.3. Экспериментальные исследования параметров теплоносителя на выходе из теплового аккумулятора в режимах зарядки и разрядки 66
3.4. Оценка погрешностей измерений и статистическая обработка экспериментальных данных 68
4. Сопоставление и анализ результатов аналитических решений и экспериментальных исследований процессов теплообмена в тепловых аккумулятор ах 71
4.1. Сопоставление и анализ аналитических решений и экспериментальных данных по исследованию процессов в тепловых аккумуляторах 71
4.2. Критериальная обработка и обобщение полученных результатов по плавлению и застыванию в плоском слое 74
4.3. Критериальная обработка и обобщение полученных результатов по плавлению и застыванию в плоском слое с высокотеплопроводными инклюзивами 78
4.4. Сопоставление и анализ аналитических решений и экспериментальных данных по исследованию параметров теплоносителя на выходе из теплового аккумулятора в режиме зарядки и разрядки 80
5. Разработка методики расчета и конструирования оптимальных параметров тепловых аккумуляторов с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода 82
5.1. Расчетные зависимости и номограммы для определения основных конструктивных размеров и режимных параметров тепловых аккумуляторов с теплоаккумулирующим материалом фазового перехода 82
5.2. Анализ энергетической эффективности тепловых аккумуляторов с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода 88
5.3. Схемные решения аккумуляторов с теплоаккумулирующим материалом фазового перехода в автономных системах теплоснабжения с возобновляемыми источниками энергии 95
5.4. Практическое использование результатов исследований 99
Заключение 102
- Анализ теплофизических свойств теплоаккумулирующих материалов фазового перехода
- Аналитические исследования влияния высокотеплопроводных инклюзи вов различной формы на интенсивность процессов теплообмена при за рядке и разрядке теплового аккумулятора
- Экспериментальные исследования процессов плавления и затвердевания ТАМ ФП в плоских слоях с высокотеплопроводными инклюзивами (эмпирические зависимости)
- Анализ энергетической эффективности тепловых аккумуляторов с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода
Введение к работе
Ограниченность традиционных топливно - энергетических ресурсов (газообразного, жидкого и твердого топлива), постоянный рост цен на них, а также негативное воздействие продуктов их сгорания на окружающую среду, создают необходимость практического использования таких возобновляемых видов энергии как солнечная, ветровая, биогаз и другие. Однако использование этих видов энергоресурсов осложняется неравномерностью их поступления, вследствие чего возникает необходимость обеспечения бесперебойной работы систем теплоснабжения с возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ). Стабильность и надежность функционирования таких систем могут быть достигнуты с помощью тепловых аккумуляторов, заряжаемых в период превышения поступления энергии над потреблением и разряжаемых при превышении потребления энергии над поступлением.
Энергосистемы с аккумулированием энергии имеют ряд преимуществ: потребители становятся независимыми от непостоянства работы источника энергии (солнечной, ветровой), за счет аккумулирования можно покрыть часть пиковых нагрузок (в большей степени в системах горячего водоснабжения), уменьшить потребную мощность, и, следовательно, капитальные затраты на источники тепловой энергии. Таким образом, существует необходимость использования тепловых аккумуляторов различных типов не только в системах теплоснабжения, но и в автономных теплоэнергетических комплексах с ТЭР и ВИЭ.
Учитывая вышеизложенное, актуальность диссертационной работы определяется необходимостью решения проблемы аккумулирования энергии путем создания высокоэффективных и экономичных тепловых аккумуляторов для различных систем теплоснабжения. Наиболее широкое распространение получили аккумуляторы, использующие явную теплоту (жидкостные, гравийные и др.), однако в последнее время за рубежом и в нашей стране стали использоваться аккумуляторы с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода (ТАМФП). Они более компактны, чем жидкостные и гравийные тепловые аккумуляторы. Кроме того, аккумуляторы тепловой энергии с ТАМФП позволяют не только сгладить неравномерность поступления и потребления тепла в системах горячего водоснабжения, но и обеспечивают необходимый температурный режим у абонентов. Однако при-
менение таких теплоаккумуляторов связано со значительными трудностями, т. к. плотность потоков подводимой и отводимой теплоты существенно меньше, чем в жидкостных аккумуляторах. Для интенсификации теплообмена могут быть применены высокотеплопроводные металлические инклюзивы различной формы.
Основная идея работы состоит в разработке более эффективных аккумуляторов тепловой энергии с ТАМФП за счет применения высокотеплопроводных инклюзивов.
Объектом исследования являются тепловые аккумуляторы с ТАМФП и высокотеплопроводными инклюзивами, применяемые в системах теплоснабжения, в том числе, с использованием возобновляемых источников энергии.
Предмет исследований - процессы теплообмена, позволяющие обеспечить оптимальные параметры тепловых аккумуляторов с ТАМФП и высокотеплопроводными инклюзивами, необходимыми для повышения их эффективности.
Цель работы - исследование и разработка тепловых аккумуляторов с ТАМФП с высокотеплопроводными инклюзивами.
