Энергетический баланс теплового аккумулятора

Тепловое  аккумулирование – это физические или химические процессы, посредством которых происходит накопление тепла в тепловом аккумуляторе энергии (ТАЭ).

Аккумулятор состоит из резервуара для хранения (обычно теплоизолированного), аккумулирующей среды (рабочего тела), устройств для  зарядки и разрядки и вспомогательного оборудования.

Аккумулирующая  система характеризуется способами, которыми энергия для зарядки  аккумулятора отбирается от источника, трансформируется (при необходимости) в требуемый вид энергии и  отдается потребителю.

Баланс  энергии для процесса теплового аккумулирования с использованием сосуда-аккумулятора в общем виде можно записать

Eвх  – Eвых = Eак

где Eвх – подведенная энергия, Eвых  – отведенная энергия, Eак – аккумулированная энергия. 
 
Применяя первый закон термодинамики для подведенной и отведенной энергии к этой открытой системе, получим основное уравнение аккумулирования энергии для открытых систем в дифференциальной форме.

Исследование  общего уравнения (5.1.2) показывает, что  аккумулирование энергии может  осуществляться в результате изменения: а) удельной внутренней энергии; б) удельной потенциальной энергии; в) удельной кинетической энергии; г) массы системы. К тепловому аккумулированию энергии обычно относят случай (а), а также случай (б), если удельная внутренняя энергия рабочего тела выше, чем окружающей среды. 
Если накопление и кинетической, и потенциальной энергии исключено (сак =0, Н = 0) и если, кроме того, члены уравнения, соответствующие кинетической и потенциальной энергиям подводимой и отводимой масс, пренебрежимо малы, а работа ограничена движением поверхностей, ограничивающих систему, т. е. если

dW = pакdVак

где Vак – объем аккумулятора; рак  – давление в аккумуляторе, то уравнение  преобразуется к виду, справедливому  для аккумулятора тепла:

(и  + pv) вхdmвх + dQ – (u + pv) выхdmвых = d(um)ак + pакdVак.

Используя определение энтальпии, имеем

h = u + pv

и, следовательно, энергетический баланс принимает вид

hвхdmвх + dQ – hвыхdmвых = d(um)ак + pак dVак

Соответственно  баланс массы запишется как

dmвх  – dmвых = dmак

Процессы  зарядки и разрядки описываются в общем виде уравнениями приведёнными выше. В простых случаях возможно аналитическое решение. В других, более сложных случаях могут быть получены численные решения (в особенности это относится к процессу разрядки). 

4.2. Классификация аккумуляторов тепла

В соответствии с принятыми выше определениями  и выводами можно провести классификацию  аккумуляторов тепла.

1. Аккумулирующая  и теплообменная среды.

а) Прямое аккумулирование: аккумулирующей и теплообменной  является одна и та же среда. Аккумулирующая среда может быть твердой, жидкой, газообразной или двухфазной (жидкость плюс газ).

б) Косвенное  аккумулирование: энергия аккумулируется только посредством теплообмена (например, теплопроводностью через стенки резервуара) либо в результате массообмена специальной теплообменной среды (в жидком, двухфазном или газообразном состоянии). Собственно аккумулирующая среда может быть твердой, жидкой или газообразной (процесс может протекать без фазового перехода, с фазовым переходом твердое тело – твердое тело, твердое тело – жидкость или жидкость – пар).

в) Полупрямое аккумулирование: процесс протекает  как в случае б), за исключением  того, что аккумулирующая емкость  теплообменной среды играет более  важную роль (например, аккумулирование  горячей нефти с твердой насадкой).

г) Сорбционное  аккумулирование: в этом случае используется способность некоторых аккумулирующих сред абсорбировать газы с выделением тепла (и поглощением тепла при  десорбции газа). Передача энергии  может происходить непосредственно  в форме тепла или с помощью газа.

2. Масса  аккумулирующей среды.

