Аккумуляция тепловой и электрической энергии

Способы аккумуляции тепла

Тепловой аккумулятор – это хорошо теплоизолированная емкость из нержавеющей стали, предназначенная для запаса тепловой энергии, в период времени, когда имеется ее избыток, с последующей отдачей ее потребителю.

Тепловые аккумуляторы становятся популярны при загородном строительстве. Слово аккумулятор произошло от латинского слово «собиратель», т.е. представляет собой устройство, выполняющее накопительную функцию.

Тепловой аккумулятор применяется в загородной недвижимости и может выполнять несколько функций, в зависимости от модели. Одним из основных назначений теплового аккумуляторы является обеспечение помещения горячей водой за счет предварительного нагрева емкости внутри самого аккумулятора. Воду можно использовать не только для отопления, но и подать в кран.

Тепловой аккумулятор позволяет накапливать энергию постепенно и расходовать ее более быстрыми темпами, что особенно актуально при маломощном электрообеспечении или в коммерческой недвижимости, где может потребоваться большое количество горячей воды за короткое время.

Повышение эффективности теплогенерирующих установок за счет утилизации теплоты, ее аккумулирования и использования в системах теплоснабжения как «пиковой» тепловой нагрузки является актуальной проблемой, решение которой позволит создать новые технические установки по аккумулированию теплоты.

Известно, что централизованная электросистема страдает довольно неудобным во всех отношениях недостатком – неравномерностью распределения электрической нагрузки в течение суток, а именно: днем нагрузка максимальная, а ночью – минимальная. А поскольку в централизованной электросистеме используются генерирующие установки большой единичной мощности, то регулировать их производительность, а тем более выключать или включать на несколько часов экономически невыгодно из-за снижения КПД на нерасчетных режимах и повышенного износа оборудования на тех же режимах. Поэтому энергетики всевозможными способами стараются привлечь потребителей электроэнергии к работе в ночное время.

Одним из основных стимулов работы в ночное время является снижение в три раза стоимости электроэнергии в ²ночной тариф². Экономия затрат на тепло в зданиях, коттеджах за счет запасенной тепловой энергией в ночное время и отдаче ее в дневные часы, при этом, экономия достигается за счет разницы тарифов на стоимость электрической энергии в дневное и ночное время. Тепловой аккумулятор обладает неограниченным ресурсом работы. В летнее время тепловой аккумулятор возможно использовать в комплексе с солнечным коллектором. В данном случае запас тепла в аккумуляторе происходит за счет солнечной энергии. Переход на «ночной» тариф позволяет платить за электрическую энергию в три раза ниже по сравнению с обычным режимом работы.

В настоящее время для тепловых аккумуляторов подобраны вещества с большой удельной тепловой емкостью и относительно небольшой ценой, что позволяет создавать дешевые и компактные накопители тепловой энергии.

Существует несколько разновидностей аккумуляторов.

Бак – аккумулятор. Приблизительный расчет бака – аккумулятора для коттеджа, площадью 150 м²:

Максимальная мощность, требуемая для отопления данного здания (по СниПу t_min ⁰С = -26 ⁰С) ~ 15 кВт (теплопотери 100 Вт/м²)

Средняя расчетная мощность (по СниПу t_ср ⁰С = -3 ⁰С) ~ 7,0 кВт.

«Ночной» тариф с 21.00 до 8.00 (11 часов) для Московской области, то есть, нерабочее время котла составит 13 часов.

Среднерассчетный день должен составить:

7 кВт х 13 часов = 91 кВт×час

1 м³ при охлаждении на 1 ⁰С теряет 1,16 кВт (1 ккал)

Рабочий температурный диапазон бойлера составит:

- максимальный нагрев до +90 ⁰С

- отбор тепла до +60 ⁰С

то есть с 1 м³ будет отобрано 90-60=30 ⁰С или

30 х 1,16 = 34,8 кВт тепла.

Чтобы удовлетворить потребность дома в дневное время (котел отключен) необходим бойлер

91 кВт х 34,8 ~ 3,0 м³ (для среднерассчетной температуры)

По результату расчета, дому, площадью 150 м², при переходе на «ночной» тариф, то есть, работа котла только в «ночное» время, требуется бойлер не менее 3 м³ для компенсации тепловых потерь в дневное время (среднерассчетная температура) или 5 м³ для компенсации тепловых потерь в дневное время при минимальной температуре окружающего воздуха.

Тепловые аккумуляторы на основе зернистого теплоносителя. Масса или объем теплоаккумулирующего материала (ТАМ) зависит от соответствующей плотности запасаемой энергии и КПД процесса аккумулирования тепла. В реальном процессе аккумулирования теплоты плотность запасаемой энергии на порядок ниже теоретического значения вследствие тепловых потерь, выравнивания поля температур, потерь при заряде и разряде аккумулятора.

В настоящее время известно большое многообразие видов и конструкций тепловых аккумуляторов с зернистым ТАМ, обусловленное широким спектром областей применения аккумуляторов тепла. Множество методов и способов аккумулирования приводит к различным техническим и конструктивным решениям:

- тепловые аккумуляторы с твердым ТАМ;

- тепловые аккумуляторы с плавящимся ТАМ;

- жидкостные аккумуляторы тепла;

- паровые аккумуляторы тепла;

- термохимические аккумуляторы;

- тепловые аккумуляторы с электронагревательным элементом.

Традиционно рассматриваются тепловые аккумуляторы с неподвижной или подвижной матрицами. Использование неподвижной матрицы обеспечивает максимальную простоту конструкции, но требует больших масс ТАМ. Кроме этого, температура теплоносителя на выходе из аккумулятора изменяется в течение времени, что требует дополнительной системы поддержания постоянных параметров путем перепуска.

Канальные тепловые аккумуляторы широко применяются в системах электро-, теплоснабжения, использующих внепиковую энергию. Теплоаккумулирующий материал (шамот, огнеупорный кирпич и т. п.) нагревается в периоды минимального потребления электроэнергии, что позволяет выравнивать графики загрузки электростанций. Пропуская холодный воздух через матрицу можно производить обогрев помещений. 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. Температура их нагрева может достигать 3 500 К, что обеспечивает приемлемые массогабаритные характеристики установки.

Подземные аккумуляторы тепла с горизонтальными каналами применяются для аккумуляции тепла и его использования в течение 2-4 месяцев.

Аккумуляторы тепла в водоносных горизонтах используются для аккумуляции количества тепла, достаточного для теплоснабжения небольшого поселка в течение года. Здесь в качестве ТАМ используется водопроницаемый слой земли, в который в режиме заряда через скважину закачивается горячая вода, а в режиме разряда через другую скважину закачивается холодная вода. Вследствие отсутствия поверхностей теплообмена данный тип тепловых аккумуляторов обеспечивает наилучшие экономические характеристики среди подземных аккумуляторов тепла. Очевидно, что недостатками таких видов аккумуляторов являются сложность проектирования для конкретного вида водоносного горизонта, большие энергетические затраты на прокачку теплоносителя.

Использование подвижной матрицы предполагает применение тепловых аккумуляторов, как правило, в виде вращающегося регенератора, устройств с падающими шарами и т. п. Такие аккумуляторы применяются в аппаратах регенерации тепловой энергии, и вследствие малой продолжительности рабочего цикла они имеют небольшие конструктивные размеры. Для тепловых аккумуляторов с подвижной матрицей характерна постоянная температура газа на выходе.

Основные показатели аккумуляторов тепла с твердым ТАМ определяются в зависимости от их конструктивных решений и назначения. При этом принимаются допущения о равномерности распределения потоков теплоносителей по площади матрицы, независимости свойств ТАМ и теплоносителей от температуры и ряд других.

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 ТАМ 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 °C. Необходимо отметить, что широкое применение тепловых аккумуляторов с плавящимся ТАМ сдерживается, прежде всего, соображениями экономичности создаваемых установок.

При небольших рабочих температурах (до 120 °C) рекомендуется применение кристаллогидратов неорганических солей, что связано в первую очередь с использованием в качестве ТАМ природных веществ. Для реального применения рассматриваются только вещества, не разлагающиеся 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 показатели. Однако в процессе работы теплового аккумулятора с органическими ТАМ происходит снижение теплоты плавления вследствие разрушения протяженных цепочек молекул полимеров. Из-за низкого коэффициента 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 1 600 °C применяются, как правило, соединения и сплавы щелочных и щелочноземельных металлов. Существенным недостатком применения соединений металлов принято считать низкий коэффициент теплопроводности, коррозионную активность, изменение объема при плавлении. Для защиты от химической коррозии очевидно необходимо подобрать конструкционные материалы или ингибиторы коррозии, обеспечивающие заданный срок службы теплового аккумулятора.

Перспективно использовать смеси и сплавы органических и неорганических веществ, позволяющие 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 исключение их недостатков.

Основные типы тепловых аккумуляторов фазового перехода.

Размещение ТАМ в капсулах обеспечивает высокую надежность конструкции, позволяет создавать развитую поверхность теплообмена, компенсировать (при использовании гибких капсул) изменение объема в процессе фазовых переходов. Однако вследствие низкой теплопроводности ТАМ необходимо большое число капсул малого размера, что приводит к большой трудоемкости изготовления теплового аккумулятора. Поэтому целесообразным является применение капсульных тепловых аккумуляторов в случаях малых тепловых потоков, отводимых теплообменной поверхностью.

Расположение ТАМ в межтрубном пространстве кожухотрубного теплообменника обеспечивает рациональное использование внутреннего объема теплового аккумулятора и применение традиционных технологий изготовления теплообменных аппаратов. Однако при такой конструкции затруднено обеспечение свободного расширения ТАМ, вследствие чего понижена надежность аккумулятора в целом.

Самым технологически сложным и дорогим элементом теплового аккумулятора традиционной конструкции является теплообменная поверхность. Вследствие низких коэффициентов теплопроводности большинства плавящихся ТАМ, в настоящее время предложены различные способы уменьшения поверхности теплообмена путем соскребания ТАМ, путем ультразвукового либо электрогидравлического разрушения затвердевшего ТАМ. Указанные выше способы позволяют существенно снизить величину термического сопротивления теплообменной поверхности, но в то же время они в несколько раз увеличивают нагрузки на конструктивные элементы аккумулятора.

Известно, что лучшим вариантом теплообменной поверхности является ее полное отсутствие, т. е. непосредственный контакт теплоаккумулирующего материала и теплоносителя. Очевидно, что в этом случае необходимо подбирать как теплоаккумулирующие материалы, так и теплоносители по признакам, обеспечивающим работоспособность конструкций.

Теплоаккумулирующие материалы в этом случае должны отвечать следующим требованиям:

- кристаллизоваться отдельными кристаллами;

- иметь большую разность плотностей твердой и жидкой фаз;

- быть химически стабильными;

- не образовывать эмульсий с теплоносителем.

Теплоносители подбираются по следующим признакам:

- химическая стабильность в смеси с ТАМ;

- большая разница плотностей по отношению к ТАМ;

- малая способность к вспениванию;

- и ряд других требований, вытекающих из особенностей конструкции.

При использовании более плотного теплоносителя, чем твердый ТАМ, в процессе работы аккумулятор заполнен смесью теплоаккумулирующего материала и теплоносителя. В верхнюю часть теплового аккумулятора подается жидкий теплоноситель, который попадает на поверхность ТАМ, охлаждает (нагревает) его и отводится из нижней части аккумулятора. За счет меньшей плотности жидкой фазы ТАМ, по сравнению с твердой, его закристаллизовавшиеся частицы опускаются в нижнюю часть аккумулятора. В дальнейшем происходит постепенное заполнение всего объема закристаллизовавшимися ТАМ.

При использовании теплоносителя с плотностью, меньшей плотности ТАМ, распыл теплоносителя происходит в нижней части аккумулятора. В процессе всплытия капель теплоносителя ТАМ нагревается либо охлаждается и одновременно интенсивно перемешивается. Очевидно, основными недостатками приведенных способов контакта ТАМ и теплоносителя являются потребности в постороннем источнике энергии для прокачки и необходимость тщательной фильтрации теплоносителя с целью препятствия уносу частиц ТАМ.

Указанные недостатки отсутствуют в конструкции, использующей принцип испарительно-конвективного переноса тепла при непосредственном контакте ТАМ и теплоносителя. Для обеспечения работоспособности теплового аккумулятора необходимо, чтобы температура кипения теплоносителя при атмосферном давлении была несколько ниже температуры плавления ТАМ. Для заряда аккумулятора давление и, соответственно, температура кипения теплоносителя в нем устанавливаются выше температуры плавления ТАМ. В зарядном теплообменнике осуществляется подвод тепла. Теплоноситель закипает, и пузырьки пара при температуре выше температуры плавления ТАМ поднимаются вверх и подогревают ТАМ. При этом происходит плавление ТАМ и конденсация теплоносителя. Расплавленный ТАМ поднимается вверх, а конденсат теплоносителя опускается вниз. По мере плавления ТАМ пузырьки теплоносителя выходят в паровое пространство теплового аккумулятора, и в конце процесса зарядки весь теплоноситель в паровой фазе находится в паровом пространстве. На этапе отвода тепла от теплового аккумулятора давление в нем снижается так, что температура конденсации теплоносителя становится ниже температуры плавления ТАМ. При отводе тепла на поверхности разрядного теплообменника происходит конденсация теплоносителя, который стекает на расплавленный ТАМ. В результате происходит испарение капель теплоносителя и кристаллизация частиц ТАМ. Затвердевший ТАМ опускается в нижнюю часть теплового аккумулятора, а пар теплоносителя поднимается вверх. По мере охлаждения ТАМ капли теплоносителя опускаются все ниже и ниже, и в конце разрядки весь теплоноситель оказывается в нижней части теплового аккумулятора.

