Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний технічний університет України «КПІ»

Інститут енергозбереження та енергоменеджменту

РЕФЕРАТ

з дисципліни: «Нетрадиційні та поновлювані джерела енергії» ТЕПЛОВЕ АКУМУЛЮВАННЯ ЕНЕРГІЇ.

СИСТЕМИ АКУМУЛЮВАННЯ

КИЇВ - 2014



Зміст

Перелік умовних скорочень

Вступ

Розділ 1. Проблема накопичення тепла

Розділ 2. Різновиди теплових акумуляторів

2.1 Рідинні теплові акумулятори

2.2 Теплові акумулятори з твердим теплоакумулюючим матеріалом

2.3 Акумулятори тепла, засновані на фазових переходах

2.4 Природні акумулятори теплової енергії

Розділ 3. Застосування теплоакумулюючих матеріалів з використанням термохімічних реакцій

Розділ 4. Сонячно-електрична система акумулювання

Висновки

Список використаних джерел



Перелік умовних скорочень

АЕС - атомна електростанція

АТЕЦ - атомна теплоелектроцентраль

ГВП - гаряче водопостачання

ККД - коефіцієнт корисної дії

ПЕР - паливно-енергетичні ресурси

ПТАМ - плавкий теплоакумулюючий матеріал

РТА - рідинний тепловий акумулятор

ТА - тепловий акумулятор

ТАМ - теплоакумулюючий матеріал

ТТАМ - твердий теплоакумулюючий матеріал



Вступ

На даний час як учених, інженерів-теплоенергетиків, практиків (проектувальників, монтажників, експлуатаційників), так і рядових громадян цікавлять питання енергозбереження. Це не дивно, адже без перебільшення можна сказати, що людство стоїть на порозі енергетичної кризи. З огляду на різке підвищення цін на комунальні послуги в Україні, багато хто розуміє, що від ціни на газ і нафту залежить їхній особистий добробут та добробут суспільства в цілому. Актуальність і злободенність проблеми очевидна всім.

За умов, коли в багатьох містах зруйнована система централізованого теплопостачання, її відновлення часто економічно недоцільно. Відновлення великих котелень і теплових мереж, при відсутності експлуатації останніх протягом декількох років, вимагає значних, часто економічно необґрунтованих капітальних витрат.

У зв'язку з наявністю в Україні великої кількості атомних електростанцій, значно зросла встановлена потужність енергетичного обладнання, яке функціонує в базовому режимі, що при значній добовій нерівномірності електроспоживання викликає необхідність впровадження низки заходів щодо забезпечення сталого режиму електроенергетичної системи. Через це нині актуальні розробки систем теплоакумуляційного електротеплопостачання, які акумулюють енергію під час менших навантажень електричних мереж.

Вчені багатьох країн намагаються розв'язати проблему різними методами, зокрема і з допомогою застосування альтернативних джерел енергії. До них можна віднести такі види, як використання водних ресурсів малих річок, морських хвиль, гейзерів і навіть відходів виробництва та побутового сміття. Але постає проблема збереження отриманої енергії.

Теплопостачання комунального господарства в Україні в більшості випадків здійснюється за рахунок спалення органічного палива, головним чином природного газу, ціна на який невпинно зростає, що призводить до збитковості теплогенеруючих підприємств і соціальної напруги. В той же час в країні є резерв енергогенеруючих потужностей, в першу чергу на атомних електростанціях, де виробляється до 50 % електроенергії, які мають серйозні експлуатаційні проблеми в періоди відсутності сталого навантаження, особливо в нічні години.

Забезпечення стабільного навантаження і використання «провальної» електроенергії є актуальною проблемою для багатьох регіонів. Для поліпшення ситуації і стабілізації попиту Міненерго України встановлені диференційовані тарифні коефіцієнти на споживання електричної енергії в нічний час (Постанова НКРЕ № 529 від 17.05.2005 р.), які в декілька разів нижче денних.

Теплову енергію можна зберігати в тепловому акумуляторі і використовувати в нічний час. Теплові акумулятори відомі людству з давніх давен. Праски, які нагрівають на вогні, розпалене каміння, яке поливають у лазнях водою (квасом, пивом), термобігуді, яке кип'ятять у питній воді, а потім з їх допомогою роблять зачіску - все це різновиди теплових акумуляторів.

Таким чином, людина давно навчилася використовувати підручні матеріали для зберігання тепла. Наразі постала проблема вдосконалення існуючих і розробці новітніх методів і пристроїв для акумулювання тепла.

У роботі проводиться аналіз вказаної проблеми, а також можливі шляхи її розв'язання.



Розділ 1. Проблема накопичення тепла

На сучасному етапі використання теплової енергії досить гостро стоїть питання акумулювання тепла саме у тепловій фазі. Зазначене стосується як накопичення сонячної енергії (від сонячних радіаторів) так і використання запасів теплової електричної енергії отриманої за «нічним тарифом». Серед фізичних явищ, які використовуються для накопичення теплової енергії :

- нагрівання твердих тіл (рідин);

- фазові перетворення;

- хімічні (фотохімічні) реакції та перетворення.

Враховуючи температурні можливості матеріалів (процесів) способи зберігання енергії можна умовно поділити на :

- низькотемпературні (до 120°С);

- середньо температурні (до 600°С);

- високотемпературні (понад 600°С).

