Как рассчитать объем теплоаккумулятора – советы специалистов

Не один форум и не раз поднимал вопрос о том, как рассчитать объем теплоаккумулятора. Наслышанные о преимуществах прибора пользователи спешат купить устройство, которое поможет в разы снизить затраты на отопление жилищ. Но, не зная, как рассчитать буферную емкость, потребители часто либо приобретают устройство, не соответствующее определенным требованиям, либо и вовсе отказываются от реализации этой затеи. Представители интернет-магазина «Teplozon» помогут вам выбрать оптимальный вариант прибора. Помните, что установка крупногабаритной емкости не всегда оправданна даже если в здании достаточно места для ее размещения. Чтобы нагреть большое количество воды, потребуется котел мощностью, в два раза превышающей необходимую для обогрева жилища. В свою очередь, маленький бак не сможет аккумулировать достаточное количество тепла и, соответственно, не справится с поставленной задачей.

Как рассчитать буферную емкость

За основу принимается следующее соотношение: от 25 до 50 литров воды на 1 киловатт мощности, нужной для нагрева помещения. Различные форумы предлагают другие способы того, как рассчитать объем теплоаккумулятора для котла. Но указанный выше метод считается самым простым. Как рассчитать буферную емкость с большей точностью? Нужно предположить, что жидкость в аккумуляторе при работе котла нагревается до 90 °C, а после того, как установка будет отключена, остывает до 50 °C. Эта разница в 40 °C тепла, которое будет отдано, отличается в зависимости от того, каков объем бака. Данная зависимость описывается в следующей таблице:

Объем теплового аккумулятора, м³	0,35	0,5	0,8	1	1,5	2	3	3,5
Величина отдаваемого тепла при разности температур в 40 °C, кВт/ч	20	30	45	58	85	115	170	210

Другие способы экономии с теплоаккумулятором

Существенное снижение энергозатрат – не единственная причина того, что потребители хотят знать, как рассчитать буферную емкость. Преимуществ использования высокоэффективной установки – множество:

• обеспечение постоянной комфортной температуры в помещениях дома;
• уменьшение затрат энергии, которое позволяет на половину снизить количество используемых дров и других энергетических носителей;
• высокая безопасность работы всей системы отопления;
• предотвращение частых включений тепловых насосов;
• управление сразу несколькими приборами.

Если вы думаете, что знаний того, как рассчитать буферную емкость аккумулятора достаточно, чтобы максимально эффективно использовать средства, то это не совсем так. Можно также неплохо сэкономить, установив не один прибор для отопления, а несколько, при этом подключив их к одному тепловому аккумулятору. Сделав это, вы получите возможность:

• не приобретать лишние детали для отопительной системы;
• настроить все приборы по приоритетности их работы;
• избежать лишних включений одной и той же техники и отключений другой.

Такой подход также позволяет минимизировать затраты времени и денег на организацию высокоэффективного отопления.

Смотрите также:

Расчет объема теплоаккумулятора для отопления частного дома

Что такое тепловой аккумулятор

Тепловой аккумулятор – устройство, предназначенное для накопления тепловой энергии с целью ее использования в домах, зданиях, на промышленном производстве.
Тепловой аккумулятор или, как его иногда еще называют – буферная емкость – ни что иное, как обыкновенная бочка (круглая или квадратная). Но бочка эта не простая, а волшебная.

Она способна экономить ваши деньги и создавать комфортную температуру в доме. У самой простой модификации теплового аккумулятора два выхода вверху и два внизу. Что еще может быть проще? Про тепловой аккумулятор наслышаны многие, но когда и как его применить, сэкономив при этом на отоплении, знают далеко не все.

Назначение теплоаккумулятора

Установленный в системе отопления он в автоматическом режиме:

• накапливает излишнее тепло;
• отдает накопленное тепло теплоносителю в нужный момент;
• предотвращает закипание воды в котле при отсутствии электроэнергии;
• обеспечивает работу котла без вмешательства человека.

ЧИТАТЬ ДАЛЕЕ: Сварочный аппарат для дома и дачи какой выбрать трансформатор выпрямитель инвертор генератор

Буферная емкость предназначена для работы в автоматическом режиме

В теплоаккумуляторе накопителем излишков тепла является буферная емкость для воды. (На фото красная). Представляет собой ёмкость для воды со змеевиком, укрытую теплоизоляцией. Пока горят дрова, она накапливает избытки тепла. Как только котел перестает выдавать нужную температуру, излишнее тепло из этой емкости отдается в систему отопления.

Вода в радиаторах не остывает. Система отопления в домах не устанавливается без электрических насосов, которые обеспечивают циркуляцию теплоносителя. Не трудно представить, что происходит в момент перебоев с электроэнергией. Дрова горят, тепло выделяется, а вода неподвижно стоит в трубах. Начинается ее закипание в котле.

Если этот момент упустить, то возможен взрыв со всеми вытекающими последствиями. Теплоаккумулятор для отопления препятствует этому. Пока горит топливо, его приходится периодически добавлять. Если не сделать это вовремя, котел потухнет. Чем это опасно в сильные морозы, знает каждый. Имея ТА процесс между закладками дров увеличивается в разы. При этом не создается опасность размораживания системы из-за затухания котла.

Когда выгодно выполнить монтаж теплового аккумулятора:

— у вас стоит твердотопливный котел;

— вы отапливаетесь электричеством;

— в помощь к отоплению добавлены солнечные коллекторы;

— есть возможность утилизировать тепло от агрегатов и машин.

Самый распространенный случай применения теплового аккумулятора, когда в качестве источника тепла используется твердотопливный котел. Тот, кто пользовался твердотопливным котлом для отопления своего дома знает, какого комфорта можно добиться с помощью подобной отопительной системы. Затопил – разделся, прогорел – оделся. По утрам в доме с таким источником тепла не хочется вылазить из-под одеяла. Регулировать процесс горения в твердотопливнос котле очень трудно.Топить нужно и при +10С, и при -40С. Горение и количество выделяемого тепла будет одинаковым, только вот этого самого тепла нужно совсем по-разному. Что же делать? О каком КПД может идти речь, когда при плюсовой температуре приходится открывать окна. Ни о каком комфорте и речи быть не может.

Схема монтажа твердотопливного котла с тепловым аккумулятором – идеальное решение для частного дома, когда хочется и уюта, и экономии. При подобной компановке вы растапливаете твердотопливный котел, нагреваете воду в тепловом аккумуляторе и получаете столько тепла, сколько вам нужно. При этом котел будет работать на максимальной мощности и с наибольшим КПД. Сколько тепла дадут дрова или уголь, столько и запасете.

Второй вариант. Монтаж теплового аккумулятора с электрокотлом. Данное решение сработает, если у вас имеется двухтарифный электросчетчик. Запасаем тепло по ночному тарифу, расходуем и днем, и ночью. Если вы решили применить такую систему обогрева, лучше поискать тепловой аккумулятор с возможностью установки электротена прямо в бочку. Электротен стоит дешевле электрического котла, да и материала для обвязки котла не потребуется. Минус работа по монтажу электрокотла. Представляете сколько можно сэкономить?

Третий вариант, когда имеется солнечный коллектор. Весь избыток тепла можно скидывать в тепловой аккумулятор. В демисезонье получается отличная экономия.

Зачем нужен теплоаккумулятор для котлов отопления?

Грамотно подобранный агрегат способствует существенному уменьшению расходов, связанных с использованием энергоресурса (экономия может достигать 50%). Буферная емкость предотвращает растрескивание чугунных компонентов системы вследствие резкого скачка температуры среды. Если внедрить новейшие температурные датчики, интеллектуальные регуляторы и автоматизировать вывод тепла из накопителя в систему, теплоотдача значительно возрастет, обслуживание здания потребует меньше топлива.

Обычно теплоаккумулятор выглядит как вертикальный цилиндрический резервуар с внутренним покрытием из бакелитового лака, выполненный из высокопрочной стали. Внутренний слой защищает материал от контакта с агрессивной средой – горячей водой, концентрированными кислотами, солевыми растворами. Устойчивость внешних поверхностей подкрепляется слоем порошковой краски.

Теплоаккумулятор для котлов отопления позволяет существенно уменьшить расход ресурсов

В верхней части агрегат соединяется с трубой, ведущей от котла – твердотопливного, газового, электрического, работающего от солнечной энергии, через нее поступает горячая среда. По мере остывания вода опускается к циркулярному насосу, последний направляет ее в магистральный проход к котлу, где осуществляется следующий цикл подогрева. Котел работает ступенчато, и во время его простоев вода из теплоаккумулятора поступает в систему. Таким образом даже когда нагревательный элемент не активен, батареи остаются теплыми, жильцам доступна горячая вода.

Расчет теплового аккумулятора

Формула расчета очень простая:

Q = mc(T2-T1), где:

Q — накопленная теплота;

m — масса воды в баке;

с — удельная теплоемкость теплоносителя в Дж/(кг*К), для воды равная 4200;

Т2 и Т1 — начальная и конечная температуры теплоносителя.

Допустим, у нас радиаторная система отопления. Радиаторы подобраны под температурный режим 70/50/20. Т.е. при опускании температуры в баке аккумулятора ниже 70С, мы начнем испытывать недостачу тепла, то есть попросту замерзать. Давайте расчитаем, когда это произойдет.

90 – это наши Т1

70 – это Т2

20 – температура в помещении. Она нам в расчете не понадобится.

Допустим, у нас тепловой аккумулятор на 1000 литров (1м3)

Считаем запас тепла.

Q=1000*4200*(90-70)=84 000 000 Дж или 84 000 кДж

1 кВт-ч = 3600 кДж

84000/3600=23,3 кВт тепла

Если теплопотери дома – 5 кВт в холодную пятидневку, то нам хватит запасенного тепла почти на 5 часов. Соответственно, если температура выше расчетной на холодную пятидневку, то теплового аккумулятора будет достаточно на более продолжительное время.

Подбор объема теплового аккумулятора зависит от ваших задач. Если необходимо сгладить температуру, ставим небольшой объем. Если требуется накопить тепло вечером, чтобы утром проснуться в теплом доме, нужен большой агрегат. Пусть стоит вторая задача. С 2300 до 0700 – должен быть запас тепла.

Предположим, что теплопотери – 6 кВт, а температурный режим системы отопления – 40/30/20. Теплоноситель в тепловом аккумуляторе может разогреться до 90С

Время запаса 8 часов. 6*8=48 кВт

M=Q/4200*(Т2-Т1)

48*3600=172800 кДж

V=172800/4200*50=0,822 м3

Тепловой аккумулятор от 800 до 1000 литров удовлетворит нашим требованиям.

Как сделать теплоаккумулятор для котлов отопления своими руками?

Простейшая схема сборки базируется на стальной бочке, если ее нет, можно самостоятельно сварить емкость аналогичной формы из листов нержавейки (толщина материала должна превышать 2 мм). Если используется открытая отопительная система, буферным резервуаром может служить прямоугольный бак из стали, для закрытых вариаций такой вариант не подойдет из-за высокого риска скачков давления.

Теплоаккумулятор для котлов отопления — схема

В качестве нагревательного элемента умельцы используют медную трубку: заготовку длиной 8-15 м и диаметром 2-3 см скручивают в спираль и помещают в резервуар. Сбор тепла будет осуществляться в верхней части емкости: в этой зоне обустраивается отводной патрубок, через который будет выводиться горячая вода, снизу предусматривают такой же элемент для поступления холодной. Чтобы контролировать поступление среды в накопительную зону, на отводы устанавливаются краны.

Бак проверяют на герметичность, если все швы выполнены качественно, приступают к формированию утеплительного слоя. Поверхность бака зачищают, обезжиривают, грунтуют, покрывают термостойкой порошковой краской (здесь она выступает в качестве защиты от коррозии).

Далее заготовку оборачивают рулонной базальтовой ватой, фиксируя ее скотчем или шнуром. Желательно также обернуть бак фольгированной пленкой или листовым металлом. Пенопласт и пенополистирол могут стать объектом интереса грызунов, поэтому не стоит использовать их в качестве утеплителя.

В новых слоях формируют зазоры для отводных патрубков, подключают емкость к системе отопления. Буферный резервуар оснащают термометром, взрывным клапаном и датчиками давления, позволяющими управлять степенью прогревания среды.

Установка и подключение теплоаккумулятора

Аккумулирующий бак для системы отопления, котел и обвязка нуждаются в большой площади под установку — желательно в отдельном утепленном помещении. Кстати, нужно учесть, что стандартная ширина дверных проемов около 800 мм. Покупая бак большего диаметра, придется снимать дверную коробку. Габарит емкости необходимо считать не по диаметру цилиндрической части, а по крайним точкам патрубков.

На второй этаж теплоаккумулятор объемом более 1 000 л лучше не ставить, так как перекрытие может не выдержать. Если бак будет монтироваться на первом этаже или в подвале дома, то под его установку желательно залить бетонную плиту толщиной 40 — 50 мм.

Буферный бак, как и любая емкость под давлением, должен оборудоваться автоматическим воздушником, предохранительным клапаном и манометром. В нижней точке емкости к баку подключается дренажная линия для слива воды при ремонте. По высоте бак комплектуется температурными датчиками. Устройство бака включает в себя лаз для внутреннего ремонта.

Диаметр патрубков бака должен совпадать с диаметром подводящих и отводящих трубопроводов котельного, отопительного или любого другого контура. Подсоединение, как правило, резьбовое, но баки с давлением выше 6 атм соединяются с системой через фланцы.

Чтобы обеспечить естественную циркуляцию в контуре при отключении электроэнергии, патрубок обратки бака нужно сделать выше патрубка обратки котла, а высота между трубами подачи и обратки в котельном контуре должна составлять не менее 2,5 — 3 метров.

3) Расчет по таблицам из спецификаций АКБ

Профессионально и точно можно рассчитать время автономии используя разрядные таблицы аккумуляторов. Опишем алгоритм по шагам:

Шаг 1. Расчет полной мощности в мощность нагрузки на аккумуляторы

Ракб= (Pнагр*cos(φ)*Кнагр)/КПДинв

где:

• Pнагр – мощность в кВа
• cos(φ) – характеристика коэффициент мощности (характеристика нагрузки)
• Кнагр – степень загрузки ИБП
• КПДинв – коэффициент полезного действия инвертора

Для примера возьмем ИБП мощностью 120кВа работающий на нагрузке 70% с коэффициентом мощности 0.8:

Ракб= (120000*0,8*0,7)/0,94=71 489Вт — именно эта нагрузка ляжет на весь аккумуляторный банк при питании ИБП от АКБ.

Шаг 2. Расчет нагрузки на один аккумулятор

Пересчитаем нагрузку на один АКБ. Как правило, в крупных ИБП аккумуляторы соединяются последовательно кол-вом 32-40шт. Для расчета нагрузки на на одну батарею при 40АКБ:

71 489Вт/40=1 788Вт.

В дата-листе аккумуляторов как правило указывается мощность на элемент (Pэл), которых 6шт. в 12В АКБ. Следовательно:

Pэл = 1788/6 = 298Вт.

Шаг 3. Изучение разрядных таблиц батарей и подбор.

В статье Как правильно выбрать аккумулятор для ИБП мы рассматривали подвиды аккумуляторов в разрезе различного целевого использования. Одна из базовых характеристик – это энергоотдача, т.е. сколько способен отдать мощности АКБ за определенное время.

Давайте посмотрим разрядные таблицы 100Ач аккумуляторов Delta двух различных серий.

Delta DTM 12100 l:

Delta HRL 12100:

Напомним, что наша нагрузка на элемент 298Вт. Глубина разряда – 10,8В или 1,80В на элемент. Таким образом, из данных таблиц, можно сделать вывод, что DTM 12100 l продержит нагрузку около 13,8 минут (можно считать пропорционально, искажения минимальны), Delta HRL 12100 – 16,3 мин. разница порядка 15%. Кстати, разница в цене приблизительно аналогична.

Как рассчитать теплоаккумулятор для дома – Строительство

Как рассчитать теплоаккумулятор для дома Создано огромное количество методик для расчета емкости теплоаккумулятора.

Большинство из них усложнены, поэтому их можно изложить в относительно простом виде, учитывая незначительные допущения. Но многие методы нуждаются в достаточно точной информации в плане рабочих характеристик солнечного коллектора, подробной погодной информации.

О том как провести подбор и расчет теплоаккумулятора для дома вы можете прочитать здесь http://www.teplobak.com.ua/ru/news/487

Поскольку подобная информация зачастую отсутствует, то приходится делать приближения и, когда это возможно, предусматривать условия для смены итоговой емкости теплоаккумулятора после нахождения реальных рабочих показателей в ходе эксплуатации. К примеру, бетонный резервуар для воды излишнего размера можно наполнить до разного уровня в ходе действительной работы, пока не будут найдены оптимальные показатели системы.

Итак, первый метод. Сперва находятся параметры солнечного коллектора согласно потребностям сооружения в конкретной географической местности. Потом находится диапазон средних температур теплоаккумулятора. После установления температурного диапазона аккумулятора находится количество тепла, которое накапливается на 1кг (либо на 1м3) теплоаккумулирующей среды. Найденное значение делится на количество кДж, улавливаемое солнечным коллектором за солнечный день. Это и будет примерная общая масса (либо объем) теплоаккумулятора.

Второй метод. Этот метод нахождения параметров теплоаккумулятора базируется на количестве градусо-дней, согласно которым система обеспечивает сооружение. Находится температурный диапазон, а также средняя температура, потом подбирается солнечный коллектор с соответствующими габаритами.

Наверное, одним из важных моментов применения солнечной энергии считается необходимость в дублирующей отопительной системе во время холодной облачной погоды, а также на случай истощения теплоаккумулятора.

Теплоаккумулятор (буферная емкость) в системе отопления

Буферная емкость — полезнейший элемент в системе отопление с твердотопливным котлом и с электрическим котлом. Но если теплоаккумулятор подключить не правильно, то он не будет выполнять свои функции как положено.

Аккумулятор тепла для системы отопления (Буферная емкость) представляет из себя большую емкость наполненную теплоносителем и подключенную в схеме между котлом и радиаторами.

Разберемся, зачем нужен теплоаккумулятор в системе отопления, в чем заключается особенность подключения буферной емкости, и какое объем потребуется.

Назначение теплоаккумулятора

Назначение теплоаккумулятора понятно из его названия – хранить в себе запас тепловой энергии. У твердотопливного котла действие периодическое. Температура теплоносителя на его выходе изменяется в зависимости от интенсивности горения и количества одновременно горящего топлива.

Удобно топить котел не чаще раза в сутки.
За одну топку он может выделить, к примеру, 100 кВт (30 кг дров или 13 кг угля при КПД 80%). Но такая энергия выделится за 3 – 4 часа, а нам нужно, чтобы она подпитывала систему отопления равномерно в течении 24 часов. Получается по 4 – 5 кВт. Сделать это поможет только буферная емкость.

Аккумулятором тепла в доме выступают сама система отопления, так как в ней немало жидкости – может быть 100 литров и больше. Также тепло хорошо аккумулируют тяжелые строительные материалы – цементнопесчаная стяжка, перегородки и стены из кирпича, бетона, шлакобетона.

В доме, где много тяжелых строительных материалов, где большая внутренняя теплоемкость, сохраняется особый комфорт из-за отсутствия резки скачков температуры и влажности. В каркасных домах сгладить дискомфорт призвана система вентиляции управляемая электроникой.

Чтобы поддерживать стабильную температуру на протяжении суток в холодное время при неработающем котле, одной внутренней теплоемкости дома будет мало, необходима буферная емкость.

Как применяется буферная емкость с электрическим котлом

С твердотопливным котлом все понятно, — буферная емкость нужна чтобы топить котел пореже.
Но зачем нужен теплоаккумулятор с электрическим котлом, который можно запрограммировать как угодно?

Ответ на вопрос заключается в ночном маленьком тарифе на электричество.

Если есть возможность подключить ночной тариф и достаточную электрическую мощность (трехфазное подключение), то отопление электрическим котлом будет оптимальным. Несмотря на повышенную стоимость электричества (даже ночной тариф! — 1,7 руб/кВт, для дров примерно 1,0– 1,3 руб /кВт) выбор в пользу электрокотла побеждает из-за самого комфортного пользования.

Буферная емкость накапливает энергию выработанную за ночь электрокотлом, а днем будет ее отдавать.

Можно ознакомится с выбором вида отопления для дома – что дешевле?

Как подключается буферная емкость

Лучше применить простую и надежную схему подключения буферной емкости.

На емкость подключаются два контура – с одной стороны котел с насосом. С другой стороны система отопления со своим насосом.

Правильное направление движения жидкости в буферной емкости сверху вниз (указано на схеме стрелкой). Тогда теплоаккумулятор будет нагреваться от котла, или, как говорят специалисты, — будет заряжаться. После выключения котла емкость будет остывать и отдавать разогретый теплоноситель на радиаторы и тепло на ГВС.

Но как этого добиться?
Достигается путем подбора производительности насосов. Как правило, контур котла короткий, поэтому при одинаковых насосах жидкость будет двигаться в емкости сверху вниз. Чтобы обеспечить в любом случае превосходство контура котла по производительности в систему всешжда вводят дроссельный кран, которым запирают контур отопления при необходимости.

Термометры и трехходовой клапан

Также в подключении радиаторов может быть применен трехходовой клапан с термоголовкой (на схеме не показан) который позволит забирать тепло из емкости понемногу в соответствии с настройками термоголовки.

