Тепловое аккумулирование в насыщенных жидкостях

ТЕПЛОВЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

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.

Рис. 1. Схема теплового аккумулятора

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

Физический пр-п

На рис. 2 показан процесс теплового аккумулирование с использованием сосуда-аккумулятора. Баланс энергии для этого процесса в общем виде можно записать

Е_вх - Е_вых = E_aк (1.1)

где Е_вх — подведенная энергия,

Е_вых — отведенная энергия,

Е_ак — аккумулированная энергия.

Рис. 2. Энергетический баланс аккумулятора.

Применяя первый закон термодинамики для подведенной и отведенной энергии к этой открытой системе, получим основное уравнение аккумулирования энергии для открытых систем в дифференциальной форме:

(u + pv + gH + с²/2)_вх dm_вх + dQ - (u + pv + gH + c²/2)_выхdm_вых - dW = d [{u + gH + c²/2)_aк∙m_aк],

где m_aк — масса аккумулирующей среды;u — внутренняя энер­гия (отсчитываемая от произвольного нулевого уровня); р — давление; v — удельный объем; g — ускорение силы тяжести; Н—высота (отсчитываемая от произвольного нулевого уров­ня); gH — удельная потенциальная энергия; с — скорость те­чения; с²/2 — удельная кинетическая энергия; dQ — тепло, подведенное к системе; dW—работа системы, не зависящая от переноса массы (например, при движении стенок системы, электрическая энергия, энергия вала двигателя).

Исследование общего уравнения (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

В этой книге определение теплового аккумулирования тем не менее распространяется и на случай изменения массы системы при низкой удельной внутренней энергии, если эксэргия (располагаемая работа) аккумулирующей среды высокая за счет ее состояния. Сюда относятся например, системы аккумулирования сжатого газа (воздуха), которые способны аккумулировать значительное количество эксэргии, даже если газ имеет температуру окружающей среды и, таким образом, его внутренняя энергия пренебрежимо мало отличается от энергии при параметрах окружающей среды. Очевидно, что такая система аккумулирования используется для накопления только механической энергии, тогда как аккумулирование тепла в смысле, соответствующем случаю (а), позволяет по­лучить как механическую энергию, так и тепло.

Если накопление и кинетической, и потенциальной энер­гии исключено (с_ак = 0, Н = 0) и если, кроме того, члены уравнения (2.2), соответствующие кинетической и потен­циальной энергиям подводимой и отводимой масс, пренебре­жимо малы, а работа ограничена движением поверхностей, ограничивающих систему, т. е. если

dW = p_акdV_aк, (1.3)

где V_aк — объем аккумулятора,

р_ак — давление в аккумуля­торе, то уравнение (1.2) преобразуется к

виду, справедливому для аккумулятора тепла:

(u + pv)_вх dm_вх + dQ — (u + pv)B_выx dm_вых = d (um)_ак + p_акd V_ак. (1.4)

Используя определение энтальпии, имеем

i = u + pv, (1.5)

и, следовательно, энергетический баланс (2.1) принимает вид

i_х dm_вх + dQ — i_вых dm_вых = d (um)_ак + p_ак dV_aк. (1.6)

Соответственно баланс массы запишется как

dm_вх — dm_вых = dm_aк. (1.7)

Процессы зарядки и разрядки описываются в общем виде уравнениями (1.4) или (1.6) и (1.7). В простых случаях воз­можно аналитическое решение. В других, более сложных случаях могут быть получены численные решения (в особен­ности это относится к процессу разрядки).

Классификация

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

1. По типу аккумулирующей и теплообменной среды

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

1.2. Косвенное аккумулирование: энергия аккумулируется только посредством теплообмена (например, теплопроводностью через стенки резервуара) или массообмена специальной теплообменной среды. Аккумулирующая среда в этом случае может быть твердой, жидкой или газообразной. Процесс аккумулирования тепла может протекать без фазового перехода или с фазовым переходом твердое тело – твердое тело, твердое тело – жидкость и жидкость – пар.

1.3. Полупрямое аккумулирование: процесс протекает так же, как и в случае 1.2, но аккумулирующая емкость теплообменной среды играет более важную роль (например, аккумулирование горячей нефти с твердой насадкой).

1.4. Сорбционное аккумулирование: в этом случае используется способность некоторых аккумулирующих сред поглощать газы с выделением тепла (и поглощать тепло при выделении газа). Передача энергии в этом случае может осуществляться непосредственно в форме тепла или через газ.

2. По массе аккумулирующей среды

2.1. Постоянная масса. Обычно это случай косвенного аккумулирования, но может иметь место и прямое аккумулирование, если перемещаемая часть массы после охлаждения (при разрядке) или нагрева (при зарядке) полностью возвращается в аккумулятор (вытеснительное аккумулирование).

2.2. Переменная масса. Это всегда случай прямого аккумулирования.

3. По объему аккумулятора

3.1. Постоянный объем. Этот случай соответствует аккумулированию в закрытых (или с малым изменением объема) резервуарах.

3.2. Переменный объем. Этот случай соответствует аккумулированию при атмосферном давлении или со специальным компрессионным оборудованием.

4. По давлению в аккумуляторе

4.1. Постоянное давление.

Тепловое аккумулирование в насыщенных жидкостях

Аккумулирующие устройства такого типа содержат жидкость и паровую подушку над ней, причем жидкость и пар находятся в термодинамическом равновесии (при температуре насыщения). Аккумулирующей средой почти всегда служит система вода – водяной пар. На рисунке 3 показано аккумулирующее устройство со всеми возможными типами зарядного и разрядного оборудования. Разрядка может производиться путем подачи насыщенного пара через разрядную линию 4, перегретого пара через дросселирующий клапан 5, жидкости через разрядную линию горячей воды 7 или только тепла через посредством теплообмена через специальную поверхность 6. В последнем случае масса аккумулирующей среды остается постоянной (косвенное аккумулирование со скользящим давлением).

Зарядка аккумулятора может осуществляться закачкой горячей воды через зарядную линию 10, либо нагревом воды до температуры насыщения за счет конденсации пара, поступающего через зарядную линию 11, подводом тепла к системе через теплообменник 9 или продувкой пара через воду по линии 8. Внутреннее устройство 12 предотвращает расслаивание.

В процессе зарядки и разрядки такого аккумулятора происходит изменение давления. Изменение фазового состояния также имеет место, но не оказывает существенного влияния на емкость аккумулятора.

Рис. 3. Аккумулятор со скользящим давлением.

1 – сосуд под давлением, 2 – водяной объем, 3 – паровая подушка,

4 – разрядная линия насыщенного пара, 5 – разрядная линия перегретого

пара, 6 – теплообменная поверхность разрядного теплообменника,

7 – разрядная поверхность горячей воды, 8 – разрядная линия пара,

9 – теплообменная поверхность зарядного теплообменника, 10 – зарядная

линия горячей воды, 11 – зарядная линия греющего пара, 12 – внутреннее

оборудование, предотвращающее температурное расслаивание воды.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: