Аккумуляция тепловой энергии

Аккумулятором тепла называется устройство (или совокупность устройств), обеспечивающее обратимые процессы накопления, хранения и выработки тепловой энергии в соответствии с требованиями потребителя. По характеру физико-химических процессов, протекающих в теплоаккумулирующих материалах (ТАМ), различают:
- Аккумуляторы емкостного типа, в которых используется теплоемкость нагреваемого (охлаждаемого) ТАМ без изменения его агрегатного состояния (природный камень, галька, вода, водные растворы солей и др.);
- Аккумуляторы фазового перехода вещества, в которых используется теплота плавления (затвердевания) вещества;
- Аккумуляторы энергии, основанные на выделении и поглощении теплоты при обратимых химических и фотохимических реакциях.

Аккумуляторы емкостного типа. Аккумуляторы тепла емкостного типа подразделяются на жидкостные тепловые аккумуляторы и тепловые аккумуляторы с твердым теплоаккумулирующим материалом.

Жидкостные тепловые аккумуляторы. Жидкостные тепловые аккумуляторы относятся к числу наиболее простых и надежных устройств аккумулирования тепла, что связано с совмещением функций теплоаккумулирующего материала и теплоносителя. В настоящее время применяются несколько основных конструктивных исполнений жидкостных ТА (Рис.25).

Рис.25. Основные типы жидкостных аккумуляторов тепла (магистрали показаны в режиме разряда): а – двухкорпусной; б – многокорпусный; в – вытеснительный; с – со скользящей температурой ТАМ;      1 –  горячий ТАМ; 2 – холодный ТАМ; 3 – потребитель; 4 – единый корпус; 5 – уровень жидкости; 6 – промежуточный теплоноситель/

Конструктивное исполнение жидкостного ТА во многом определяется свойствами теплоаккумулирующего материала, в качестве которого наиболее широко используются вода и водные растворы солей, высокотемпературные органические и кремнийорганические теплоносители, расплавы солей и металлов.

Таблица 6. Теплофизические свойства жидких ТАМ

В диапазоне рабочих температур 0...100 ^оС лучшим жидким ТАМ как по комплексу теплофизических свойств, так и по экономическим показателям является вода. Дальнейшее повышение ее рабочей температуры связано с существенным ростом давления, что усложняет проектирование корпуса, повышает его стоимость. С целью обеспечения низких рабочих давлений ТАМ используются различные высокотемпературные теплоносители, однако при этом возникают проблемы подбора конструкционных материалов теплового аккумулятора и системы в целом, применения специальных устройств, предотвращающих отвердение ТАМ на всех режимах эксплуатации, герметизации ТА и ряд других.

Тепловые аккумуляторы с твёрдым теплоаккумулирующим материалом. В настоящее время наиболее распространены тепловые аккумуляторы с твердым ТАМ, что обусловлено в первую очередь применением наиболее дешевых материалов, простых и проверенных технических решений.

Рис.26. Основные типы ТА с твердым ТАМ: а – с пористой матрицей; б, в – канальный; г, д – подземный с вертикальными и горизонтальными каналами; е – в водоносном горизонте; 1 – вход теплоносителя; 2 – теплоизоляция; 3 – разделительная решетка; 4 – ТАМ; 5 – опоры; 6 – выход теплоносителя; 7 – разделении потоков; 8 – индуктор; 9 – водоносный слой; 10 – водонепроницаемый слой

Традиционно рассматриваются тепловые аккумуляторы с неподвижной и 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. На Рис.26. показано несколько характерных технических решений таких аккумуляторов тепла.

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 имеют небольшие конструктивные размеры. Для тепловых аккумуляторов с подвижной матрицей характерна постоянная температура газа на выходе. Основные характеристики наиболее часто применяемых твердых ТАМ приведены в Таблице 7.

Таблица 7. Основные свойства твердых ТАМ.

С целью уменьшения амплитуды колебаний температуры холодного газа используется одновременная работа нескольких аккумуляторов, разряжаемых на общий канал. В этом случае амплитуда колебаний уменьшается пропорционально количеству работающих ТА. Очевидно, что для достижения постоянной температуры газа необходимо бесконечное их количество, что реализуется во вращающемся регенераторе.