Накопичування теплової енергії може здійснюватись або безпосередньо у температурі теплоносія, або із відповідним температурним перетворенням (приклад з використанням теплової помпи). При економічних розрахунках ефективності накопичення тепла необхідно враховувати, що температурні перетворення потребують витрат додаткової енергії, а отже зменшують ККД і погіршують параметри надійності систем. Враховуючи наведену перевагу при конструюванні теплових акумуляторів на території України (за інших рівних умов) перевагу необхідно надавати накопичувачам, які працюють у межах температур теплоносія. Серед прийнятних матеріалів: вода, залізобетон та, у перспективі, парафін і ацетат натрію.

У розрізі практичного використання накопичення дармової сонячної та земної енергії за джерелами енергії можуть бути ефективно застосовані залізобетонні, водяні та парафінові накопичувачі. Останні цікаві питомою теплоємністю фазового перетворення. При цьому робочий температурний діапазон роботи теплоакумуляторів залишається в межах від 5 до 95°С. По факту проблема накопичення тепла розбивається на ряд підпроблем:

1) Проблема накопичення «сонячної енергії». Сучасні сонячні колектори дозволяють отримувати на його виході температуру до 85°С, що є достатнім як для цілей опалення, так і для забезпечення більшості побутових потреб.

2) Проблема накопичення «енергії ґрунту (ґрунтових вод)». Враховуючи, що земля сама по собі є велетенським акумулятором теплової енергії, йдеться не про окремі штучні накопичувачі, а про механізми використання цієї енергії. Особливістю використання енергії ґрунтів (ґрунтових вод) є їх низька температура при практично необмежених запасах. Для розрахунків приймається, що 1 м³ ґрунту зберігає (в залежності від його вологості) 8 - 20 кВт•год енергії. Фактично йдеться про температури у межах + (5 - 10)°С. На практиці цієї температури достатньо для роботи „теплових помп”, які при ККД рівному 3 - 5,8 %, дозволяють підняти цю температуру до спожиткових 55 - 60°С. Цікавим може бути використання низькотемпературних режимів для влаштування «температурних бар'єрів» у системах утеплення або кондиціонування (охолодження).

3) Проблема накопичення теплової енергії отриманої за «нічним тарифом». Однієї із особливостей теплової енергії, яка отримується із електричної, є можливість накопичення високих температур. Як приклад, електротеплоакумулюючі обігрівачі (підприємство «ТЕПЛОТЕХНІКА» - м. Дніпропетровськ), де акумулюючим елементом є магнезитові блоки, а накопичення теплової енергії здійснюється при температурі 600 °С (акумулятивна здатність 600 кВт•год/м³). Проблема високо-температупних накопичувачів - забезпечення якісної теплоізоляції теплоакумулятора і пов'язані із цим непродуктивні теплові втрати.

Енергію землі (ґрунтових вод) із температурою носія + (5 - 10) °С раціонально використовувати наступним чином :

- у літний період з метою охолодження (кондиціонування);

- для «теплових бар'єрів» (завіс) у системах комбінованого утеплення;

- як джерело первинної теплової енергії для подальшого підвищення температури.

Сонячну енергію (з сонячного колектора) із температурою носія + (10 - 85) °С раціонально використовувати наступним чином:

- для побутових потреб безпосередньо (гаряча вода, опалення, тощо);

- для акумулювання у грунтовому (спеціалізованому) акумуляторі.

Тепловий акумулятор, враховуючи системи забезпечення тепловою енергією, виконується комбінованим. Тепло накопичується за рахунок підвищення внутрішньої енергії матеріалу (теплоємність) та енергії фазового перетворення (парафін). Розрахункова теплоємність акумулятора, у зоні робочих температур + (15 - 85)°С - 4200 кВт•год.



Розділ 2. Різновиди теплових акумуляторів

2.1 Рідинні теплові акумулятори

До найпростіших і найнадійніших пристроїв акумулювання тепла, безсумнівно, відносяться рідинні ТА, що пов'язано з поєднанням функцій теплоакумулюючого матеріалу і теплоносія. У результаті, акумулятори подібного типу особливо широко застосовуються для побутових цілей, в схемах різних електростанцій (АЕС, АТЕЦ, сонячне проміння і ін.). Нині застосовуються кілька основних конструктивних виконань РТА. Двохкорпусний ТА характеризується роздільним зберіганням гарячого і холодного ТАМ. У процесі зарядки один корпус заповнюється гарячим ТАМ, а інший - спорожнюється. Працюючи гарячий ТАМ подається споживачеві і, відпрацювавши, потрапляє у корпус холодного ТАМ. Основною перевагою такого виконання ТА є ізотермічність кожного з корпусів, що виправдовується відсутністю в них термічних напруг і втрат енергії на нагрівання-охолодження. Очевидно, що площа корпусів використовується нераціонально і вдвічі перевищує площу ТАМ. Таке принципове рішення доцільно при великій різниці температур гарячого і холодного ТАМ, особливо у випадках використання сольових ТАМ і рідких металів.

З метою раціонального використання об'єму акумулятора використовують багатокорпусний варіант, який складається з кількох корпусів із гарячим ТАМ і одним з холодним. По мірі розрядки заповнюється спочатку холодний корпус, а потім гарячі в міру їхнього спорожнювання. Це провокує появу термічних напруг і розмір втрат на нагрівання переважає у всіх корпусах, крім корпусу з холодним ТАМ.

