Повышение эффективности тепловых аккумуляторов в системах отопления и ГВС с помощью ультразвука

Размещено на http://www.allbest.ru/

Повышение эффективности тепловых аккумуляторов в системах отопления и ГВС с помощью ультразвука

Калугин К.С., Лекомцев П.Л.

Ижевская государственная сельскохозяйственная академия

Аннотация

В работе рассмотрена возможность применения тепловых аккумуляторов на основе фазопереходного теплоаккумулирующего материала в системах теплоснабжения сельскохозяйственных предприятий. Представлен анализ эффективности ультразвуковой очистки теплообменника в процессе разрядки теплового аккумулятора с фазопереходным теплоаккумулирующим материалом.

Ключевые слова: аккумулятор теплоты, фазовый переход, ультразвук, кавитация, кавитационная эрозия

Введение

Повышение надежности энергоснабжения является актуальной задачей современной энергетики, а в таких областях деятельности, как сельское хозяйство, потребность в надежном и стабильном энергоснабжении стоит особенно остро, поскольку от поддержания стабильного микроклимата зависит качество и количество конечного продукта.

В любых системах энергоснабжения присутствуют такие элементы, как первичный источник энергии, преобразователь и потребитель преобразованной энергии [1]. В системах энергоснабжения наблюдается неравномерность генерации и потребления энергии, при этом часто пики потребления не совпадают с пиками генерации энергии, что выражается в колебаниях микроклимата внутри помещений. Наиболее критично это в сельском хозяйстве, поскольку поддержание стабильного микроклимата жизненно важно для живых организмов, особенно для молодых растений и животных. Из-за этого возникает ряд задач, решением которых является применение разного рода аккумуляторов энергии [1, 2].

Одна из главных целей использования аккумуляторов в системах энергоснабжения - сглаживание упомянутых пиковых нагрузок в потреблении энергии. Наравне с этим стоит задача выравнивания колебаний генерации энергии, присущих, главным образом, энергосистемам современных ферм, основанным на возобновляемых источниках энергии (солнечные и геотермальные энергетические установки, гидроаккумулирующие электростанции, а также ветро-, гидро- и солнечные энергетические установки).

Кроме этого, выделяется ряд более мелких задач [1]:

- необходимость обеспечения резерва в случае внезапного прекращения работы установок для снижения материальных потерь в случае аварийных ситуаций;

- потребность в регулировании и буферном аккумулировании энергии при высоких амплитудах изменения нагрузки, что позволяет компенсировать нагрузку при малых мощностях источников энергии;

- возможность покрытия пиков нагрузки и снижения стоимости системы энергоснабжения в части преобразования энергии, а также в части распределительной сети, благодаря аккумулированию энергии.

В системах электроснабжения аккумуляция электроэнергии осуществляется, как правило, для аварийного резервирования систем сигнализации и пожаротушения, в системах противоаварийной автоматики, а также в комплексе с солнечными и ветровыми электрогенераторами, где эффект от их использования наиболее ощутим.

Применение аккумуляторов для электроснабжения основного производства в настоящее время крайне затруднительно ввиду малой емкости аккумуляторных батарей и ощутимо продолжительного времени, требующегося на их полную зарядку. Здесь куда более значительную роль играет накопление первичных энергоресурсов, интенсивность использования которых в часы пиковых нагрузок повышается. Так, например, эффективнее включить в работу дополнительный генератор или повысить мощность имеющихся.

В системах теплоснабжения, напротив, экономически выгоднее иметь запасенную теплоту в непосредственной близости от её потребителей ввиду ряда причин:

- системы теплоснабжения обладают большой инерцией;

- повышение расхода теплоносителя без конструктивных изменений трубопровода приводит к дефициту теплоносителя вследствие ограниченной пропускной способности трубопровода;

- повышение температуры теплоносителя и/или давления в системе выше допустимого может привести к повреждению теплотрассы;

- в случае избыточного поступления теплоты в обслуживаемые помещения, например, в летнее время, тепловые аккумуляторы позволят осуществить более тонкое регулирование температуры, поглощая избыточную теплоту.

Цели и задачи

Целью данной работы является повышение эффективности работы фазопереходного теплоаккумулятора за счет ультразвуковой очистки теплообменника от затвердевающего теплоаккумулирующего материала.

ультразвуковая очистка тепловой аккумулятор теплоснабжение сельскохозяйственный

Материалы и методы исследования

Идея решить задачу накопления и хранения теплоты не нова, и к настоящему времени создано много различных вариантов аккумулирующих систем, позволяющих хранить тепловую энергию. Все их можно классифицировать по рабочему температурному диапазону на следующие группы: для производства холода (T<20єC), низкотемпературные (20<T<200 єC), среднетемпературные (200<T<500 єC) и высокотемпературные (T>500 єC) [2, 3].

Традиционно классификацию систем аккумулирования тепловой энергии проводят по физико-химическим процессам, проходящим в теплоаккумулирующем материале [2-4]:

-тепловые аккумуляторы с твёрдотельным теплоаккумулирующим материалом;

- жидкостные тепловые аккумуляторы;

- паровые тепловые аккумуляторы;

- термохимические тепловые аккумуляторы;

- тепловые аккумуляторы с плавящимся теплоаккумулирующим материалом.

Кроме этого, некоторые авторы выделяют в отдельную группу тепловые аккумуляторы с электронагревательным элементом. Так, автор [2] относит их к особому типу канальных тепловых аккумуляторов с твердотельным теплоаккумулирующим материалом. В таких тепловых аккумуляторах в качестве теплоаккумулирующего материала используется графит. Данные тепловые аккумуляторы используются в автономных энергоустановках и могут достигать температур нагрева до 3500 К, благодаря чему имеют хорошие массогабаритные характеристики.

Каждый из вышеперечисленных видов теплоносителей работает максимально эффективно в узком диапазоне технического приложения. При этом нужно учитывать стоимость установки и эксплуатации теплового аккумулятора, долговечность, требуемый температурный режим, быстродействие и ограничения в массе и габаритах, которые налагаются в каждой конкретной ситуации. Поэтому выбор теплоносителя зависит от конкретных задач.

Для систем горячего водоснабжения (далее ГВС) и отопления существенную роль будут играть следующие параметры:

- наибольшая теплоемкость при температурах в диапазоне 60-95 °С;

- компактность;

- низкая стоимость;

- коррозионная нейтральность;

- удобство в использовании, отсутствие необходимости установки сложных и громоздких преобразователей;

- возможность зарядки непосредственно от системы отопления или ГВС;

- наибольшая скорость накопления и отдачи теплоты.

По этим признакам для систем ГВС и отопления подходят следующие теплоаккумулирующие материалы:

- твердотельные (гравий, галька);

- жидкие (как правило применяются буферные ёмкости, временно хранящие теплоноситель из самой системы теплоснабжения);

- фазопереходные.

Из них наиболее перспективными являются фазопереходные теплоаккумулирующие материалы, поскольку в диапазоне температур 60-95 °С они имеют наибольшую теплоемкость за счет скрытой теплоты плавления.

Для фазопереходных тепловых аккумуляторов систем отопления и ГВС подходят три группы веществ [4]:

- жирные кислоты;

- гидраты солей;

- парафины.

Кроме них, в теплотехнике может применяться ещё одна группа: соединения металлов. Хотя соединения металлов (гидриды, фториды, силикаты) обладают наиболее высокими значениями теплоты фазового перехода, при этом температуры фазовых переходов у них очень высоки, (tФП = 1000-3000 °С). Таким образом, их применение в системах отопления и ГВС без источника высокопотенциальной теплоты малоэффективно.

Что касается трёх ранее перечисленных групп, то стоит отметить следующие существенные особенности каждой.