Проверить же в каком направлении движется жидкость по емкости – снизу вверх или сверху вниз, можно с помощь термометров, установленных с двух сторон емкости на обратке. Некоторые теплоаккумуляторы снабжены градусниками.
Температура на обратке котла должна быть несколько больше, чем на обратке отопления. Тогда буферная емкость будет заряжаться.

Змеевик внутри буферной емкости обеспечит нагрев воды для горячего водоснабжения. Отдельный бойлер для ГВС не нужен.

Крайне важно, оградить твердотопливный котел от холодной обратки, ведь остывшую емкость не быстро разогреть, а также необходимо прекращать циркуляцию, когда котел погаснет. В противном случае он быстро охладит жидкость через свой теплообменник, ведь продувка на дымоход идет постоянно. Как подключить котел, чтобы он работал в оптимальном режиме – читайте на данном ресурсе.

Какой объем аккумулятора тепла выбрать

В подборе объема теплоаккумулятора для системы отопления важны не столько расчеты, сколько опыт эксплуатации и здравый смысл.

Весь нюанс выбора объема буферной емкости в том, что она стоит не мало, а дней с пиковыми холодами совсем не много.
Поэтому разумней не устанавливать емкость на 3 тонны, которая весьма дорогая, а в сильные морозы протопить несколько раз. Да к тому же и нагревать 3 тонны весьма долго, отопление получится не комфортным.

Практика показала, что оптимальным объемом, обеспечивающий достаточный комфорт, является одна тонна на 200 м кв. площади дома, если дом, конечно, утеплен как положено. Из этого расчета можно приблизительно принять: 100 м кв — 0,7 тонны, 300 м кв – 1,3 тонны.

Кстати, об утеплении – как утеплить дом, чтобы отопление было минимальным, читайте ЗДЕСЬ.

С буферной емкостью удобней использовать твердотопливный котел повышенной мощности, по принципу, — «Протопил один раз». Подбирается котел как минимум в 2 раза мощнее, чем по расчету теплопотерь. Если нужен на 15 кВт, — берем на 40 и не ошибаемся. Мощный твердотопливный котел, в отличие от других типов котлов всегда удобнее в эксплуатации.

Остается заметить, что сделать буферную емкость самостоятельно или пользоваться «самопалом» чаще не практичнее и не дешевле. Устройство сложное, требует защиты от коррозии, высокой теплоизоляции, правильного змеевика, лучшей циркуляции воды, и к тому же особой прочности. Так что думайте сами…

Схема отопления с теплоаккумулятором в частном доме

Твердотопливные котлы – отличное оборудование для отопления частного дома в сельской местности или в пригороде, вдали от газовых магистралей. Как и любое другое оборудование котлы на твердом топливе претерпевают изменения, модифицируются и усовершенствуются, поэтому современные модели представлены пиролизными аппаратами, котлами с теплоаккумуляторами, пеллетным оборудованием, оснащены автоматикой и средствами контроля параметров. Стандартная схема отопления с теплоаккумулятором заслуживает особого внимания, так как экономит топливо, которое и без того стоит недешево – ведь платить приходится не только за дрова, торф, пеллеты или уголь, но и за их доставку. Теплоаккумулятор для электрических и твердотопливных котлов отопления эффективнее себя проявит, если подсчет электроэнергии ведется по дневному и ночному тарифам. Отопительное оборудование с тепловым аккумулятором

Устройство отопления с ТА

Тепловой аккумулятор (ТА) для котлов отопления – составная часть отопительной системы, работающая на увеличение временного отрезка между циклами подачи топлива в топочную камеру. Конструктивно это герметичная утепленная емкость большого объема, наполненная теплоносителем из системы отопления, который постоянно циркулирует по контуру (контурам). В качестве теплоносителя используются традиционные жидкости – дистилированная вода, антифриз, водно-глюколевые растворы.

Единственная особенность, которую обязательно нужно учитывать при принятии решения о включении в схему ТА – объем отапливаемых помещений. Чем он меньше, тем меньше смысла в установке теплоаккумулятора – мощности котла и нагревательных приборов (радиаторов, батарей) вполне достаточно для обогрева небольших помещений. Как функционирует отопление с тепловым аккумулятором – упрощенная схема подключения:

1. Теплоаккумулятор включается в разрыв между котлом и трубной разводкой, то есть, нагретая в котле жидкость сразу направляется в емкость;
2. Из аккумулятора горячая жидкость перетекает в отопительные приборы посредством трубной разводки;
3. По обратной подаче жидкость снова направляется в аккумулятор, а из него – в котел для нового цикла нагревания.

Принципиальная схема работы отопления с тепловым аккумулятором

Потоки подачи и обратки должны постоянно смешиваться – это условие эффективной работы теплового аккумулятора. Но нагретый теплоноситель поднимается вверх, а остывший – опускается вниз, поэтому сложность обеспечения работоспособности системы заключается в том, чтобы создать такие условия, при которых некоторый объем горячей жидкости опускался на дно аккумулятора для нагрева остывшей жидкости из обратки. Заряженный аккумулятор – это резервуар, в котором весь объем теплоносителя имеет одинаковую температуру.

После сгорания очередной порции твердого топлива котел перестает нагревать воду, и начинает работать ТА. Горячий теплоноситель продолжает двигаться в системе, отдавая тепло и охлаждаясь в батареях. Циркуляция будет продолжаться до тех пор, пока теплоноситель не остынет полностью, или в котел не загрузится новая порция дров или угля.

При наличии системы автоматики критическое охлаждение теплоносителя не допускается, так как подача твердого топлива в системе отопления с твердотопливным котлом контролируется датчиками температуры: при достижении определенного значения, означающего, что котел перестал поддерживать горение, датчик подает сигнал в исполнительную систему, которая открывает задвижку подачи топлива – угля, пеллет или торфа. Автоматическая загрузка топлива в твердотопливный котел

Недостатки работы системы отопления с теплоаккумулятором для дачных и садовых домиков с сезонным проживанием:

1. Помещения прогреваются дольше;
2. Из-за маленьких размеров ТА увеличивается объем отопительного контура, поэтому самый дешевый теплоноситель для таких систем – вода. Антифриз и другие синтетические жидкости обойдутся слишком дорого.

Но каждый раз по приезде вновь наполнять систему водой – занятие хлопотное, а, если выездите на дачу два-три раза в месяц – просто бессмысленное. Поэтому в ТА встраиваются дополнительные стальные спиральные трубы, выполняющие роль отопительных контуров. Теплоноситель, протекающий по спиралям, не контактирует с теплоносителем в ТА, а является отдельным и автономным контуром отопления или ГВС. Реализацией такого несложного приема можно добиться универсальности применения любого котла, даже простейшего одноконтурного. Причем КПД такого оборудования будет использован максимально. Теплоаккумулятор со спиралевидным контуром

Роль таких пассивных спиралей могут выполнять и активные элементы – электрические ТЭНы, которые могут подключаться к электрической сети или быть автономными – работать от энергии солнца (солнечных аккумуляторов). Такой способ нагрева теплоносителя или ГВС считается вспомогательным.

Схема обвязки с тепловым аккумулятором

Схем отопления с твердотопливным котлом и теплоаккумулятором можно разработать сколько угодно – все будет зависеть от реальных условий эксплуатации отопления, расположения помещений, их площади, применяемого оборудования, и т.д. Традиционная и стандартная обвязка твердотопливного котла отопления схема с теплоаккумулятором работает следующим образом:

На рисунке ниже стрелками указаны перемещения теплоносителя по системе, при этом обратка вверх двигаться не может. Чтобы забирать теплоноситель из обратки, в схему включается циркуляционный насос между аккумулятором и котлом, который перекачивает больше жидкости, чем насос до ТА. Таким образом, образуется перепад давлений в трубах, и жидкость забирается из трубы обратной подачи в резервуар. Небольшой недостаток этой схемы заключается в том, что контур будет нагреваться дольше. Простейшая схема обвязки с теплоаккумулятором

Для уменьшения этого временного отрезка реализуется такое устройство отопления (рисунок ниже по тексту) с замкнутым циклом прогревания котла. Работает схема так: теплоноситель не поступает из ТА в котел до тех пор, пока она не нагреется в рубашке котла до заданной температуры. После достижения заданного значения некоторый объем жидкости из трубы подачи поступает в аккумулятор, а часть смешивается в системе с жидкостью из ТА, и снова подается в котел. Обвязка теплоаккумулятора с контуром прогревания котла

В результате реализации такой схемы котел всегда принимает нагретую жидкость, что поднимет его КПД, уменьшает время прогрева отопительного контура и позволяет организовать автономный режим работы включением двух байпасов:

1. При неработающем насосе и перекрытом вентиле нижнего байпаса работает обратный клапан;
2. При неработающем насосе и обратном клапане работает нижний байпас.