а) Постоянная масса (dmак = 0): обычно это случай косвенного аккумулирования. Однако может иметь  место и прямое аккумулирование, если перемещаемая часть массы после  охлаждения (при разрядке) или нагрева (при зарядке) полностью возвращается в аккумулятор (вытеснительное аккумулирование).

б) Переменная масса (dmак ≠ 0): это всегда случай прямого  аккумулирования.

3. Объем  аккумулятора.

а) Постоянный объем (dVак = 0): этот случай соответствует  аккумулированию в закрытых (или с малым изменением объема) резервуарах.

б) Переменный объем (dVак ≠ 0): этот случай соответствует  аккумулированию при атмосферном  давлении или со специальным компрессионным оборудованием.

4. Давление  в аккумуляторе.

а) Постоянное давление (dpак = 0).

б) Переменное (скользящее) давление (dpак ≠ 0).

4.3. Системы аккумулирования

Для выполнения своих функций аккумулирующая система  должна иметь помимо аккумулирующих сосудов и их внутренних устройств  также и внешнее оборудование. При тепловом аккумулировании (как в тепловых процессах промышленных установок, так и в районных отопительных системах) для зарядки и разрядки могут понадобиться насосы, теплообменники, испарители, клапаны, трубопроводы.

Безнасосные системы аккумулирования получают энергию для зарядки из теплового цикла энергетической установки. Четыре безнасосные системы аккумулирования:

a) система  аккумулирования энергии посредством  сжатых газов, в частности,  для газотурбинных циклов;

b) система  аккумулирования с регенеративным  подогревом питательной воды паровых циклов;

c) система  аккумулирования тепла первичного  цикла для тепловых энергетических  установок с раздельными теплообменным  и рабочим циклами (аналогично  тому, как это делается в солнечных  теплоэнергетических установках);

d, e) системы  аккумулирования тепла в рабочем  цикле посредством аккумулирования  насыщенного или перегретого  пара и высокотемпературного  аккумулирования тепла в газовых  турбинах.

Дальнейшая  классификация безнасосных систем аккумулирования связана с выделением двух групп:

• включенные в энергоустановку системы аккумулирования с установкой базисной нагрузки, которая способна покрыть такую нагрузку без использования систем аккумулирования, или с основной турбиной для базисной нагрузки и отдельной пиковой турбиной, или с основной турбиной, способной нести повышенную нагрузку, которая покрывает также и пиковую нагрузку);
• безнасосные системы аккумулирования с отдельным преобразователем энергии (парогенератором) и отдельным двигателем (турбиной для пиковой нагрузки).

Кроме того, следует отличать аккумулирование  с постоянными параметрами, при  котором аккумулирующая среда отбирается из процесса и вводится в него из аккумулятора в одной и той  же точке цикла (так называемое «обратимое аккумулирование»), от аккумулирования с переменными параметрами, при котором ввод среды осуществляется в другой точке (ниже по потоку), или со значительно более низкими параметрами.

Насосные  системы аккумулирования заряжаются с помощью электрической или  механической энергии. Насосные системы аккумулирования:

f) система  пневматического аккумулирования  с отдельным аккумулятором теплоты  сжатия или без него;

g, h) системы  аккумулирования с использованием  процесса теплового насоса (например, с паровым компрессором), с верхним  (g) и нижним (h) аккумуляторами; один  из них, например нижний, может быть заменен окружающей средой.

Насосные  системы аккумулирования заряжаются обычно от электрической сети и поэтому  могут быть подключены в любом  месте сети.

Таким образом, они могут и не входить в  состав энергетической установки. Были предложены также входящие в состав энергоустановки насосные системы аккумулирования, заряжаемые механической энергией от газовой или паровой турбины.

Верхний аккумулятор  обычно имеет параметры (давление, температуру) выше параметров окружающей среды, тогда как параметры нижнего примерно такие же, как и у окружающей среды, которая, таким образом, может служить нижним аккумулятором (системы аккумулирования с тепловым источником). Насосные системы аккумулирования могут быть спроектированы и так, что окружающая среда используется в качестве верхнего аккумулятора, тогда как параметры нижнего аккумулятора выбираются много ниже, чем у окружающей среды (системы аккумулирования с низкотемпературным теплоприемником). В этом случае тепло для процесса отбирается из окружающей среды, а нижний (низкотемпературный) аккумулятор отбирает отработанное тепло и нагревается. Как отмечалось в разд. 2.3.1, плотность запасаемой эксергии таких систем с «отрицательной эксергией» может быть весьма высока (в пределе бесконечна при 0 °К).

Рассмотренная выше классификация важна для  оценки эффективности системы аккумулирования, мощности и скорости зарядки и  разрядки, для выбора режима работы, а также для контроля функционирования.

4.4. Тепловое аккумулирование  для солнечного  обогрева и охлаждения помещений

Типичная  схема активной системы с тепловым аккумулированием энергии для получения  горячей воды включает первичный  контур на антифризе, теплообменник  в нижней части аккумулирующего  бака и дополнительный нагреватель  в верхней его части. Так как эффективность солнечного коллектора снижается с увеличением разности температур первичного контура и окружающей среды, температуру первичного контура следует поддерживать на возможно более низком уровне. Для этого следует обеспечить небольшой перепад температур в теплообменнике, воспрепятствовать перемешиванию в баке и обеспечить подвод тепла только в самую холодную часть бака.

Выбор соотношения  между размерами солнечного коллектора и аккумулятора для кратковременного (горячая бытовая вода) и долговременного (обогрев) аккумулирования – интересная оптимизационная задача. Общий оптимум получается, когда оптимальны характеристики как коллектора, так и аккумулятора. Удельные емкости аккумуляторов для кратковременного аккумулирования обычно составляют 50–100 кг воды на 1 м2 площади коллектора, а для долговременного аккумулирования в климатических условиях Центральной Европы необходимы значения удельной емкости 1000 кг/м2.

Солнечный бассейн, где коллектор и аккумулятор  совмещены, является частным случаем аккумулирования с использованием горячего теплоносителя. Солнечная радиация поглощается донной поверхностью бассейна. В теплоносителе создается и поддерживается градиент концентрации соли (концентрация увеличивается с глубиной) между верхним конвективным слоем (под действием ветра) и нижним конвективным слоем (в результате отвода тепла). Благодаря этому конвекция и связанный с ней тепло-отвод к поверхности подавляются, и слой толщиной ~ 1 м, в котором нет конвекции, служит тепловой изоляцией.

Таким способом можно достичь температуры воды 100°С, а 90°С является обычным расчетным значением в зонах с жарким климатом.

Были предложены и разработаны системы аккумулирования  на основе использования теплоты  фазового перехода для зарядки и  разрядки воздухом или водой.

Рассмотрим  вариант теплообменника с оребренными  кольцевыми каналами с раздельными  контурами зарядной и разрядной  сред. Таким образом, теплообменник  позволяет проводить одновременно зарядку и разрядку. Каждый теплообменный  элемент состоит из внутренней и наружной трубок, тепловой контакт между которыми обеспечивается продольными ребрами из материала с хорошей теплопроводностью (например, алюминия). Кольцевое пространство между ребрами заполнено материалом, аккумулирующим энергию фазового перехода (равную теплоте плавления). В этом варианте система теплового аккумулирования работает как гибридный аккумулятор, в котором используются теплота фазового перехода и теплота нагрева рабочего тела.

Коллекторы  солнечного тепла разделяются на активные и пассивные; роль последних часто выполняют сами конструкционные детали здания. Такие детали должны обладать прозрачными внешними поверхностями (в виде окон или прозрачных покрытий) и высокой эффективной теплоемкостью

Правильно выбранные свойства системы ТАЭ  способствуют выравниванию температуры в помещении.