Главным недостатком жирных кислот является их стоимость (в 2,0-2,5 раза выше стоимости парафинов).

Гидраты солей имеют меньшую стоимость, но им присуще неконгруэнтное плавление. Это значит, что при плавлении образуется жидкая насыщенная фракция и твердая фракция в виде более низкого гидрата той же соли, которая при этом осаждается. Кроме этого, расплавам гидратов солей свойственно переохлаждение, это означает, что жидкий расплав соли может моментально изменить агрегатное состояние при внешних воздействиях [4].

У парафинов отсутствуют недостатки, свойственные гидратам солей, они имеют сравнительно большую теплоту фазового перехода, а также не вызывают коррозионного разрушения систем отопления и ГВС, при этом цена технических парафинов составляет в среднем 110 руб./кг. По этим причинам парафин в качестве теплоаккумулирующего материала в тепловых аккумуляторах является наиболее предпочтительным. Особенно это актуально для сельскохозяйственных тепловых сетей, где требуется надежность, долговечность и простота обслуживания, последнее вызвано частой нехваткой высококвалифицированного персонала.

Парафинами называются предельные углеводороды алканового (алифатического, или жирного) ряда, имеющие формулу , вне зависимости от места, занимаемого в этом ряду, а также от физических свойств и химической структуры. Именно парафинами обычно называются углеводороды, преимущественно, нормального строения (от С9 до С40), выделенные из нефти или каких-либо других продуктов. Парафины, которые являются относительно твердыми, крупнокристаллическими продуктами, обычно классифицируют на мягкие (), среднеплавкие (), и твердые () [5].

Основным недостатком парафинов при использовании их в качестве теплоаккумулирующего материала является изменяющаяся в меньшую сторону теплопроводность парафинов при затвердевании. Это приводит к снижению плотности теплового потока на выходе из теплового аккумулятора при его разрядке. Учитывая, что теплота из такого аккумулятора выводится, как правило, с помощью теплообменника, то слой затвердевающего парафина, в первую очередь, покроет именно его. Это приводит к снижению эффективности теплового аккумулятора в целом, поскольку препятствует оперативному извлечению теплоты в случае необходимости.

На сегодняшний день существует несколько способов сохранения стабильной плотности теплового потока на выходе из теплового аккумулятора [2, 4]:

1) механическое соскабливание кристаллизовавшегося теплоаккумулирующего материала с поверхности теплообменника [2];

2) применение высокотеплопроводных инклюзивов [2, 4], например, подмешивание в теплоаккумулирующий материал металлической стружки или использование металлических прутков, пластинок и т. д.;

3) одним из перспективных способов повысить интенсивность теплоотдачи теплоаккумулирующего материала во время разрядки теплового аккумулятора является очистка поверхности теплообменника с помощью ультразвука [6].

Преимущества использования ультразвука перед другими методами очистки заключаются в отсутствии сложных механических конструкций, таких как системы скребков и щеток, и, кроме этого, не занимается полезный объём бака аккумулятора металлическими решетками и перегородками или металлической стружкой, что благоприятно сказывается на объеме запасенной энергии при равных объёмах бака. Кроме этого, снижается вероятность поломок из-за отсутствия подвижных элементов.

Перспективы применения ультразвуковой очистки

Ультразвук - это упругие колебания и волны, частота которых превышает 15-20 кГц. Ультразвуковые волны применяются в различных научных исследованиях, а также для решения самых разнообразных технических задач [7].

Прохождение ультразвука через среду сопровождается первичными и вторичными эффектами. К первичным эффектам относятся: переменное звуковое давление, постоянный поток, кавитация, поверхностное трение. Вторичные эффекты являются следствием первичных. Здесь интерес вызывает диспергирование (тонкое измельчение твердых или жидких веществ в какой-либо среде) и тепловой эффект, являющийся следствием поверхностного трения [8].