Данная цель достигнута путем решения следующих задач исследования:
анализ существующих типов аккумуляторов теплоты, а также особенностей аккумулирования теплоты в аккумуляторах различных типов;
теоретические исследования процессов теплообмена в тепловых аккумуляторах с теплоаккумулирующим материалом фазового перехода и высокотеплопроводными инклюзивами;
экспериментальные исследования теплообмена и гидродинамики в тепловых аккумуляторах с теплоаккумулирующим материалом фазового перехода и высокотеплопроводными инклюзивами;
сопоставление и анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований процессов теплообмена в тепловых аккумуляторах с теплоаккумулирующим материалом фазового перехода и высокотеплопроводными инклюзивами;
разработка методики расчета и конструирования оптимальных параметров аккумуляторов тепла с теплоаккумулирующим материалом фазового перехода и высокотеплопроводными инклюзивами.
Научная новизна работы заключается:
в разработке основ аккумулирования теплоты с учетом квазикондуктив-ного характера теплообмена при плавлении и затвердевании ТАМФП;
в получении критериальных уравнений для расчета и оптимизации основных параметров тепловых аккумуляторов с ТАМФП;
в теоретическом обосновании и экспериментальном подтверждении эффективности применения металлических высокотеплопроводных инклюзивов, позволяющих интенсифицировать теплообмен;
в создании специальных методик и алгоритмов теплотехнического расчета оригинальных типов аккумуляторов теплоты с ТАМФП и инклюзивами для различных систем энергопотребления.
Достоверность научных положений и полученных результатов определяется корректностью постановки задач исследований и принятых упрощающих допущений; подтверждается использованием физически обоснованных математических моделей, а также сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Практическая значимость работы состоит:
в разработке новых технических решений в области аккумулирования теплоты;
в использовании методик расчета оптимальных параметров тепловых аккумуляторов с ТАМФП и высокотеплопроводными инклюзивами при проектировании и эксплуатации;
в получении патентов "Теплогенератор электрогидравлический", "Гелио-ветростанция"
Практическое использование результатов работы заключается в следующем:
предложенные автором схемные решения по тепловым аккумуляторам в со ставе энергокомплексов с ВИЭ защищены патентами на изобретения и использованы в ряде проектов и технических предложений;
техническое предложение по использованию аккумулятора с ТАМФП и высокотеплопроводными инклюзивами в составе блочной котельной с гелио-приставкой рекомендовано к внедрению на одном из объектов прямого подчинения Администрации Астраханской области в рамках хоздоговорной ра-
боты по региональной Программе энергосбережения Астраханской области на период 2001 - 2005 гг.;
разработана техническая документация на ряд аккумуляторов для автономных систем теплоснабжения с использованием ВИЭ, в том числе и в форме дипломных проектов, рекомендованных для внедрения; планируется внедрение разработанных аккумуляторов с ТАМФП в тепличном хозяйстве экспериментального комплекса Аграрного факультета Естественного института Астраханского государственного университета в с. Нача-лово Приволжского района Астраханской области;
материалы диссертации используются в спецкурсах "Использование возобновляемых источников энергии в системах теплогазоснабжения" и "Создание энергоэкономичных комплексов систем теплогазоснабжения и вентиляции" для студентов специальности "Теплогазоснабжение и вентиляция" в Астраханском инженерно-строительном институте;
в рамках сквозного проектирования систем теплогазоснабжения и вентиляции под руководством автора студентами Астраханского инженерно-строительного института разработаны несколько дипломных проектов систем теплогазоснабжения с использованием аккумуляторов с ТАМФП и высокотеплопроводными инклюзивами, рекомендованных к внедрению Государственной аттестационной комиссией по специальности 2907 "Теплогазоснабжение и вентиляция". На защиту выносятся основные результаты и выводы: схемные решения аккумуляторов теплоты с теплоаккумулирующим материалом фазового перехода и высокотеплопроводными инклюзивами для систем теплоснабжения, в том числе, с использованием возобновляемых источников энергии;
математические модели плавления и затвердевания ТАМФП с высокотеплопроводными инклюзивами, а также полученные теоретические зависимости для определения различных геометрических и теплофизических параметров ТАМФП и температуры теплоносителя на выходе из аккумулятора теплоты;
- результаты экспериментальных исследований теплообмена в плоском слое ТАМФП с высокотеплопроводными инклюзивами и сопоставление их с расчетными зависимостями;
- анализ энергетической эффективности и разработка методик расчета и кон-
струирования наиболее рациональных параметров тепловых аккумуляторов с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода. Личный вклад автора состоит в том, что в работу включены только собственные результаты, полученные автором: сформирована концепция работы, определена методика проведения теоретических и экспериментальных исследований, представлены выводы по повышению эффективности аккумуляции теплоты при использовании тепловых аккумуляторов с ТАМФП и высокотеплопроводными инклюзивами, предложена методика расчета аккумуляторов теплоты с ТАМФП и вы-
сокотеплопроводными включениями различной формы.
# Апробация работы. Работа выполнена в рамках приоритетных направлений
фундаментальных исследований РАН, включена в план НИР Отдела энергетики
Поволжья, в план Лаборатории низкопотенциальных энергетических установок
Института энергетики АГТУ. Работа проводилась по плану госбюджетной НИР
кафедры "Теплогазоснабжения и вентиляции" Астраханского инженерно - строи-
« тельного института и Астраханского научного центра жилищно - коммунальной
академии.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе моно-
ф графия, 7 статей в авторитетных научных изданиях, 2 патента Российской Федера-
ции на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 123 наименований, приложений, перечня используемых обозначений, индексов и сокращений. Общий объем работы 120 страниц, включая 27 рисунков и 14 таблиц.