Найбільш ефективно використовується об'єм теплового акумулятора при застосуванні єдиного корпусу, заповненого на початку процесу гарячим ТАМ. У процесі роботи гарячий ТАМ забирають з верхньої частини ТА, а відпрацьований холодний ТАМ подається в нижню частину ТА. Такий вид рідкого акумулятора називається витіснювальним. У результаті різниці густини гарячої та холодної рідин може відбуватись їх перемішування (ефект «термоклина»), ефективність використання витіснювальних ТА знижується внаслідок втрат тепла на перемішування і теплопровідність між об'ємами гарячого і холодного ТАМ, нагрівання корпусів тощо. У теплових акумуляторах подібного типу застосовуються рідини, котрі мають великий коефіцієнт лінійного розширення.

При особливих властивостях ТАМ чи недоцільності для споживача використання ТАМ як теплоносія застосовуються теплові акумулятори зі змінюваною температурою. Тут проміжний теплообмінник може розміщуватися як і в корпусі ТА, так і поза ним. У процесі заряду відбувається нагрівання ТА з допомогою проміжного теплоносія або електроенергії, а в процесі охолодження відбувається відведення тепла в проміжному теплообміннику. Одним з характерних прикладів такого ТА є «сонячний ставок».

Конструктивне виконання РТА багато в чому визначається властивостями теплоакумулюючого матеріалу. На сьогоднішній день найбільш поширеним є застосування води і водних розчинів солей, високотемпературні органічні та кремнієві органічні теплоносії.

У діапазоні робочих температур 0...100°С вода є найкращим рідким ТАМ, як з точки зору економічних показників, так і з погляду теплофізичних властивостей. Подальше підвищення робочої температури води супроводжує істотне зростання тиску, що ускладнює проектування корпусу, підвищує його вартість. З метою забезпечення низьких робочих тисків ТАМ використовуються різні високотемпературні теплоносії. У цьому й виникають проблеми добору конструкційних матеріалів теплового акумулятора і системи загалом, застосування спеціальних пристроїв, попереджуючих затвердіння ТАМ при всіх режимах експлуатації, герметизації ТА тощо. Крім цього, використання витісняючого типу ТА пов'язано з комплексом конструктивних і експлуатаційних заходів, які забезпечують мінімальні втрати енергії.

З метою зниження збитків змішування гарячого і холодного об'ємів ТАМ використовуються різні пристрої, щоб забезпечити зниження швидкості потоку рідини, що виходить і входить у патрубок та рівномірний розподіл ТАМ на усьому перерізі акумулятора. У табл. 2.1 наведено теплофізичні властивості найбільш поширених рідких ТАМ.

У житлових приміщеннях водяний акумулятор тепла встановлюється всередині будинку, зокрема може бути вмонтований в одну з міжкімнатних перегородок. У акумуляторі розміщені баки, заповнені водою. Через ці баки проходять димові труби від печі, які підігрівають води у баках. Джерелами нагріву водяного акумулятора, крім печі, можна використовувати систему повітряного сонячного опалення й систему сонячного підігріву води. Зовнішня теплоізоляція акумулятора, дерев'яна або цегляна, слугує для зниження температури поверхні, що обігріваєиться, приблизно до 40°С. Теплоізоляція забезпечує повільне охолодження бака-акумулятора доти, поки температура у кімнаті стане рівною прийнятному діапазону температур.

Таблиця 2.1 Теплофізичні властивості рідких ТАМ

ТАМ	Температура, °С	Густина, 103 кг/м3	Питома теплоємність, кДж/кг·К	Коефіцієнт
	застигання	максимальна	кипіння			теплопровідності,Вт/м·К	в'язкості, 106 Па·с
Вода під тиском 0,1 МПа	273	373	373	1,00	4,19	0,67	6
Тетрахлордифеніл	266	-	613	1,44	2,10	0,17	1000
Дифенільна суміш	285	673	531	0,95	-	0,12-0,08	-
Поліметилсилоксан	213	593	-	0,90	1,50	0,10-0,14	5-20
Поліетилсилоксан	203	563	-	0,90-1,00	1,60	0,13-0,16	3-40
Літій	455	1600	1623	0,48	4,36	69,00	8-13
Натрій	371	1150	1155	0,80	1,33	64,00	14-22

2.2 Теплові акумулятори з твердим теплоакумулюючим матеріалом

Теплові акумулятори на основі твердих ТАМ нині найпоширеніші. Це пов'язано насамперед з низькою ціною матеріалів. Як ТАМ використовуються найдешевші матеріали - щебінь, феоліт (залізна руда), залишки будівельних матеріалів.

Традиційно розглядаються теплові акумулятори з нерухомою та рухомою матрицями.

Використання нерухомої матриці забезпечує максимальну простоту конструкції, але потребує великих об'ємів ТАМ. Крім цього, температура теплоносія на виході з акумулятора змінюється протягом часу, що потребує додаткової системи підтримки постійних параметрів шляхом перепуску.

