Одним из направлений повышения эффективности теплогенерирующих установок является аккумулирование тепла и его использование в системах теплоснабжения при «пиковой» тепловой нагрузке.
В настоящее время известно большое многообразие видов и конструкций тепловых аккумуляторов с разными теплоаккумулирующими материалами (ТАМ), обусловленное широким спектром областей применения аккумуляторов тепла (прил. 4). Множество методов и способов аккумулирования приводит к различным техническим и конструктивным решениям (рис. 3.13):
• тепловые аккумуляторы с твердым ТАМ;
• тепловые аккумуляторы с плавящимися 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 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- и 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 осуществлять 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 3500 К, что обеспечивает приемлемые массогабаритные характеристики установки.
Подземные аккумуляторы тепла с горизонтальными каналами применяются для аккумуляции тепла и его использования в течение 2-4-х месяцев.
Рис. 3.13. Основные типы тепловых аккумуляторов с твердым теплоаккумулирующим материалом:
а - с пористой матрицей; б, в - канальные; г, д - подземные с вертикальными и горизонтальными каналами; е - в водоносном горизонте; - вход теплоносителя; 2 - теплоизоляция; 3 - разделительная решетка; 4 - ТАМ; 5 - выход теплоносителя; б - разделение потоков; 7 - водоносный слой; 8 - водонепроницаемый слой
Аккумуляторы тепла в водоносных горизонтах применяются для аккумуляции 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 - холодная. Из-за отсутствия поверхностей теплообмена данный тип тепловых аккумуляторов обеспечивает наилучшие экономические характеристики среди подземных аккумуляторов тепла. Очевидно, что их недостатками являются сложность проектирования для водоносного горизонта и 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. Они используются в аппаратах регенерации тепловой энергии и из-за малой продолжительности рабочего цикла имеют небольшие конструктивные размеры. Для тепловых аккумуляторов с подвижной матрицей характерна постоянная температура газа на выходе.
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 1400°С. Необходимо отметить, что широкое применение тепловых аккумуляторов с плавящимся ТАМ 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 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 полимера. 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 1600°С используются, 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. Следует также 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.
Известно, что лучшим вариантом теплообменной поверхности является ее полное отсутствие, т. е. непосредственного контакта 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.
Рис. 3.14. Конструкция теплового аккумулятора с тепловыми трубами:
1 - тепловой аккумулятор с зернистой матрицей; 2 - коллектор с нагреваемой средой;
3 - коллектор-газоход с греющей водой; 4,5 - подводящие и отводящие теплоту тепловые трубы, соответственно; 6 - зернистая масса
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 конструкций.
Кроме аккумуляторов с ТАМ, распространение получили жидкостные и паровые тепловые аккумуляторы.
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; транспортировать энергию на значительные расстояния.
Конструкция теплового аккумулятора с тепловыми трубами к теплогенерирующей установке приведена на рис. 3.14. Тепловой аккумулятор устанавливается в хвостовой части котла: в газоход помещаются испарительные части тепловых труб, а конденсаторы размещены в зернистой массе.
Между подводящими теплоту тепловыми трубами установлены также трубы, отводящие теплоту от зернистой массы. К преимуществам использования в качестве теплообменных поверхностей тепловых аккумуляторов тепловых труб следует отнести простоту компоновки, надежность и стабильность работы, меньшие гидравлические потери в газовом тракте. Таким образом, применение аккумуляторов теплоты в системах теплоснабжения позволит повысить эффективность использования топлива, что увеличивает к.п.д. источника тепла.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему