Подбор низкотемпературных теплоаккумулирующих материалов для систем отопления малых зданий
Разработка систем хранения тепловой энергии, которая впоследствии затрачивается на обогрев помещений и нагрев воды. Критерии выбора теплоаккумулирующих материалов, проблема стабильности теплофизических свойств при многократном повторении рабочих циклов.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 01.03.2019 |
| Размер файла | 875,8 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Государственный университет "Дубна"
Подбор низкотемпературных теплоаккумулирующих материалов
для систем отопления малых зданий
Хрущев А.Г., Моржухин А.М.
г. Дубна, Россия
Содержание
- Аннотация
- 1. Критерии выбора теплоаккумулирующих материалов
- 2. Аккумулирование тепла с использованием "скрытой теплоты" фазовых переходов
- 3. Экспериментальная часть
- Выводы
- Список литературы
Аннотация
В настоящее время в связи со стремительным ростом спроса на возобновляемые источники энергии не только в России, но и в странах Европы, Азии и Америки, идёт бурное развитие самого продуктивного метода добычи неисчерпаемого и бесплатного источника тепла - энергии Солнца. Главной проблемой использования такого источника энергии в качестве основного является хранение данной энергии, поскольку как в течение суток, так и в различные сезоны года происходит неравномерное его поступление. В связи с этим фактом мировым сообществом уже свыше 50 лет ведутся исследования по разработке систем хранения тепловой энергии (ТЕЗТ). Такие системы интересны тем, что в них аккумулируется именно тепло, на которое в основном затрачивается энергия с целью обогрева помещений и нагрева воды. Поэтому ТЭЗТ является важной технологией при использовании возобновляемых источников энергии, поскольку решает задачи энергоэффективности и теплосбережения. В такой системе используют теплоаккумулирующие материалы (ТАМ), исследованием которых занимаются уже с середины прошлого века, в следствие чего информация в литературе количественно огромна и ее невозможно найти в систематизированном виде. Но несмотря на данные исследования, некоторые параметры, такие как теплота плавления, удельная теплоемкость, возможных кандидатов в использовании их в ТЭЗТ изучены не полностью.
1. Критерии выбора теплоаккумулирующих материалов
ТАМ должны удовлетворять следующим критериям [1-3]:
1) высокая удельная (на единицу массы или объема) теплота перехода и теплоемкость;
2) температура перехода, отвечающая требованиям конкретного приложения;
3) высокая теплопроводность;
4) высокая плотность;
5) низкая вязкость в жидкой фазе;
6) низкий коэффициент теплового расширения;
7) негигроскопичность;
8) малая упругость паров;
9) химическая и термодинамическая стабильность в рабочем диапазоне температур;
10) стабильность теплофизических свойств при многократном повторении рабочих циклов;
11) минимальное изменение объема при фазовом переходе;
12) конгруэнтное плавление во избежание разделения фаз;
13) минимальный перегрев (переохлаждение) при переходе;
14) коррозионная неактивность и экологическая безопасность;
15) безвредность (нетоксичность, негорючесть);
16) низкая стоимость материала и его доступность в промышленных масштабах.
Разработка ТАМ заключается в поиске индивидуальных соединений или смесей, в которых оптимально сочетались бы перечисленные выше свойства. Это чрезвычайно сложно, поскольку не все из этих свойств можно совместить в одном материале. Поэтому предварительная оценка теплофизических свойств известных ТАМ и выбор физикохимических систем для экспериментального выявления новых материалов должны быть осуществлены с учетом наиболее важных параметров: рабочая температура, удельная энтальпия и плотность [4].
Стоимость ТЕЗТ складывается в основном из стоимости ТАМ. Поэтому актуальна задача поиска ТАМ с низкой стоимостью с заданными свойствами [1].
По уровню температуры аккумулирования ТАМ подразделяются на три группы: низкотемпературные (35°С<Т<100°С) [5]; среднетемпературные (100°С<Т<500°С); высокотемпературные (Т>500°С) [6]. В рамках научно-исследовательской работы для анализа были выбраны низкотемпературные ТАМ.
2. Аккумулирование тепла с использованием "скрытой теплоты" фазовых переходов
Тепловая энергия, поглощаемая или выделяемая материалом при изменении его фазы, называется скрытой теплотой. Материалы на основе фазовых переходов (ФЗПТ) обладают более высокой удельной теплоаккумулирующей способностью по сравнению с теплоемкостными ТАМ [7]. Недостатком ФЗПТ является то, что для каждой задаваемой температуры в них приходится использовать различные вещества с соответствующей температурой плавления.
В настоящее время практически нет дешёвых, безопасных и устойчивых к разложению веществ с большой энергией фазового перехода, температура плавления которых лежала бы в наиболее актуальном для солнечной энергетики низкотемпературном диапазоне - примерно от +10°С до +60°С (максимум +90°С). В этом диапазоне температур в основном плавятся токсичные и легко окисляющиеся органические соединения [8].
Наиболее подходящими органическими веществами являются парафины, некоторые жирные кислоты (табл. 1), температура плавления большинства которых в зависимости от сорта лежит в диапазоне 15-65°С.
Табл. 1. Основные характеристики низкотемпературных теплоаккумулирующих материалов
|
Материал |
Температура плавления (°С) |
Теплота плавления (кДж/кг) |
|
|
Парафин |
64 |
173.6 |
|
|
Стеариновая кислота (атомов углерода-18) |
69 |
209 |
|
|
Пальмитиновая кислота (атомов углерода-16) |
64 |
185.4 |
|
|
Каприновая кислота (атомов углерода-10) |
32 |
152.7 |
3. Экспериментальная часть
ДСК-кривые ТАМ должны учитывать следующие характеристики:
1) Должно иметь хорошую воспроизводимость, т.е термическую стабильность, при многократных повторах. В случае, если вещество продемонстрирует плохую воспроизводимость, оно больше не сможет аккумулировать тепло (возможно, по причине его разложения);
2) Энтальпия фазового перехода должен быть как можно больше. В данном случае, при фазовом переходе вещество будет дольше принимать и отдавать тепло, тем самым улучшая его аккумулирование.
Для ДСК анализа были отобраны следующие вещества: парафин, пальмитиновая кислота, стеариновая кислота, додекан, ундекан, фенилдекан, тетрадекан, ПЭГ 100000, ПЭГ 300000. Перед работой на ДСК был проведен предварительный анализ в муфельной печи при 120 на предмет термической стабильности проверяемых веществ во избежание порчи сенсоров в измерительной ячейке ДСК продуктами термического разложения. После предварительной проверки прошли только первые три вещества: парафин, пальмитиновая кислота, стеариновая кислота, поскольку они продемонстрировали свою термическую стабильность и сохранение массы, а также в теории удовлетворяют всем требованиям, применимые к ТАМ, так как имеют высокие значения теплоты плавления, низкую стоимость, а также подходит к температурному диапазону фазового перехода [8]. Позднее была проведена пробоподготовка веществ и настройка ДСК к их анализу со следующими параметрами: Тнач = 10, Ткон = 100, скорость потока инертного газа (N2) = 50 мл/мин, скорость защитного газа (N2) = 70 мл/мин, скорость нагрева = 20 С/мин, циклов нагревания-охлаждения = 2. Образцы помещались в алюминиевые тигли. Для вычета сигнала с тигля применялся метод сравнения с пустым алюминиевым тиглем.
Рис. 10. ДСК-кривая стеариновой кислоты, где черный и голубой пики характеризуют энтальпии плавления вещества, а красный и зеленый - энтальпии кристаллизации.
График показывает отличную воспроизводимость в каждом цикле. Температура начала, а также теплота фазовых переходов в каждом цикле близки к табличным данным (69, 209 кДж/кг, соответственно). Данное вещество рекомендуемо к применению в качестве ТАМ.
Рис. 11. ДСК-кривая парафина, где фиолетовый и зеленый пики характеризуют энтальпии плавления.
Анализ графика показывает отличную воспроизводимость в каждом цикле. Температуры начала, а также теплота фазовых переходов в каждом цикле разнятся с табличными данными (64, 173 кДж/кг, соответственно). Возможно, причина в неоднозначности состава парафина. Данное вещество рекомендуемо к применению в качестве ТАМ.
Рис.12. ДСК-кривая пальмитиновой кислоты, где красный и синий пики характеризуют энтальпии плавления вещества, а фиолетовый и зеленый - энтальпии кристаллизации.