Анализ теплофизических свойств теплоаккумулирующих материалов фазового перехода
При проведении анализа теплофизических свойств теплоаккумулирующих материалов фазового перехода были обобщены результаты исследований отечественных и зарубежных авторов по теплофизическим свойствам ряда органических и неорганических веществ [19, ПО, 123]. Анализ этих данных показывает, что в качестве ТАМФП могут использоваться четыре группы веществ: парафины, жирные кислоты, гидраты солей и ряд соединений металлов. Основным компонентом парафинов является алифатический углеводород С„Н2„+2- В твердом виде парафины находятся в двух аллотропических состояниях: размягченном при температуре немного ниже температуры фазового перехода їфп (кристаллы вытянуты в цепочку) и твердом при t « ґфп (кристаллы имеют дискообразную форму). Физические свойства технических парафинов по данным [19, НО] приведены в табл. 1.3. При изменении числа атомов углерода пс от 18 до 50 температура фазового перехода (температура плавления) t0n увеличивается с 28 до 68 С. Парафины имеют сравнительно большую теплоту фазового перехода (теплоту плавления) г В качестве ТАМФП могут применяться жирные кислоты СН СН 2пСООН [19]. Жирные кислоты характеризуются температурой и теплотой плавления приблизительно такой же, как и у парафинов, несколько меньшим (на 24 %) коэффициентом теплопроводности и на 31 % меньшей удельной теплоемкостью табл. 1.4. Они являются химически стойкими веществами, мало или совсем не переохлаждаются, но их стоимость в 2,0-2,5 раза выше стоимости парафинов. В качестве ТАМФП используют также и гидраты солей, физические свойства которых по данным [19] приведены в табл. 1.5. Гидраты солей имеют теплоту фазового перехода в 1,5 + 2,0 раза большую, удельную теплоемкость в 1,5 +2,0 раза меньшую и коэффициент теплопроводности в 2 + 4 раза больший по сравнению с парафинами и жирными кислотами. Эти вещества имеют меньшую стоимость по сравнению с парафинами и жирными кислотами. Основным недостатком гидратов солей является их неконгруэнтное плавление. Обычно при плавлении образуются жидкая насыщенная фаза и твердая в виде более низкого гидрата той же соли, которая при этом осаждается. Кроме того, расплавам гидратов солей свойственно переохлаждение.
В качестве ТАМФП, в принципе, могут использоваться и ряд соединений металлов: гидридов, фторидов, силикатов и др. Они обладают наиболее высокими значениями теплоты фазового перехода в 4-17 раз превышающих этот показатель для трех ранее рассмотренных групп ТАМФП (парафинов, жирных кислот, гидратов солей), однако и температуры фазовых переходов (плавления и застывания) у этих соединений металлов очень высоки /ФП« 1000 + 3000 С, что делает возможности их практического применения в системах теплоснабжения с возобновляемыми источниками энергии весьма затруднительными. Их применение будет возможно лишь в высокотемпературных теплогенерирующих установках (космических энергетических установках концентрирующих солнечное излучение, в установках термоядерного синтеза и др.) [49, 50]. Таким образом, сравнительный анализ теплофизических свойств четырех групп ТАМФП показывает, что наиболее приемлемыми для практического использования в системах теплоснабжения и в автономных теплоэнергетических комплексах обладают три первые группы ТАМФП. Однако, даже их применение в системах теплоснабжения (в особенности в системах отопления) и в автономных теплоэнергетических комплексах с возобновляемыми источниками энергии связано со значительными трудностями: недостаточно высокой температурой фазового перехода, малым коэффициентом теплопроводности, неконгруэнтностью плавления (гидраты солей) и, как правило, (за исключением технических парафинов) слишком высокой стоимостью. Обладающими достаточно высокими значениями удельной теплоты фазового перехода г = 167 кДж/кг, такими же, как у парафинов удельной теплоемкостью с = 2,1 кДж/кг -К и коэффициентом теплопроводности Л = 0,21 Вт/м-К являются крекинг - остатки перегонки нефти - битумы. Однако, битумы имеют слишком высокую температуру плавления tm=105+l 15 С, что делает невозможным применение их в системах отопления и горячего водоснабжения с температурой теплоносителя не более 95 С. Снижение этой температуры возможно при применении добавок материалов со значительно более низкой температурой плавления, например, технических парафинов. Основные теплофизические свойства битумно - парафиновых смесей (БПС) были определены экспериментально [97]. С повышением содержания битума от 10 до 50 % температура фазового перехода (плавления и застывания) ґФП весьма незначительно (на 1-7 С) увеличивается и лишь при повышении содержания битума от 70 до 100% /ФП резко возрастает (на 20 - 50 С). Зависимость температуры фазового перехода битумно - парафиновых смесей от содержания парафина П выражается полиномом второй степени вида С повышением содержания битума от 0 до 100 % удельной теплоты плавления практически линейно уменьшается от значения q ф„_ = 189 кДж/кг для чистого парафина до значения Фя. =167 кДж/кг для чистого битума. Зависимость удельной теплоты плавления битумно - парафиновых смесей от содержания парафина П аппроксимирована линейной зависимостью вида Зависимости (1.2.1) и (1.2.2) могут быть использованы при определении температуры и удельной теплоты фазового перехода битумно - парафиновых смесей при расчете основных конструктивных и технологических параметров тепловых аккумуляторов с ТАМФП. В ряде отечественных и зарубежных работ [19, 38, 39, 123] отмечается, что применение высокотеплопроводных включений (инклюзивов) может в несколько раз повысить коэффициент теплопроводности и соответственно снизить время фазовых переходов, а значит увеличить плотность теплового потока и сократить время зарядки теплового аккумулятора.