Наибольшее распространение получили жидкостные тепловые аккумуляторы.

Паровые тепловые аккумуляторы конструктивно могут быть выполнены в виде:

- стального цельносварного корпуса;

- сосуда из предварительно напряженного железобетона или чугуна;

- подземного резервуара высокого давления.

Большие габариты, значительная трудоемкость и сложность в изготовлении, затрудненный контроль и осмотр (при подземном размещении) тепловых аккумуляторов такого типа препятствует их широкому распространению.

Использование термохимических циклов в тепловых аккумуляторах основывается на принципе возникновения химического потенциала в результате обратимой химической реакции в неравновесном состоянии. Важным преимуществом химических способов аккумулирования тепловой энергии, по сравнению с обычными, является то, что запасенная энергия может храниться достаточно длительное время без применения тепловой изоляции, облегчены проблемы транспорта энергии на значительные расстояния.

Аккумулятор на основе талькохлорита. Талькохлорит– горная порода, относящаяся к группе хлоритов, водных метаалюмосиликатов магния и железа. Встречается в виде плотных масс грубосланцеватой текстуры, образуя пластовые залежи. Талькохлорит– массивная разновидность талька, необработанная тальковая руда. Цвет минерала может быть белым, серым или коричневатым с зеленоватым или желтоватым оттенком. Реже встречается красный или темно-вишневый. Блеск – матовый, шелковистый. Минерал кажется на ощупь жирным, настолько он гладкий. Он хотя и плотен, но настолько мягок, что оставляет полосу на темном сукне.

Талькохлорит – мягкий сланец, состоящий из карбонатов – кальцита CaCO₃, магнезита MgCO₃, доломита CaMg(CO₃)₂ и слоистых гидросиликатов – талька Mg₃(Si₄O₁₀)(OH)₂ и значительно более сложного по составу хлорита.

Минеральный состав камня: тальк 40-50%, магнезит 40-50%, хлорит 5-8%.

Химический состав камля: SiO₂ 30-33%, MgO 27-32%, CO₂ 20-21%, H₂O 2-3%, Fe (Fe₂) 8-10%, CaO 1-2%, Al₂O₃ 1-2%.

Физико-механические свойства:

Плотность 2980 кг/м³;

Точка плавления 1630-1640°С;

Удельная теплоемкость 0,98 кДж/кг°С;

Теплопроводность 6,4 Вт/мК;

Тепловое расширение 0,001% /°C;

Прочность при изгибе с растяжением в тангенциальном направлении 16,8 МН/м²;

Прочность при изгибе с растяжением в направлении обратном тангенциальному 15,7 МН/м²;

Истираемость на круге 3,41 г/см²;

Пористость 2,0%;

Водопоглощение 0,4%;

Предел прочности на сжатие в сухом состоянии 468 кг/м²;

Предел прочности на сжатие в водонасыщенном состоянии 167 кг/м²;

Морозостойкость F 100;

Электропроводность 1,9 ∙ 10^-8 См;

Пробивное напряжение 18 кВ/м.

Хорошая по сравнению с другими материалами теплопроводность талькохлорита является следствием его плотной структуры и минерального состава. Эта характеристика позволяет равномерный и быстрый разогрев талькохлорита с разных сторон структуры.

Талькохлорит обладает исключительно высокой устойчивостью к воздействию химикатов. Даже сильные кислоты не причиняют ему вреда.

Экологическая чистота – одно из наиболее важных свойств талькохлорита. Отсутствие радиоактивности, вредных для здоровья человека примесей (в том числе и асбеста), способность выдерживать высокие температуры нагрева (до 1600°C) – залог успешного и эффективного использования талькохлорита как в русской бане, так и финской сауне.