В процессе исследования пальмитиновой кислоты было проведено 5 циклов нагрева-охлаждения в температурном диапазоне 10°C - 120°C. Анализ термограммы показывает хорошую воспроизводимость в каждом цикле. Температуры начала фазовых переходов и энтальпии фазовых переходов совпадают с табличными данными. Данное вещество можно использовать в качестве теплоаккумулирующего материала.
Выводы
теплоаккумулирующий нагрев помещение
Был осуществлен ДСК анализ наиболее подходящих веществ с низкими температурами фазового перехода, которые могут быть использованы в качестве ТАМ в солнечной энергетике: парафина, стеариновой и пальмитиновой кислот. В результате проведенной работы в качестве ТАМ можно использовать все исследуемые вещества, так как они имеют высокую воспроизводимость, хорошую термическую стабильность, а также высокие показатели теплот фазового перехода.
Список литературы
1. Liu M., Saman W., Runo F. Review on storage materials and thermal performance enhancement techniques for high temperature phase change thermal storage systems. // Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012, V. 16. N. 4. pp. 2118-2132.
2. http://eprints.kname.edu.ua/38329/1/41-44.Pdf - Сравнение теплоаккумулирующих материалов с фазовым переходом для систем солнечного теплоснабжения. Будлянский С.В., Редько А.Ф., Чайка Ю.И. Режим доступа: свободный. Дата обращения: 12.12.2017 г.
3. Гасаналиев А.М., Гаматаева Б.Ю. Теплоаккумулирующие свойства расплавов // Успехи химии, 2000, T. 69, №2. с. 192-200.
4. Гаматева Б.Ю., Гасангалиев А.М. Расплавы-теплонакопители // Известия Дагестанского государственного педагогического университета. Естественные и точные науки, Выпуск № 3, Энергетика, 2009, c. 23-29
5. Замараев К.И. Фотокаталитическое преобразование солнечной энергии. Ч. 1. // Химические и биологические методы, Новосибирск: Наука, 1985, с. 193.
6. Соренсен Б. Преобразование, передача и аккумулирование энергии // Долгопрудный: Издательский дом "Интеллект", 2011, с. 296.
7. Шкатулов А.И. Материалы на основе гидроксидов магния и кальция с добавками солей для запасания среднетемпературной теплоты // Дисс. на соиск. уч. степ. к.х.н, Новосибирск: НГУ, 2016.
8. Farid M. M., Khudhair A.M., Razack S. A. K., Al-Hallaj S. A review on phase change energy storage: materials and applications. // Energy Convers Manag, 2004, 45, c. 1597-1615.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Выявление наиболее экономичного вида отопления жилых помещений. Расчет количества теплоты, которое необходимо для отопления. Сравнительный анализ различных систем отопления. Формула для внутренней энергии для идеального газа. Отопление тепловыми сетями.
реферат [53,9 K], добавлен 21.11.2010Классификация видов отопления помещений в зависимости от преобладающего способа теплопередачи. Особенности конвективной и лучистой систем отопления. Характеристика огневоздушного, водяного, парового, инфракрасного и динамического вида отопления.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 02.04.2015Теплотехнический расчет наружных стен, пола, расположенного на грунте, световых проёмов, дверей. Определение тепловой мощности системы отопления. Расчет отопительных приборов. Гидравлический расчет системы водяного отопления. Расчет и подбор калорифера.
курсовая работа [422,1 K], добавлен 14.11.2017Изучение масс-зарядовых спектров многозарядных ионов и морфологии разрушения оптических материалов, при многократном облучении их лучом лазера. Рассмотрение и оценка влияния эффекта “накопления” на морфологию разрушения и на ионизационный состав плазмы.
статья [12,8 K], добавлен 22.06.2015Определение понятия тепловой энергии и основных ее потребителей. Виды и особенности функционирования систем теплоснабжения зданий. Расчет тепловых потерь, как первоочередной документ для решения задачи теплоснабжения здания. Теплоизоляционные материалы.
курсовая работа [65,7 K], добавлен 08.03.2011Определение расхода тепловой мощности на отопление здания в течение отопительного периода. Выбор и компоновка системы отопления. Обоснование выбора расчетных параметров воздуха. Аэродинамический расчет вентиляционных систем и подбор оборудования.