Акумулятори з рухомою матрицею застосовуються, зазвичай, в системах геліотеплопостачання. Такі ТА проектуються, зазвичай, з мінімальним гідравлічною опором, що дозволяє застосовувати принцип вільного конвективного перенесення. Гарячий газ подається в верхню частина ТА і, охолоджуючись, опускається у його нижню частину. При розряді холодний газ подається в нижню частина ТА, нагрівається, і виходить із верхньої його частини. Отже, можна спроектувати систему теплопостачання, що вимагає лише джерело теплової енергії (наприклад, Сонце). Існує проект нагрівача газу - газодинамічного лазера, яка використовує принцип рухомої матриці, яка нагрівається електроенергією.

Канальний ТА широко застосовується у системах електротеплопостачання, які використовують позапікову енергію. Теплоакумулюючий матеріал (шамот, вогнетривка черепицю) нагрівається у періоди мінімального споживання електроенергії, що дозволяє вирівнювати графіки завантаження електростанцій. Обігрів приміщень відбувається за допомогою повітря, яке нагрівається у процесі проходження через матрицю.

Особливим типом канального ТА на основі рухомого ТАМ є теплові графітові акумулятори, які використовуються як джерело енергії у автономних енергоустановках. Температура їх нагріву може становити 3500°С, що забезпечує невеликі габаритні характеристики установки.

Підземні акумулятори тепла з вертикальними каналами використовуються, зазвичай, для акумуляції сезонного тепла. Довжина одного каналу таких акумуляторів може становити до ста метрів, а загальна енергоємність - тисяч кіловат-годин. Підземні акумулятори тепла з горизонтальними каналами застосовуються для акумуляції тепла протягом року.

Акумулятори на основі ТТАМ з нерухомою матрицею застосовують у пристроях регенерації теплової енергії і, через недостатню тривалості робочого циклу мають, невеликі габарити; ТА з рухомою матрицею можуть забезпечувати постійну температуру газу не вдома. Основні властивості найчастіше застосовуваних твердих ТАМ наведені у табл. 2.2.

З метою зменшення амплітуди коливань температури холодного газу використовується одночасна робота кількох акумуляторів. Таким чином, амплітуда коливань зменшується пропорційно кількості працюючих ТА. Вочевидь, що з досягнення постійної температури газу необхідно нескінченна їх кількість, що реалізується у обертовому регенераторі.

Таблиця 2.2 Основні властивості ТТАМ

ТАМ	t, °С	Густина, кг/м3	Питома теплоємність, кДж/кг•К	Коефіцієнт
				тепло-провідності, Вт/м•К	температуро-провідності, м2/с
Щебінь	400	2500-2800	0,92	2,2-3,5	0,85-1,50
Феоліт	400	3900	0,92	2,1	2,50
Бетон	400	1900-2000	0,84	1,2-1,3	0,76
Шамот	1700	1830-2200	1,10-1,30	0,6-1,3	0,21-0,65
Графіт	3500	1600-2000	2,00	40,0-170,0	12,00-54,00
Цегла червона	1000	1700-1800	0,88	0,7-0,8	0,50
Пісок	-	1460-1600	0,80-1,50	0,3-0,2	-

2.3 Акумулятори тепла, засновані на фазових переходах

енергетичний акумулювання теплопостачання електричний

Використання теплоти плавлення для акумулювання тепла забезпечує високу густину енергії під час використання невеликих перепадів температур і стабільну температуру на виході з ТА. Проте, оскільки більшість ТАМ в розплавленому стані є корозійноактивними речовинами, вони переважно мають низький коефіцієнт теплопровідності. Нині відомий широкий спектр речовин, які забезпечують температуру акумуляції від 0 до 1400°С. Слід зазначити, що не доцільно широко застосовувати ПТАМ через високу вартість створюваних установок.

При робочих температурах до 120°С рекомендується застосовувати кристалогідрид неорганічних солей, що пов'язано, в першу чергу, з використанням природних речовин у ролі ТАМ. Для реального застосування розглядаються лише речовини, які не розкладаються при плавленні і не розчиняються в надлишковій воді, яка входить до складу ТАМ. З метою забезпечення кристалізації помірним переохолодженням рідини необхідно застосовувати речовини, які є первинними центрами кристалізації. Для блокування поділу фаз застосовуються згущувачі або інтенсивне перемішування у процесі теплообміну. На цей час розроблено рекомендації, щоб забезпечити працездатність ТАМ з урахуванням кристалогідратів протягом тисяч циклів заряд-розряд. До недоліків кристалогідратів слід назвати також їх підвищену корозійну активність.

Використання органічних речовин практично цілком знімає питання корозійної руйнації корпусу, забезпечує високу густину енергії, непогані економічні показники. Розроблені способи поверхневої обробки органічних речовин дозволяють створювати конструкції без явно вираженої поверхні теплообміну. Однак у процесі роботи органічних речовин відбувається зниження теплоти плавлення внаслідок руйнації довгих ланцюжків молекул полімерів. Застосування органічних матеріалів вимагає розвинених поверхонь теплообміну внаслідок низького коефіцієнта теплопровідності ТАМ (табл. 2.3).

Таблиця 2.3 Основні властивості органічних ПТАМ

ТАМ	t плавлення, °С	Теплота плавлення, кДж/кг	Питома теплоємність, кДж/кг•К	Густина, кг/м3	Коефіцієнт
				Твердий	Рідкий	теплопровідності,Вт/м·К	в'язкості, 103 Па·с
Поліетиленгліколь	293-298	146	2,26	-	1100	0,16	11,5
Октадекан	301	244	2,18	744	-	0,15	3,9
Парафін 46-48	320	209	2,08	800	-	0,34	3,0
Нафталін	353	-	-	1170	-	-	0,8
Ацетамін	355	-	-	1160	-	-	-

За більш високих робочих температурах застосовуються, зазвичай, з'єднання заліза і сплави легких металів. Суттєвими вадами сполук металів прийнято вважати низький коефіцієнт теплопровідності, корозійну активність, зміну об'єму при плавленні.

Розміщення ТАМ в капсулах забезпечує високу надійність конструкції, дозволяє створювати розвинену поверхню теплообміну, компенсувати (під час використання гнучких капсул) зміни об'єму у процесі фазових переходів. Проте, внаслідок низької теплопровідності ТАМ необхідно значне число капсул малого розміру, що зумовлює високу трудомісткості виготовлення ТА, недостатність раціонального використання об'єму (для циліндричних капсул), малу жорсткості конструкції (для пласких капсул). Особливо доцільно застосування капсульних ТА у разі малих теплових потоках з теплообмінною поверхнею.

На рис. 2.1 зображена принципова схема теплового акумулятора фазового переходу.



Рис. 2.1 Принципова схема теплового акумулятора фазового переходу

1 - верхняя частина корпусу; 2 - нижняя частина корпусу; 3 - поперечна перегородка; 4 - верхня камера; 5 - нижня камера; 6 - блок вертикальних трубчатих капсул заповнених теплоакумулюючою речовиною, яка зазнає фазове перетворення; 7 - підвідний патрубок; 8 - відвідний патрубок; 9 - випаровувач теплового насосу; 10 - трубчатий елемент (у формі змійовика); 11 - трубчатий елемент (у формі спіралі); 12 - сферичне дно корпуса.

Основні типи теплових акумуляторів фазового переходу:

- капсульний;

- кожухотрубчатий;

- зі скребковим видаленням ТАМ;

- з ультразвуковим видаленням ТАМ;

- з прямим контактом і прокачуванням ТАМ;

- з випарно-конвективним перенесенням тепла.

Розташування ТАМ у міжтрубчатому просторі кожухотручатого теплообмінника забезпечує раціональне використання внутрішнього об'єму ТА й застосування їх традиційної технології виготовлення теплообмінних апаратів. Проте, за такої конструкції складно забезпечити вільне розширення ТАМ, внаслідок чого знижується надійність акумулятора загалом.

Найбільш технологічно складним і найдорожчим елементом ТА традиційної конструкції є теплообмінна поверхня, визначальна потужність теплового акумулятора. У результаті низьких коефіцієнтів теплопровідності більшості плавких ТАМ запропоновано різні способи зменшення поверхні теплообміну шляхом зішкрібання ультразвуковою або електрогідравлічною руйнацією затверділого ТАМ. Зазначені способи дозволяють істотно знизити величину теплообмінної поверхні, але істотно збільшують навантаження на конструктивні елементи акумулятора. Відомо, що найкраща теплообмінна поверхня - повна відсутність безпосереднього контакту теплоакумулюючого матеріалу і теплоносія. У цьому випадку необхідно обирати теплоакумулюючі матеріали і теплоносії за ознаками, які забезпечують працездатність конструкцій.

ТАМ повинні відповідати наступним вимогам:

- кристалізуватися окремими кристалами;

- мати велику різницю густини твердої і рідкої фази;

- бути хімічно стабільними; не утворювати емульсій з теплоносієм.

Теплоносії обираються за наступним ознаками:

- хімічна стабільність в суміші з ТАМ;

- різка відмінність густини стосовно ТАМ;

- низька спроможність до спінення.

З використанням теплоносія, більш щільного, ніж твердий ТАМ, реалізується наступна схема. У верхню частина ТА подається рідкий теплоносій, який потрапляє на поверхню ТАМ, нагріває її і відводиться. За рахунок меншої щільності рідкої фази ТАМ, ніж твердої, його закристалізовані частки опускаються в нижню частину акумулятора. У процесі роботи ТА відбувається поступове заповнення всього об'єму закристалізованими ТАМ. У процесі спливання крапель теплоносія ТАМ нагрівається або охолоджується і водночас інтенсивно перемішується. Основними вадами наведених способів контакту ТАМ і теплоносія вважаються потреби у сторонньому джерелі енергії для прокачування й необхідність ретельної фільтрації теплоносія з метою перешкоджання виносу частинок ТАМ.

Зазначені недоліки відсутні в конструкції, яка використовує принцип випарувально-конвективного перенесення тепла при безпосередньому контакті ТАМ і теплоносія. Необхідно, щоб температура кипіння була на кілька градусів нижче від температури плавлення ТАМ. Для заряду акумулятора тиск і температура кипіння теплоносія у ньому встановлюються вище температури плавлення ТАМ. У зарядному теплообміннику здійснюється підведення тепла. Теплоносій закипає і бульбашки пари, за температури понад температури плавлення ТАМ, піднімаються вгору й підігрівають ТАМ. У ньому відбувається плавлення ТАМ і конденсація теплоносія - розплавлений ТАМ піднімається вгору, а конденсат теплоносія опускається вниз. На етапі відведення тепла від ТА тиск у ньому знижується, отже температура конденсації теплоносія стає нижче від температури плавлення ТАМ. При відведенні тепла на поверхні розрядного теплообмінника відбувається конденсація теплоносія, який стікає на розплавлений ТАМ. Відбувається випаровування крапель теплоносія і кристалізація частинок ТАМ. Затвердівший ТАМ опускається в нижню частину ТА, а пар теплоносія піднімається вгору. Охолоджені краплі теплоносія опускаються все нижче й нижче і наприкінці процесу розрядки весь теплоносій переходить у нижню частину ТА.

2.4 Природні акумулятори теплової енергії

Земля фактично є найбільшім природним акумулятором теплової енергії, температура якого на глибині 10 м стабільно становить середньорічну температуру у даній місцевості (+ 8,2°С для Львова).

Проблема використання енергії ґрунту полягає у тому, що внаслідок її низького потенціалу вона не може використовуватись безпосередньо на цілі опалення (min + 35°С) чи водопідготовки (min + 65°С).

Для збільшення температурного потенціалу застосовують «теплові помпи», які підвищують температуру на виході до необхідних + 65°С.

Конструктивно теплова помпа - це пристрій, якbй здатний виробляти теплову енергію шляхом перетворення низькотемпературної теплоти оточуючого середовища (холодильник навпаки). Виробництво теплових помп освоєно більшістю країн світу. Лідерами у виробництва є: Канада, США, ФРН. Серйозна увага виробництву теплових помп приділяється у Польщі. Для багатьох країн на сьогодні виробництво теплових помп - добре налагоджений бізнес.

Переваги - при діючих тарифах, собівартість тепла отриманого за допомогою теплового насосу є меншою за газове опалення. Забезпечується можливість опалення, гарячого побутового водопостачання і охолодження (кондиціонування) будинків одним пристроєм. На відміну від кондиціонерів - працює та зберігає ефективність за будь-яких погодних умов та мінусових температур. Термін служби теплових помп становить 25 років, що у 2-3 рази більше за термін служби кондиціонерів та чілерів (8 - 12 років). Простий догляд, значна надійність і довговічність. Відсутні викиди та забруднення.

До недоліків відносяться значні початкові капіталовкладення: 4950-8500 гривень за кВт встановленої теплової потужності. Може бути встановлений лише за певних навколишніх умов - потребує влаштування складного ґрунтового теплообмінника (свердловина чи планшет) або іншого контакту з навколишнім ґрунтом чи водоймою.



Розділ 3. Застосування там з використанням термохімічних реакцій

Теплопостачання комунального господарства в Україні в більшості випадків здійснюється за рахунок спалення органічного палива, головним чином природного газу, ціна на яке невпинно зростає, що призводить до збитковості теплогенеруючих підприємств і соціальної напруги. В той же час в країні є резерв енергогенеруючих потужностей в першу чергу на атомних електростанціях, де виробляється до 50 % електроенергії, які мають серйозні експлуатаційні проблеми в періоди відсутності сталого навантаження, особливо в нічні години. Забезпечення стабільного навантаження і використання провальної електроенергії є актуальною проблемою для багатьох регіонів значною часткою маломаневрених електрогенеруючих потужностей.

Традиційні підходи передбачають використання для акумулювання тепла теплових акумуляторів на матеріалах з фазовим переходом або матеріалах з високою теплоємністю. Проте розміри і вартість таких акумуляторів тепла залежно від конкретних умов застосування можуть бути надмірно великими, крім того існують проблеми забезпечення сталої ефективності циклів роботи акумуляторів тепла з фазовими переходами.

Досліджена ефективність застосування теплоакумулюючих матеріалів з використанням термохімічних реакцій. В порівнянні з традиційними теплоакумулюючими матеріалами ці робочі речовини дозволяють накопичувати в одиниці об'єму значно більшу кількість енергії. За результатами експериментальних досліджень підібраний ряд робочих речовин для різних практичних застосувань, які дозволяють акумулювати теплову енергію при заданій сталій температурі в діапазоні від 50°С до 200°С. Дослідження показали, що середня енергоємність теплоакумулюючих матеріалів на термохімічних реакціях складає 0,3…0,7 кВт·год/кг.



Розділ 4. Сонячно-електрична система акумулювання

На даний час як учених, інженерів-теплоенергетиків, практиків (проектувальників, монтажників, експлуатаційників), так і рядових громадян цікавлять питання енергозбереження. Це не дивно, адже без перебільшення можна сказати, що людство стоїть на порозі енергетичної кризи. З огляду на різке підвищення цін на комунальні послуги в Україні, багато хто розуміє, що від ціни на газ і нафту залежить їхній особистий добробут та добробут суспільства в цілому. Актуальність і злободенність проблеми очевидна всім.

За умов, коли в багатьох містах зруйнована система централізованого теплопостачання, її відновлення часто економічно недоцільно. Відновлення великих котелень і теплових мереж, при відсутності експлуатації останніх протягом декількох років, вимагає значних, часто економічно необґрунтованих капітальних витрат.

У зв'язку з наявністю в Україні великої кількості атомних електростанцій, значно зросла встановлена потужність енергетичного обладнання, яке функціонує в базовому режимі, що при значній добовій нерівномірності електроспоживання викликає необхідність впровадження низки заходів щодо забезпечення сталого режиму електроенергетичної системи. Через це нині актуальні розробки систем теплоакумуляційного електротеплопостачання, які акумулюють енергію під час менших навантажень електричних мереж.