Таким образом, из рассмотренных типов ТАМФП с учетом их теплофизи-ческих свойств и стоимостных показателей наиболее подходящими для тепловых аккумуляторов систем теплоснабжения (главным образом, горячего водоснабжения) и автономных теплоэнергетических комплексов с возобновляемыми источниками энергии являются технические парафины с наиболее высокой температурой плавления и 66 - 68 С и битумно - парафиновые смеси. Последние с небольшими по объему (1 - 5 %) с содержанием битума Б = 30 - 60 % с /ФП = 60 -70 С и могут быть использованы для горячего водоснабжения, а с содержанием битума Б = 80-90 % и /ФП = 85 - 95 С - для систем отопления. Для определения температуры плавления и удельной теплоты плавления БПС могут быть использованы формулы (1.2.1) и (1.2.2). Для повышения плотности теплового потока и сокращения времени зарядки теплового аккумулятора с ТАМФП могут быть применены высокотеплопроводные инклюзивы. При использовании теплоты плавления некоторых веществ для аккумулирования теплоты обеспечивается высокая плотность запасаемой энергии, небольшие перепады температур и стабильная температура на выходе из теплового аккумулятора. Несмотря на это, большинство ТАМФП в расплавленном состоянии являются коррозионно - активными веществами, в большинстве своем имеют низкий коэффициент теплопроводности, изменяют объем при плавлении и относительно дороги. В настоящее время известен достаточно широкий спектр веществ, обеспечивающих температуру аккумуляции от 0 до 1 400 С. Необходимо отметить, что широкое применение тепловых аккумуляторов с плавящимся ТАМФП сдерживается, прежде всего, соображениями экономичности создаваемых установок. При небольших рабочих температурах (до 120 С) рекомендуется применение кристаллогидратов неорганических солей, что связано в первую очередь с использованием в качестве ТАМФП природных веществ. Для реального применения рассматриваются только вещества, не разлагающиеся при плавлении либо растворяющиеся в избыточной воде, входящей в состав ТАМФП. Использование органических веществ полностью снимает вопросы коррозионного разрушения корпуса, обеспечивает высокие плотности запасаемой энергии, достаточно хорошие технико-экономические показатели.
Аналитические исследования влияния высокотеплопроводных инклюзи вов различной формы на интенсивность процессов теплообмена при за рядке и разрядке теплового аккумулятора
Ряд экспериментов автора [81. 102, 104, 105, 107] по плавлению и кристаллизации парафинов с высокотеплопроводными инклюзивами (см. главу 3) показал, что эффективная теплопроводность ТАМФП даже с небольшими по объему (1 - 5 %) высокотеплопроводными включениями с коэффициентом теплопроводности А-и = 20 - 200 Вт/м-К позволяет существенно практически увеличить эффективный Хэ ТАМФП, сократив время плавления. В ряде отечественных и зарубежных работ [17, 40, 110, 123] также отмечается, что применение высокотеплопроводных включений может снизить время фазовых переходов, а значит увеличить плотность теплового потока и сократить время зарядки тепловых аккумуляторов. Однако авторы указанных работ ограничились лишь экспериментами и не смогли получить расчетные зависимости для определения основных параметров процессов зарядки и разрядки в зависимости от свойств ТАМФП, геометрических параметров и теплофизических свойств высокотеплопроводных инклюзивов. Поэтому весьма актуальной представляется задача исследования теплообмена в слоях ТАМФП с учетом геометрических и теплофизических свойств высокотеплопроводных включений. Рассмотрим форму высокотеплопроводных инклюзивов (см. рис. 2.1). В плоском слое это могут быть пластины, ориентированные ортогонально плоскому слою, в котором происходит процесс фазового перехода. В тепловых аккумуляторах в форме прямоугольного параллелепипеда они могут быть изготовлены в виде ряда плоских пластин, расположенных на плоском нагревательном элементе (рис. 2.1,а) или в виде плоских прямоугольных пластин в форме решетки (рис. 2.1,6). При этом существенно облегчается задача их монтажа, т. к. решетка может быть поставлена на любой плоский и трубчатый нагревательный элемент. Высокотеплопроводные инклюзивы могут иметь форму спиральных (рис. 2.1д и рис. 2.1е) элементов, которые имеют хаотическую ориентацию, что позволяет при относительно небольшой их массе заполнить практически все пространство плоского слоя в форме низкого параллелепипеда или низкого цилиндра (h « а, h « d). Спиральные элементы (например, металлическая стружка) могут быть при укладке в корпус ориентированы практически горизонтально в несколько рядов.
Т. к. для практического применения наряду с ранее рассмотренными высокотеплопроводными включениями в форме плоских пластин могут быть применены решетчатые инклюзивы из плоских, цилиндрических и спиральных элементов, а также инклюзивы в форме плоских горизонтальных спиралей и др., то желательно обобщить полученные результаты и на эти случаи. Более того, целесообразно коэффициенты интенсификации теплообмена получить в форме критериальных зависимостей, учитывающих наряду с теплофизическими свойствами слоев ТАМФП основные геометрические параметры и теплофизические свойства высокотеплопроводных инклюзивов. Формула (2.2.20) для теплового потока через боковые поверхности решетчатых инклюзивов и инклюзивов в форме плоских горизонтальных спиралей с учетом того, что площадь боковых поверхностей инклюзивов /;/ =8И 1И и ди « Ъи примет вид Суммарный тепловой поток через плоский слой ТАМФП площадью f = 51 и боковые поверхности инклюзива, располагающегося на этой площади Таким образом, суммарная плотность теплового потока через плоский слой ТАМФП с располагаемым в нем инклюзивом в виде решетчатых структур В общем случае коэффициент эффективности может быть определен по формуле где я - коэффициент формы инклюзива выражается соотношением между площадью боковой поверхности инклюзива и площадью плоского слоя в тепловом аккумуляторе (площадью горизонтального сечения, в котором он находится), т. е. pH=fHlfA=FHIFA. В процессе исследований был получен ряд формул для расчета геометрических параметров высокотеплопроводных инклюзивов для тепловых аккумуляторов параллелепипеднои и цилиндрической формы. Их основные геометрические параметры приведены в табл. 2.1. Обозначения: LA,BA - длина и ширина теплового аккумулятора, м; дп,Ьп - толщина и шаг пластин, м; DA - диаметр теплового аккумулятора, м; 3Ц,ЬЦ - толщина и расстояние между цилиндрами, м; Sc,bc,sc- толщина, ширина и расстояние между соседними витками спирали. Коэффициент кЭ11 может быть определен по формуле (2.2.33), однако целесообразно привести эту формулу к более общему виду. Введя критерий Фурье для инклюзива Fo„, используя критерий Коссовича Ко и симплексы, выражающие соотношения между геометрическими параметрами и теплофизическими величинами, формулу (2.2.33) можно привести к виду Эксперименты, проведенные автором для ряда тепловых аккумуляторов с ТАМФП и инклюзивами различной формы (см. рис. 2.3) показывают, что, несмотря на большое количество упрощающих допущений, принимаемых при ее выводе, расхождение между расчетными и экспериментальными значениями коэффициента кэи не превышают 25 %. При повышении доли высокотеплопроводных включений в объеме ТАМФП кэи увеличивается, соответственно увеличивается плотность теплового потока и скорость процесса зарядки теплового аккумулятора с ТАМФП.
В зависимости от коэффициента Лп = 50 - 200 Вт/м-К, толщины пластин 8П =0,2 - 2,0 мм и шага между ними Ьп = 5 - 25 мм кэи и плотность теплового потока q изменяются в диапазоне от 2 до 27, т. е. увеличивается в десятки раз, а время процесса плавления г уменьшается в 4 - 729 раз, т.е. сокращается в сотни раз. Таким образом, обобщение результатов исследований высокотеплопроводных инклюзивов различной формы позволило получить общую формулу для расчета кэи при применении высокотеплопроводных инклюзивов в зависимости от критериев Fotl, Ко и симплексов, выражающих соотношения между тепло-физическими свойствами си/с, ри1р и геометрическими параметрами S„ 18 высокотеплопроводных инклюзивов и ТАМФП. Плотность теплового потока q при наличии высокотеплопроводных включений может увеличиться в десятки раз, а время процесса плавления - в сотни раз. Рассмотрим приближенное решение сопряженной задачи подвода теплоты к расплавляемому теплоаккумулирующему материалу относительно массы жидкой фазы и выходной температуры теплоносителя. При этом считается состояние ТАМФП квазистационарным и для средней по горизонтали теплоподвода толщины жидкой фазы пространственное распределение температуры принимается линейным. В отличие от известных решений [41, 84], считающих процесс кондуктивным, принимается квазикондуктивный характер теплообмена, что учитывается, как и в разделе 2.1.1, введением коэффициента конвекции є и эффективного коэффициента теплопроводности жидкой фазы Яж = Лж є . Расчет режимных и конструктивных характеристик аккумуляторов теплоты на фазовом переходе плавление - затвердевание предполагает решение сопряженной задачи, включающей двумерную задачу Стефана для расплавляемого ТАМФП, и уравнение теплового баланса теплоносителя [92]. Выполним приближенную оценку выходной температуры теплоносителя при зарядке аккумулятора теплоты, основанную на допущении о квазистационарности теплового состояния аккумулятора [63]. Рассмотрим баланс теплосодержания аккумулятора. В соответствии с 1-м началом термодинамики, при неизменном давлении в системе тепловой поток и плотность теплового потока равны соответственно Пренебрегая межфазными эффектами и используя принцип аддитивности, для энтальпии системы /, как функции времени г, можем записать где М, і и / - масса, кг, удельная энтальпия, кДж/кг и среднеобъемная температура соответствующей фазы, а индексы "т" и "ж" относятся к твердой и жидкой фазе системы.
Экспериментальные исследования процессов плавления и затвердевания ТАМ ФП в плоских слоях с высокотеплопроводными инклюзивами (эмпирические зависимости)
Для проведения экспериментов по изучению процессов фазового перехода теплоаккумулирующего материала с высокотеплопроводными инклюзивами на опытной установке (см. рис. 3.1) в слой парафина устанавливалась плоская вертикальная алюминиевая спираль высотой, не превышающей толщину плоского слоя ТАМФП. Процессы расплавления и застывания производились аналогично ранее рассмотренным экспериментам (раздел 3.1). Путем заполнения пространства между нижней частью емкости с парафином и корпусом установки попеременно нагретой и охлаждающей водой производилось соответственно плавление и затвердевание ТАМФП с установленными в его толще ВИ. Результаты экспериментов приведены на рис. 3.2. и 3.3. При рассмотрении графиков очевидно, что в результате применения высокотеплопроводных инклюзивов значительно сокращается время плавления ТАМФП, т.е. период зарядки теп-лового аккумулятора, что позволяет более эффективно аккумулировать тепловую энергию в различных системах теплоснабжения. Таким образом, проведенные экспериментальные исследования показали необходимость использования высокотеплопроводных инклюзивов, позволяющих даже при небольшом их объемном содержании, не превышающем 1 % , в 2 - 4 раза сократить время зарядки тепловых аккумуляторов с ТАМФП. на выходе из теплового аккумулятора в режимах зарядки и разрядки При проведении экспериментов по плавлению - затвердеванию теплоаккуму-лирующего материала фазового перехода производились замеры температуры теплоносителя на выходе из теплового аккумулятора как в режиме зарядки, так и в режиме разрядки. Измерение выходной температуры теплоносителя позволяет оценить возможности применения тепловых аккумуляторов с ТАМФП для различных видов систем теплоснабжения (в том числе для автономных теплоэнергетических комплексов с возобновляемыми источниками энергии). Зависимость температуры теплоносителя на выходе из фазопереходного аккумулятора теплоты аналитически определена для режимов зарядки и разрядки в разделах 2.3 и 2.4 соответственно. Однако теоретические зависимости вида (2.3.17) и (2.4.17) необходимо подтверждать экспериментально, что и было проделано. На рис. 3.4. показана зависимость температуры теплоносителя на выходе из теплового аккумулятора в режиме зарядки, рассчитанная по формуле (2.3.17) с учетом конвективного переноса теплоты, а также приведены осредненные результаты измерений температуры, произведенные в ходе экспериментов по плавлению теп-лоаккумулирующего материала фазового перехода.
Как видно из рисунка, расхождения между теоретическими значениями и опытными данными практически не превышают максимальной погрешности измерений, составляющей 3,6 %. Это позволяет сделать вывод о достаточно хорошем соответствии аналитической зависимости результатам проведенных экспериментов, а также доказывает конвективный характер теплообмена при плавлении ТАМФП. На рис. 3.5. показана зависимость температуры теплоносителя на выходе из теплового аккумулятора в режиме разрядки, рассчитанная по формуле (2.4.17), а также приведены осредненные результаты измерений температуры, произведенные в ходе экспериментов по затвердеванию теплоаккумулирующего материала фазового перехода. Как видно из рисунка, расхождения между теоретическими значениями и опытными данными незначительны, что позволяет сделать вывод о соответствии расчетной зависимости результатам проведенных экспериментов. Была проведена оценка погрешности величин, определенных экспериментально как на лабораторной, так и на экспериментальных установках. Погрешности, полученные в результате прямых измерений (температуры теплоносителя на выходе из теплового аккумулятора в режимах зарядки и разрядки t2) оцениваются максимальными погрешностями измерительных приборов. Оценка погрешностей, получаемых в результате косвенных измерений (расход теплоносителя G) производилась по соответствующим формулам, приведенным в [9,48]. Эксперименты подтвердили полученные зависимости для определения толщины плоского слоя, времени процессов фазовых переходов и средней плотности теплового потока в процессе зарядки и разрядки тепловых аккумуляторов с ТАМФП и показали необходимость и целесообразность использования высокотеплопроводных инклюзивов. 2. В результате применения высокотеплопроводных инклюзивов значительно сокращается время плавления ТАМФП, т.е. период зарядки теплового аккумулятора, что позволяет более эффективно аккумулировать тепловую энергию в различных системах теплоснабжения. 3. Экспериментально определена зависимость температуры теплоносителя на выходе из теплового аккумулятора в режимах зарядки и разрядки. С увеличением расхода теплоносителя время достижения стабильной температуры на выходе и величина последней существенно снижается. 4. Выполнена оценка погрешности измерения, показывающая, что относи тельная ошибка в определении основных величин не превышает 3,6 + 3,9 %. Стати стическая обработка позволила получить значения коэффициентов и показатели степеней в критериальных уравнениях для определения основных параметров теп ловых аккумуляторов. При проведении анализа теплообмена в процессе плавления и затвердевания в плоском слое теплоаккумулирующего материала фазового перехода (см. раздел 2.1.2) определено соотношение между толщиной слоя новой фазы, временем ее образования, разностью температур и теплофизическими свойствами ТАМФП. Из формулы (2.1.8) может быть выражена толщина новой фазы в зависимости от времени ее образования Однако при определении толщины не учтен конвективный характер теплообмена.
Поэтому, учитывая квазикондуктивность процесса, можем записать где Лэ - эффективный коэффициент теплопроводности материала, определяемый по формуле где Gr - число Грасгофа, критерий свободного движения среды, характеризует режим движения при свободной конвекции где р - коэффициент температурного расширения; At - перегрев (переохлаждение) относительно температуры фазового перехода; g - ускорение свободного падения; v - коэффициент кинематической вязкости среды; Рг = — критерий Прандтля, где а коэффициент температуропроводности. Подставляя приведенные выражения в (4.1.4), получим Для упрощения выражения (4.1.6) заменим все постоянные величины коэффициентом Л Выполнив алгебраические преобразования, получим выражение толщины новой фазы в зависимости от времени ее образования с учетом квазикондуктивного характера теплообмена Таким образом, за счет введения коэффициента конвекции установлена новая степенная зависимость толщины вновь образующейся фазы от времени фазового превращения. В качестве примера на рис. 4.1 и 4.2 показана зависимость толщины жидкой фазы ТАМФП от времени ее образования в процессе плавления при разности температур между температурой теплоносителя и температурой фазового перехода ТАМ 25 С и 30 С. Как видно из рисунков, графики зависимости толщины образования новой фазы от времени носят линейный характер, что подтверждает полученные ранее формулы. Тангенсы углов наклона прямых, выражающих расчетные зависимости, определенные по формулам (2.1.8) и (4.1.10), равны 0,5 и 0,8 в соответствии с показателями степеней времени образования новой фазы. Графики, отражающие экспериментальные данные по плавлению ТАМФП без высокотеплопроводных инклюзивов, практически совпадают с прямыми, построенными по формуле (4.1.10), учитывающей конвективный характер теплообмена для жидкой фазы. Это подтверждает правильность полученной автором зависимости. Графики, построенные по результатам экспериментов по плавлению ТАМФП с высокотеп- лопроводными инклюзивами, расположены намного выше, это свидетельствует о том, что при наличии включений процесс плавления происходит гораздо быстрее, сокращая тем самым время зарядки аккумулятора. Таким образом, проведенные автором эксперименты подтвердили полученную теоретическую зависимость толщины новой фазы от времени ее образования с учетом конвективного характера теплообмена при плавлении ТАМФП и показали, что применение высокотеплопроводных инклюзивов почти в 1,5 раза сокращает время плавления теплоаккумулирующего материала, и, следовательно, время зарядки теплового аккумулятора.
Анализ энергетической эффективности тепловых аккумуляторов с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода
Для оценки энергетической эффективности тепловых аккумуляторов с ТАМФП может быть использован такой показатель, как энергетический КПД. Количество теплоты, аккумулируемое при плавлении ТАМФП где VA - объем теплового аккумулятора; /,,/2 - температура ТАМФП до и после зарядки. Потери теплоты за циклы зарядки и разрядки теплового аккумулятора где - коэффициент теплопередачи через стенки теплового аккумулятора кд =МRrn = т і $т\ tc/1 2- средние за период зарядки т3 и период разрядкитр температуры ТАМФП; t0 - температура окружающей среды в месте установки теплового аккумулятора. Количество теплоты, затраченное в период зарядки выражающий соотношение между запасенным и полезно используемым теплом с учетом потерь через ограждающие конструкции где Atf m f и At2 =t njI - переохлаждение и перегрев; Рл = FAIVA 67 - коэффициент формы теплового аккумулятора. Формула (5.3.5) может быть использована для расчета КПД тепловых аккумуляторов с ТАМФП для энергоустановок и автономных теплоэнергетических комплексов с возобновляемыми источниками энергии. С ростом термического сопротивления RfM, объема VA и температуры t0 КПД увеличивается, а с ростом РА, времени зарядки г3, времени разрядки г,,, переохлаждения Atf и перегрева At - уменьшается. В качестве примера на рис. 5.2 и 5.3 приведены результаты расчета КПД тепловых аккумуляторов по формуле (5.3.5) при типичных условиях их эксплуатации: время зарядки 8 ч, время разрядки от 4 до 48 ч, термическое сопротивление теплоизоляции от 0,1 до 3,0 м -К/Вт (первое значение соответствует условию отсутствия теплоизоляции, т.е. фактически термическому сопротивлению теплоотдаче от неизолированного корпуса аккумулятора), объем теплового аккумулято-ра от 0,1 до 100 м . В расчетах принимаются теплофизические свойства технического парафина (плотность 880 кг/м3, удельная теплоемкость жидкой и твердой фазы сж = 2,1 кДж/кгК и ст = 2,08 кДж/кг-К, теплота фазового перехода г = 189 кДж/кг, температура плавления 60 С).
Коэффициент формы теплового аккумулятора принимается равным 6 (для прямоугольного параллелепипеда с высотой, равной ширине и длине, т.е. куба), переохлаждение и перегрев теплоаккумули-рующего материала принимается равным 10 С. Как видно из рис. 5.2 при увеличении объема теплового аккумулятора от 0,1 до 100 м3 и времени разрядки 4 ч КПД теплового аккумулятора увеличивается от 0,88 до 0,99, а при времени разрядки 48 ч - от 0,36 до 0,93, т.е. в 1,5 - 2,5 раза. По рис. 5.3 очевидно, что при увеличении объема теплового аккумулятора от ОД до 100 м при термическом сопротивлении теплоизоляции 0,5 м -К/Вт КПД теплового аккумулятора увеличивается от 0,68 до 0,96, а при термическом сопротивлении 3,0 м -К/Вт - от 0,94 до 0,99, т.е. в 1,1 -1,5 раза. Таким образом, целесообразно увеличивать термическое сопротивление тепловой изоляции, однако оптимальное значение может быть определено на основе технико - экономического расчета теплового аккумулятора с различной толщиной теплоизоляции, выполненной из различных материалов. Тепловые аккумуляторы могут иметь различную форму в зависимости от типа трансформатора возобновляемых источников энергии, места установки аккумулятора теплоты, возможностей изготовления и т. д. Формулы для расчета их основных геометрических параметров приведены в табл. 5.3. Минимальному значению коэффициента формы P N, определяемого из условия — = 0 соответствует максимальное при равных прочих условиях значение КПД теплового аккумулятора tf x. Используя соотношения между объемом и геометрическими параметрами из табл. 5.3, можно определить основные линейные размеры h,d,l,a теплового аккумулятора (желательно при их оптимальном соотношении при (3 т). В качестве примера на рис.5.4 и 5.5 приведены зависимости коэффициента формы тепловых аккумуляторов различной формы от соотношения основных геометрических размеров. Как видно из рис. 5.4 для аккумуляторов с плоскими стенками коэффициент формы изменяется от 5,5 до 10,9, т.е. практически в 2 раза. Причем минимальное значение этого коэффициента 5,5 соответствует аккумулятору в форме пирамиды, для параллелепипеда минимум 6,0, для аккумулятора призматической формы 6,8, что говорит о том, что более эффективно применение аккумулятора в форме пирамиды.
Как видно из рис. 5.5 для аккумуляторов цилиндрической формы коэффициент формы изменяется от 4,9 до 8,2, т.е. в 1,7 раз. Минимальное значение этого коэффициента 4,9 соответствует цилиндру с полусферической крышкой и коническим днищем, для цилиндра минимум 5,6, для аккумулятора формы труба в трубе 6,0. Для аккумуляторов любой формы получается, что минимальное значение коэффициента формы соответствует соотношению основных геометрических параметров, равному 1 (для большинства, за исключением аккумуляторов призматической и пирамидальной формы). Это, очевидно, связано с тем, что у аккумуляторов призматической и пирамидальной формы площадь сечений меняется по высоте. Таким образом, анализ энергетической эффективности тепловых аккумуляторов с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода позволяет сделать следующие выводы. 1. Наиболее сильное влияние на КПД теплового аккумулятора оказывают: объем теплового аккумулятора, время зарядки и разрядки, термическое сопротивление. Так при увеличении объема теплового аккумулятора от 0,1 до 100 м3 и времени разрядки 4 ч КПД теплового аккумулятора увеличивается от 0,88 до 0,99, а при времени разрядки 48 ч - от 0,36 до 0,93, т.е. в 1,5 - 2,5 раза. В том же диапазоне объема теплового аккумулятора при термическом сопротивлении теплоизоляции 0,5 м2-К/Вт КПД теплового аккумулятора увеличи-вается от 0,68 до 0,96, а при термическом сопротивлении 3,0 м -К/Вт - от 0,94 до 0,99, т.е. в 1,1 - 1,5 раза. 2. Достаточно сильное влияние оказывает коэффициент формы, зависящий от геометрии и соотношения основных геометрических размеров. Из аккумуляторов цилиндрической формы наиболее эффективными являются аккумуляторы с полусферической крышкой и коническим днищем. Из аккумуляторов с плоскими стенками - аккумуляторы пирамидальной формы. 3. Геометрически оптимальным является аккумулятор с минимальным значением коэффициента формы, равным 4,9 - 5,5 и соотношением основных размеров, равным 1. Предлагаемые автором аккумуляторы с ТАМФП и высокотеплопроводными инклюзивами могут быть использованы в ряде автономных систем теплоснабжения с применением возобновляемых источников энергии - солнечной, ветровой и биогаза, получаемого из различного рода органических отходов. Варианты компоновки таких тепловых аккумуляторов в сочетании с котельными в жилых зданиях приведены на рис. 5.6, а в сочетании с теплогенераторами - на рис. 5.7. На рис. 5.6 показана компоновка теплового аккумулятора в сочетании с гелиоустановкой и крышной котельной. Вода, проходя через гелиоустановку, подогревается до температуры 55 С. Если интенсивность солнечного излучения недостаточна для подогрева до этой температуры, то вода догревается в теплогенераторе. В отопительный период гелиоустановка отключается и вода из нее спускается. Солнечная энергия, аккумулируемая в тепловом аккумуляторе с ТАМФП и высокотеплопроводными инклюзивами замещает в среднем 60 - 70 % от общей мощности системы горячего водоснабжения (СГВ).