Талькохлорит – превосходный строительный материал. Благодаря своей долговечности и высоким теплотехническим свойствам талькохлорит является прекрасным камнем для банных печей, ведь его теплоемкость в 2,5 раза выше, чем у печного кирпича. Поэтому при своих сравнительно небольших размерах камины и печи отапливают достаточно большие площади, а накопленное тепло держат и равномерно отдают в помещение от 18 до 36 часов.

Принцип действия теплового аккумулятора на основе талькохлорита: основа рабочего тела тепловых аккумуляторов – экологически чистый природный материал талькохлорит. Накопление тепла от электроэнергии в ночное время при дешевом тарифе на электроэнергию (11 часов) и равномерная отдача тепла в дневное время (13 часов) для Московской области:

· с 21.00 до 8.00 – нагрев рабочего тела за счет электроэнергии от низкого ночного тарифа;

· с 8.00 до 21.00 теплоизоляция теплового аккумулятора сохраняет тепло в рабочем теле.

Степень нагрева рабочего тела из талькохлорита устанавливается в зависимости от температуры наружного воздуха.

При уменьшении температуры в комнате автоматически, от датчика температуры, включается вентилятор, подающий теплый воздух по системе воздуховодов. Забор и подача воздуха может осуществляться в любое место помещения.

Массовое применение тепловых аккумуляторов помогут решить проблему дневных пиковых нагрузок, в городах с недостатком электрических мощностей и высвободить часть электрогенерирующих мощностей для их загрузки новыми потребителями электроэнергии.

Электротепловой аккумулятор работает следующим образом: в 21.00 электропарогенератор подключают к электросети через розетку с заземляющим проводником, который вырабатывает пар, тот в свою очередь заполняет паровую рубашку и греет емкость с теплоаккумулирующим материалом (ТАМ). По мере прогрева ТАМ давление пара в рубашке начинает возрастать и преодолевать усилие пружины сильфонного расширителя, сильфон сжимается и часть воды из парогенератора переходит в расширитель. Уровень воды в парогенераторе понижается, уменьшается активная площадь электрода, мощность парогенератора падает, уменьшается выработка пара, давление стабилизируется. При полной зарядке аккумулятора вся вода из парогенератора перемещается в расширитель, электрод полностью оголяется и мощность парогенератора становится равной нулю. В 8.00 электротепловой аккумулятор можно выключить. Разрядка аккумулятора производится в дневное время за счет нагрева проходящей через теплообменник холодной воды без потребления электроэнергии из электросети. В качестве предохранительного устройства установлен датчик-реле давления ДЕМ- 108, который посредством своих контактов отключает парогенератор от электросети в случае достижения давления пара в рубашке предельного значения.

 

 

Рис. 2.17. Принцип действия электротеплового акумулятора.

За 11 часов ночного времени обладатель электротепловой аккумулятора потребит из электросети 22 кВт×часов электроэнергии.

Эти рассуждения полностью справедливы и для потребителей, у которых в доме или в квартире смонтировано электроотопление, но не традиционное, а с индивидуальными теплоаккумулирующими радиаторами: ночью они отапливают помещение и накапливают тепловую энергию, а днем отдают эту энергию, будучи отключенными от сети. Количество электроэнергии, потребленной из электросети остается неизменной, а вот стоимость уменьшается в 3 раза.

Таким образом использование электротепловых аккумуляторов выгодно и для потребителя (экономия денег) и для производителя электроэнергии (более равномерная загрузка генерирующих мощностей позволит эксплуатировать их с более высоким КПД (экономится топливо), а часть из них возможно вывести в резерв).

В отличие от городов с централизованным теплоснабжением в Российской глубинке еще достаточно приличная часть населения использует для отопления своих жилищ индивидуальные печные системы отопления с достаточно низким КПД при высокой стоимости твердого топлива.

На рис. 2.18 показана принципиальная схема использования теплового аккумулятора на “хвосте” печного котла. В зависимости от финансовой состоятельности потребителя можно рассчитать и установить у него такой аккумулятор, что процесс топки этого агрегата будет занимать несколько часов в неделю, остальное время отапливать жилище будет тепловой аккумулятор.

 

Рис. 2.18. Тепловой аккумулятор на ²хвосте² печного котла.

Установка теплового аккумулятора позволит значительно повысить КПД тандема “печной котел-аккумулятор”, что приведет по расчетам к экономии до 20-50% покупаемого для целей отопления топлива.