Закон України «Про енергозбереження» визначає економічні заходи для забезпечення і шляхи стимулювання енергозбереження, взаємну економічну відповідальність постачальників і споживачів ПЕР, економічні санкції за неефективне їх використання. У ньому передбачені шляхи фінансування заходів щодо економії та раціонального використання ПЕР.

Серед першочергових завдань головне місце займає впровадження систем теплопостачання із застосуванням відновних джерел енергії.

Проблема створення ефективної системи сонячно-електричного теплопостачання має складний багатофакторний характер, а також несе на собі навантаження усієї розмаїтності форм і напрямів використання енергії.

З метою ефективного використання встановленого обладнання і збільшення обсягів економії ПЕР, розробка та впровадження сонячно-електричних акумуляційних систем теплопостачання є дуже актуальною в даний час. Відомо багато різних варіантів організації впровадження сонячно-електричного теплопостачання. Один з них - використання електроенергії не в пікові години, а також використання пільгової оплати в тарифах (яка для Києва виглядає так: «пікова» зона - 0,650 грн за 1 кВт, «напівпікова» зона - 0,372 грн, «нічна» зона - 0,090 грн.). Така схема дозволяє знизити вартість експлуатації системи для конкретного споживача.

Комбіноване використання енергії сонця з іншими видами енергії підвищує ефективність системи.

Відмінність системи від інших полягає в складанні ефективності використання трьох взаємопов'язаних джерел теплопостачання: геліосистема, електрокотел і тепловий насос.

Впровадження в Україні систем цілорічного децентралізованого комбінованого сонячно-електричного електро-акумуляційного теплопостачання будівель і споруд дозволить вирішити такі завдання:

- використання електричної енергії в нічний час;

- поліпшення роботи енергосистеми в нічний період;

- покриття 20-50 % дефіциту палива за рахунок впровадження відновних джерел енергії (теплові насоси і сонячні колектори);

- впровадження високоефективних автономних джерел теплопостачання забезпечить скорочення споживання палива на 30-40 %, а скорочення капітальних витрат на відновлення теплопостачання об'єкта більше ніж у 2 рази (відпадає потреба у відновленні теплових мереж).

Реалізація такої системи має позитивний вплив на навколишнє середовище завдяки зменшенню викидів шкідливих речовин в атмосферу, внаслідок скорочення споживання теплової енергії від централізованого теплопостачання і відповідного зниження використання палива.

На даному об'єкті електрокотел працює як друга ступінь теплового насоса (коли потужності теплового насоса недостатньо) і включається по таймеру тільки в години найнижчого тарифу.

Комбінована система сонячно-електричного акумуляційного теплопостачання функціонує в автоматичному режимі і після налагодження не вимагає втручання в її роботу. Вона призначена для забезпечення 3-х будівель площею 250 м² опаленням, гарячим водопостачанням, охолодженням, а також підігрівом води в басейні. Навантаження на опалення - 22 кВт. Навантаження на ГВП - 5 кВт. Навантаження на підігрів води в басейні - 10 кВт. Навантаження на охолодження - 18 кВт.

На рис. 4.1 зображена принципова схема комбінованої системи сонячно-електричного акумуляційного теплопостачання.

Накопичення тепла в баці-акумуляторі походить від 3-х джерел теплопостачання: геліосистеми, теплового насоса і електричного котла.

Теплова енергія у баці-акумуляторі (3) накопичується за допомогою сонячної енергії. Якщо різниця температур, яка реєструється датчиком температури сонячного колектора і датчиком температури, що встановлені у нижній частині бака-аккумулятора (3), перевищує встановлену на контролері температуру, то включається циркуляційний насос геліоконтура - відбувається накопичення тепла в баці-акумуляторі (3). Відключення геліосистеми відбувається при досягненні температури, яка вимірюється датчиком температури в баці-аккумуляторі (3), встановленим на контролері значення.

Тепловий насос (1) вступає в роботу, коли температура, яка вимірюється датчиком температури бака-акумулятора (3), впаде нижче встановленої на контролері. Відключення теплового насоса (1) відбувається при досягненні температури, яка вимірюється датчиком температури бака-акумулятора (3), вище встановленої на контролері. Тепловий насос (1) включається по таймеру в години «провалів» в тарифах - це «напівпікова» і «нічна» зони.

Рис. 4.1 Комбінована система сонячно-електричного акумуляційного теплопостачання

Тепловий насос (ТНУ) (1) вступає в роботу, коли температура, яка вимірюється датчиком температури бака-акумулятора (3), впаде нижче встановленої на контролері. Відключення Ттеплового насоса (1) відбувається при досягненні температури, яка вимірюється датчиком температури бака-акумулятора (3), вище встановленої на контролері. Тепловий насос (ТНУ) (1) включається по таймеру в години «провалів» в тарифах - це «напівпікова» і «нічна» зони.

Електричний котел (2) вступає в роботу по таймеру тільки в «нічний» зоні у випадку, коли температура, яка вимірюється верхнім датчиком температури бака-акумулятора (3), нижче встановленої на контролері, при цьому вступає в роботу теплової насос (1). Якщо через відрізок часу, виставлений на контролері, коли температура, яка вимірюється верхнім датчиком температури бака-акумулятора (3), не досягне заданої величини, вступає в роботу електрокотел - відбувається акумулювання теплової енергії в нічні години.

Відключення електричного котла (2) відбувається, коли температура, яка вимірюється датчиком температури БН (3), досягне встановленої контролером температури.

У випадку, коли температура, яка вимірюється верхнім датчиком бака-акумулятора (3), вище заданого на контролері значення температури (нагрівання бака-накопичувача (3) геліосистеми достатньо), ні тепловий тепловий (1), ні електричний котел (2) не вступають у роботу. У цьому випадку система теплоспоживання забезпечується теплом від бака-акумулятора (3).

Відбір тепла для системи опалення, при необхідності, проходить від бака-акумулятора (3). При цьому включаються насоси (4) і (5). На опалювальні прилади тепло надходить від бака-акумулятора (3). Регулювання температури теплоносія в системі опалення - централізоване і місцеве (на опалювальних приладах). Якщо температура в баці-акумуляторі (3) вище, ніж необхідно в системі опалення, то шляхом підмішування теплоносія зі зворотного трубопроводу системи опалення підтримується необхідна температура на опалювальних приладах.

Відбір тепла для потреб ГВП походить від бака-акумулятора (3). Температура в контурі ГВП у міжопалювальний період забезпечується геліосистемою та тепловим насосом (1), а в опалювальний період - геліосистемою, електричним котлом (2) та тепловим насосом (1).

Влітку охолодження приміщень будівлі відбувається використанням функції теплового насоса (1) «природнє охолодження»шляхом безпосереднього використання теплоємності ґрунту з температурою 8-12 єС як джерела «природного охолодження» приміщень не включаючи компресор теплового насоса (1). При цьому включається насос первинного контуру теплового насоса (1), а триходовий клапан з електроприводом (9), встановлюється в положення «АВ - В». За умови, коли холоду ґрунту недостатньо (позаштатні кліматичні та експлуатаційні ситуації), включається компрессор теплового насоса (1), і рідина з свердловин додатково охолоджується тепловим насосом.

Відбір тепла для потреб басейну походить від геліосистеми, коли остання нагріла воду для потреб ГВП. При цьому триходовий клапан з електроприводом (10) встановлюється в положення «А - В». Відбір тепла від геліосистеми походить від швидкісного теплообмінника (6) при включенні насоса контуру нагріву басейну.

При недостатній інтенсивності сонячної радіації для потреб басейну, басейн догрівається від бака-акумулятора (3). Відбір тепла від бака-акумулятора (3) відбувається через швидкісний теплообмінник (7) при включенні насоса контуру басейну.



Висновки

У роботі проаналізовано сучасний стан енергетичної промисловості в Україні. Теплопостачання в Україні в більшості випадків здійснюється за рахунок спалення, головним чином, природного газу, ціна на який невпинно зростає, що призводить до збитковості теплогенеруючих підприємств і соціальної напруги. В той же час в країні є резерв енергогенеруючих потужностей, в першу чергу на атомних електростанціях, де виробляється до 50 % електроенергії, які мають серйозні експлуатаційні проблеми в періоди відсутності сталого навантаження, особливо в нічні години.

Теплову енергію можна зберігати в тепловому акумуляторі і використовувати в нічний час. До найпростіших і найнадійніших пристроїв акумулювання тепла, безсумнівно, відносяться рідинні теплові акумулятори, що пов'язано з поєднанням функцій теплоакумулюючого матеріалу і теплоносія. У результаті, акумулятори подібного типу особливо широко застосовуються для побутових цілей, в схемах різних електростанцій.

Теплові акумулятори на основі твердих теплоакумулюючих матеріалів нині найпоширеніші. Це пов'язано насамперед з низькою ціною матеріалів. Як теплоакумулюючі матеріали використовуються - щебінь, феоліт (залізна руда), залишки будівельних матеріалів.

Використання теплоти плавлення для акумулювання тепла забезпечує високу густину енергії під час використання невеликих перепадів температур і стабільну температуру на виході з теплового акумулятора. Проте через ряд вимог такі теплові акумулятори не можуть широко використовуватись.

Також у роботі розглянуто комбіновану систему сонячно-електричного акумуляційного теплопостачання. Відмінність системи від інших полягає в складанні ефективності використання трьох взаємопов'язаних джерел теплопостачання: геліосистема, електрокотел і тепловий насос. Реалізація такої системи має позитивний вплив на навколишнє середовище завдяки зменшенню викидів шкідливих речовин в атмосферу, внаслідок скорочення споживання теплової енергії від централізованого теплопостачання і відповідного зниження використання палива.



Список використаних джерел

1. Бекман Г. Тепловое аккумулирование энергии / Бекман Г., Гнлли П. ; пер. с англ.- М.: Мир. 1987 - 272 с.

2. Лантух Н. М. Комбинированная солнечно-электрическая система теплоснабжения / Н. М. Лантух, В. С. Щербатый, Г. М. Агеева // С.О.К. - 2006. - № 8. - с. 20.

3. Лантух Н. М. Позитивний досвід використання геліосистем в житловому фонді України / Н. М. Лантух, Г І. Онищук, В. С. Щербатый, Г. М. Агеева // Реконструкція житла. - 2005. - Вип. 6. - с. 304.

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

5. Ромье. Периодическое аккумулирование тепловой энергии. Регенератор // Теплопередача. -1979. - c. 189-196.

Размещено на Allbest.ru

...