Очистка поверхностей от разного рода отложений с помощью звука возможна именно из-за эффекта, называемого кавитацией. Кавитация - это возникновение в жидкости массы пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью [7, 9]. Время жизни этих пузырьков непродолжительно, после возникновения они вскоре схлопываются, порождая в жидкости микроударные волны, микропотоки, локальный нагрев среды и ионизацию. В результате этих процессов происходит разрушение находящихся в жидкости твердых тел - кавитационная эрозия [7, 9].

Практика применения ультразвука для очистки от загрязнений за счет явления кавитации не нова. Ультразвук активно используется для очистки деталей сложной формы, при стирке белья, а также существуют системы ультразвуковой очистки систем водоснабжения.

Как уже говорилось ранее, одним из наиболее важных параметров теплового аккумулятора является стабильность теплового потока на выходе из аккумулятора, при этом желательна наибольшая скорость разрядки [1, 2, 4, 10]. Однако при остывании парафин не только затвердевает, вместе с этим значительно снижается его теплопроводность (с 2,13 Вт/м*К до 0,12 Вт/м*К). С учетом того, что затвердевание происходит, в первую очередь, на поверхности теплообменника, можно утверждать, что тепловой поток начнёт снижаться почти сразу после введения теплового аккумулятора в работу (рис. 1).

Рис. 1. Образование слоя твердого парафина на поверхности теплообменника. 1 - затвердевший парафин; 2 - жидкий парафин; 3 - стенка теплообменника; 4 - вода

При воздействии ультразвуковой волны слой затвердевшего парафина будет разрушаться под воздействием кавитации и относиться микропотоками от теплообменника (рис. 2). Таким образом, можно продлить промежуток времени, в котором отводимый от аккумулятора тепловой поток максимально интенсивный.

Степень кавитационного разрушения возрастает с увеличением температуры, однако превышение определенной температуры ведёт к снижению уровня кавитационных разрушений. Это связанно с повышением упругости паров и газов внутри кавитационного пузырька [9].

Рис. 2. Разрушение кристаллизовавшегося слоя на поверхности теплообменника, образующегося во время разрядки теплового аккумулятора.

1 - затвердевший парафин; 2 - жидкий парафин; 3 - магнитострикционный преобразователь; 4 - стенка теплообменника; 5 - вода

Механическое разрушение твердых тел под воздействием кавитационной эрозии обусловлено возникновением микроударных волн при захлопывании кавитационных пузырьков и акустическими микропотоками при пульсации кавитационных пузырьков. Образование кавитационных пузырьков, в первую очередь, происходит на шероховатостях и в микротрещинах твердых тел, а также на мельчайших нерастворимых твердых частицах и пузырьках газов. Микроударные волны скалывают кусочки твердых тел, разрушая их, после чего под воздействием микропотоков жидкость проникает в свежие углубления, способствуя всё более эффективному и глубокому разрушению [7].

Разрушение происходит за счет кавитационной эрозии. Её количество оценивают безразмерным критерием эрозионной активности К (1) [7]:

. (1)

где: f - частота колебаний;

Дt - время захлопывания;

Rmax и Rmin - максимальный и минимальный радиусы пузырька.

Значительное воздействие на К оказывает Р₀ - избыточное статическое давление и р_а - амплитуда звукового давления. Помимо этого, эрозионная активность зависит и от других параметров звукового поля, а также физико-химических свойств жидкости. К ним относятся: поверхностное натяжение, плотность жидкости, частота ѓ ультразвука, температура среды, коэффициент вязкости и коэффициент упругости насыщенного пара [7]. Большой интерес также представляет изучение влияния на кавитацию отраженного ультразвука от элементов конструкции, находящихся внутри бака аккумулятора, главным образом, от теплообменника, а также от стенок бака.

Необходимо учесть, что пузырьки не всегда захлопываются в фазу сжатия. Очень часто перед этим они захлопываются в конце 1 или 2 фазы сжатия, это происходит вследствие инерции жидкости [7].