курсовая работа [943,3 K], добавлен 05.02.2010Система отопления в древние времена. Принципы и механизмы обогрева помещений в древнем Риме. Печное отопление: русская печь, камин, оценка их эффективности, влияние на быт человека. Современные системы отопления: паровое, водяное, а также лучистое.
курсовая работа [173,9 K], добавлен 15.05.2014Теплотехнический расчет воздухообмена, мощности систем отопления, калориферов воздушного отопления, систем вентиляции; выбор вентиляторов для приточной вентиляции. Составление и расчет тепловой схемы котельной, расхода теплоты на горячее водоснабжение.
курсовая работа [195,8 K], добавлен 05.10.2010Потенциал и сферы использования солнечной энергии, которая трансформируется в другие формы: энергию биомассы, ветра или воды. Механизм действия солнечных коллекторов и систем, тепловых электростанций, фотоэлектрических систем. Солнечная архитектура.
курсовая работа [420,7 K], добавлен 07.05.2011Тепловой баланс, характеристика системы теплоснабжения предприятия. Расчет и подбор водоподогревателей систем отопления и горячего водоснабжения. Расчет установки по использованию теплоты пароконденсатной смеси для нужд горячего водоснабжения и отопления.
курсовая работа [194,9 K], добавлен 18.04.2012Построение температурного графика отпуска тепловой энергии потребителям и переключения работы котлов. Подбор основного оборудования: котлоагрегата и горелочных устройств. Тепловой расчет контура системы отопления, вентиляции и горячего водоснабжения.
курсовая работа [261,3 K], добавлен 19.12.2010Снабжение теплом жилых, общественных и промышленных зданий (сооружений) для обеспечения коммунально-бытовых и технологических нужд потребителей. Характеристика труб, опор, компенсаторов. Схемы присоединений систем отопления и вентиляции к тепловым сетям.
реферат [61,4 K], добавлен 07.01.2011Получение композиционных материалов. Применение топологического подхода, основанного на теории катастроф, к аномальному поведению дисперсных систем и материалов. Анализ процессов структурообразования дисперсных систем при динамических воздействиях.
статья [171,2 K], добавлен 19.09.2017Определение тепловых нагрузок помещений на систему отопления. Подбор приборов к системе отопления основной части здания и для четвертой секции, балансировка системы отопления. Гидравлический расчет системы отопления двухтрубной поквартирной системы.
курсовая работа [101,6 K], добавлен 23.07.2011Характеристика современных систем защиты от протечек воды. Схема накопления энергии при помощи конденсатора. Разработка структурной и принципиальной схемы датчика утечки воды. Схема преобразователя тока в напряжение на основе операционного усилителя.
курсовая работа [331,0 K], добавлен 09.12.2011Расчет энергии воды за год. Мощность одной гирлянды с поперечными турбинами. Данные по расчету береговых опор. Количество основных материалов на одногирляндную ГЭС. Подбор троса, выбор генератора. Расчет стоимости всех составных элементов электростанции.
контрольная работа [492,9 K], добавлен 06.08.2013Энергосбережение при освещении зданий. Способы управления осветительной нагрузкой. Системы автоматического управления освещением. Электробытовые приборы и их эффективное использование. Повышение эффективности систем отопления, автономные энергоустановки.
реферат [42,4 K], добавлен 01.12.2010Проектирование насосной системы водяного отопления индивидуального жилого дома. Характеристика наружных ограждений. Составление тепловых балансов помещений. Гидравлический расчет главного циркуляционного кольца. Тепловой расчет отопительных приборов.
курсовая работа [210,5 K], добавлен 22.03.2015Элементы и принципы функционирования систем отопления и горячего водоснабжения. Принцип работы теплосчетчика. Регуляторы давления прямого действия. Устройство тепловых пунктов. Регуляторы перепада давлений, работающие без постороннего источника энергии.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 14.01.2015Характеристика тепловой нагрузки. Определение расчётной температуры воздуха, расходов теплоты. Гидравлический расчёт тепловой сети. Расчет тепловой изоляции. Расчет и выбор оборудования теплового пункта для одного из зданий. Экономия тепловой энергии.
курсовая работа [134,1 K], добавлен 01.02.2016