Стоит отметить, что возникновение кавитации зависит от целого ряда факторов. Имеющиеся в настоящее время данные указывают на то, что кавитационный порог (минимальные звуковые давления, при которых возникает кавитация) зависит от частоты: при повышении частоты кавитационнный порог увеличивается. Это увеличение начинает сказываться при частотах порядка нескольких мегагерц. Кавитационный порог также зависит от вязкости жидкости, но эта зависимость очень слабая: так, при изменении вязкости среды от 0,001 Па·с до 0,1 Па·с кавитационный порог увеличивается только в 2 раза [11].

Отношение максимального радиуса пузырька Rmax к минимальному радиусу Rmin называется степенью сжатия и выражается уравнением [7]:

, (2)

где: - отношение изобарной теплоемкости к изохорной теплоемкости г=с_р/с_v;

Р=Р₀+р_а - давление в жидкости,

Q - газосодержание, характеризуемое давлением [7].

Подставляя в формулу (1) формулу (2), получаем:

. (3)

Учитывая, что частота колебаний f равна 1/Т, получим К:

, где n = (1, 2, 3, ..., i) (4)

При решении этого уравнения наибольшую сложность вызывает определение значения газосодержания. Одним из наиболее точных методов расчета давления паров углеводородов является решение уравнения Тека-Стила [12]:

, (5)

где:

, (6)

, (7)

, (8)

, (9)

где: Pc - критическое давление, Па;

Tc - критическая температура, К;

T_b - нормальная температура кипения, К;

Tr - приведенная температура, ;

Tbr - приведенная температура кипения, К;

- коэффициент Риделя в критической точке;

- безразмерный параметр;

- теплота парообразования при нормальной температуре кипения, наиболее точно определяется по методу Ветере [12]:

, (10)

где R - универсальная газовая постоянная (R = 1.987).

Следует обратить внимание на то, что - это приведенное давление паров, следовательно, по аналогии с приведенной температурой, находим давление паров: . Результаты расчетов давления паров Н-эйкозана представлены на рис. 3.

В данной работе расчет критерия эрозионной активности был произведен для Н-эйкозана , для которого известны следующие параметры [12]: T_b = 617, К; T_c = 767, К; P_c = 11, атм. Температурный диапазон был выбран от 45 до 95 °С.



Рис. 3. Давление паров Н-эйкозана

В результате расчетов установлено, что давление паров Н-эйкозана с увеличением температуры возрастает по экспоненте.

Для оценки критерия эрозионной активности по формуле (1) необходимо знать время захлопывания пузырьков. Однако, учитывая то, что пузырьки не всегда захлопываются в первую фазу сжатия, и это часто происходит с пропуском одного или нескольких полупериодов сжатия, в зависимости от амплитуды, примем Дt равным n*Т, где n - целое число. Для проведения расчетов звуковое давление было принято равным Па. Результаты расчетов К по формуле (1) представлены на рис. 4.

Расчет критерия эрозионной активности для расплава Н-эйкозана по формуле (4) дает меньшие значения, однако разница в результатах составляет 2,6%. Результаты расчетов К по формуле (4) представлены на рис. 5.

Рис. 4. Критерий эрозионной активности для расплава Н-эйкозана

Рис. 5. Критерий эрозионной активности для расплава Н-эйкозана

Для оценки влияния на кавитационную эрозию внешнего давления был произведен расчет при статическом давлении в интервале от 1 атм. до 25 атм. Результаты расчета представлены на рис. 6.

Рис. 6. Критерий эрозионной активности для расплава Н-эйкозана при повышенном давлении в баке с парафином

Силу, возникающую при захлопывании пузырька газа, можно определить по формуле, вычисленной Рэлеем [11]:

, (11)

где р₀ - гидростатическое давление.

Если начальный радиус пузырька равен R₀, и под действием гидростатического давления Р₀ он уменьшается до величины R, то на расстоянии х=1,59 R возникает давление р [11]. Так, при статическом давлении, равном 1 атм., и звуковом давлении, равном 10 атм., сила при захлопывании пузырька газа в рассматриваемом случае будет равна 2,18 атм.

Выводы

Аккумуляторы теплоты позволяют сгладить графики тепловой нагрузки, нивелировать инертность теплотрассы, а также запитать большее количество потребителей без реконструкции теплотрассы, и, как следствие, повысить экономическую эффективность энергосистемы, что особенно актуально в системах теплоснабжения в сельском хозяйстве из-за чувствительности живых организмов к перепадам температур в условиях удаленности от центральных систем отопления, протяженности и разветвленности теплотрассы и малой мощности местных котельных.

На основании результатов расчетов критерия эрозионной активности можно сказать, что наиболее интенсивно кавитационная эрозия происходит при температурах, близких к температуре фазового перехода парафина. При повышении температуры расплава парафина интенсивность эрозии снижается вследствие увеличения давления паров парафина, что согласуется с теоретическими и экспериментальными данными [7, 11]. Расчет критерия эрозионной активности при повышенных давлениях показал, что для парафина интенсивность эрозионной активности возрастает слабо, зависимость похожа на логарифмическую.

Учитывая невысокую прочность парафина, можно предположить, что для разрушения затвердевшего парафина будет достаточно значения силы при захлопывании кавитационного пузырька, близкой к расчетной, однако данное утверждение необходимо подтвердить практическими результатами.

Список использованных источников

1. Бекман Г., Гилли П. Тепловое аккумулирование энергии (пер. с англ.) - М: Мир. - 1987. - 272 с.

2. Левенберг В.Д., Ткач М.Р., Гольстрем В.А. Аккумулирование тепла. - К.: Техника. - 1991. - 112 с.

3. Григорьев В.А. Разработка аккумуляторов теплоты с зернистым теплоносителем и метода их расчета на основе математического моделирования. Диссертация … кан.тех.наук. - Воронеж - 2003. - 142 с.

4. Цимбалюк Ю.В. Исследование процессов с фазовыми переходами материалов с пластинчатыми инклюзивами в тепловых аккумуляторах. Диссертация … кан.тех.наук. - Астрахань. - 2006. - 114 с.

5. Переверзев А.Н., Богданов Н.Ф., Рощин Ю.Н. Производство парафинов. - Москва: «Химия». - 1973. - 224 с.

6. Калугин К.С., Лекомцев П.Л. Определение параметров упругой волны в вязкой среде фазопереходного теплоаккумулятора // Научное и кадровое обеспечение АПК для продовольственного импортозамещения: Материалы Всероссийской научно-практической конференции. Том II. 16-19 февраля 2016 года, г. Ижевск. - Ижевск: ФГБОУ ВО Ижевская ГСХА. - 2016. - С. 194-199.

7. Ультразвук. Маленькая энциклопедия / гл. ред. Голямина И.П. - М.: Советская энциклопедия. - 1979. - 400 с.

8. Карасенко В.А., Заяц Е.М., Баран А.Н., Корко В.С. Электротехнология. - М.: Колос. - 1992. - 304 с.

9. Розенберг Л.Д. Рассказ о неслышимом звуке. - М.: Издательство академии наук СССР. - 1961. - 160 с.

10. Бекман У., Клейн С., Даффи Д. Расчет систем солнечного теплоснабжения. - М.: Энергия. - 1982. - 128 с.

11. Красильников В.А Звуковые и ультразвуковые волны. Издание третье, переработанное и дополненное. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы. - 1960. - 560 с.

12. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей: Справочное пособие / Пер. с англ. под ред. Б.И. Соколова. 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия. - 1982. - 592 с., ил. - Нью-Йорк. - 1977.

Размещено на Allbest.ru

...