Из-за высокого сопротивления обратного клапана потоку теплоносителя его можно не включать в схему: Обвязка без обратного клапана для системы с естественной циркуляцией теплоносителя

При аварийном отключении электричества шаровый вентиль открывается вручную. При работе схемы только с принудительной циркуляцией теплоносителя обвязка с ТА делается по следующей схеме: Обвязка для системы с принудительной циркуляцией теплоносителя

Как рассчитать требуемый объем теплоаккумулятора

Слишком большой или слишком маленький резервуар для накопления тепла в виде нагретого теплоносителя– это неэффективное решение, поэтому требуемый объем резервуара подлежит математическому расчету, точные результаты которого получить сложно из-за приблизительных первоначальных данных – тепловых потерь в помещении, свойств утеплителя стен и фундамента дома, теплоизолирующих качеств стройматериалов стен, перекрытий и перегородок, этих же параметров оконных и дверных проемов. Но приблизительно провести расчет теплоаккумулятора все же можно, и рассчитан такой прием именно на незнание точных тепловых потерь здания, тем более, если его только предстоит построить.

Выбор размеров и объема резервуара под тепловой аккумулятор можно сделать, отталкиваясь от следующих параметров:

1. Общая площадь отапливаемых помещений;
2. Тепловая мощность нагревательного оборудования.

Эти два параметра и определяют объем ТА.

Допустим, необходимо вычислить объем теплового аккумулятора для отопительной системы, исходя из отапливаемой площади помещения. Формула для расчета простая: площадь в квадратных метрах умножается на четыре (Sx 4). Например, для дома общей отапливаемой площадью 50 м² потребуется резервуар на 200 литров. При таком объеме ТА, как показывает практика, загружать котле твердым топливом можно всего одни раз в сутки. Это – очень хорошая экономия и очень хороший КПД.

Расчет объема теплоаккумулятора отопления

Знающие хозяева скажут, что можно просто установить пиролизный котел, который будет работать так же. Но работа такого котла немного сложнее и менее эффективна, так как:

1. Сначала топливо возгорается и разгорается;
2. Затем ограничивается подача воздуха;
3. Последним активируется тление топлива (пиролиз).

При возгорании топлива температура теплоносителя резко возрастает, а пиролизный процесс поддерживает ее на заданном уровне, причем во время протекания пиролиза много тепловой энергии просто исчезает в трубу дымохода, не обогревая почти ничего. Еще один минус – при открытой системе отопления на пиках разогрева теплоноситель может закипать и выплескиваться из расширительного бачка, а при использовании ПВХ труб для разводки отопления они быстрее выходят из строя от высокой температуры.

 

Правильный выбор теплоаккумулятора для вашего помещения

В некоторых регионах страны нет возможности подключения к газовому отоплению, а цены на электричество зашкаливают, отапливать жилые помещения выгодней всего твердым топливом: дровами, углем, опилками или торфом. С использованием электрических или газовых котлов нет необходимости постоянно быть неподалеку, с котлами на твердом горючем необходимо периодически погружать топливо вручную. Чтобы это делать изредка, такой котел можно оборудовать теплоаккумулятором.

Теплоаккумулятор или буферная емкость — это простая металлическая емкость определенного объема, покрытая теплоизолирующим слоем. Простые конфигурации оснащены только патрубками для соединения с теплоносителем, а также гильзами под монтировку термометров. Есть такие виды, где термометры уже вмонтированы. Более дорогие и усовершенствованные буферные емкости оборудованы теплообменниками в виде змеевиков.

Преимущества:

• повышается КПД до 70-85%;
• есть возможность контролировать температуру в помещении в раздельных зонах, при этом выставляя желаемые температурные показатели;
• увеличиваются разрывы загрузки топлива;
• сокращается риск нагрузок при экстремальной эксплуатации, перегрева топки или образования конденсата. Все это увеличивает работу котла.

Как рассчитать объем теплоаккумулятора

Как рассчитать и выбрать теплоаккумулятор — дело непростое, ведь маленький объем не справится со своей задачей, а слишком большой бессмысленный с точки зрения расходов. Без сведений о теплопотери помещения точно рассчитать невозможно, хотя можно высчитать особо приблизительно.

Мощность нагревателя в киловаттах зависит от площади. 1Квт обогревает 10 кв. м. Если помещение 140 кв. м, то котел необходим на 14 Квт. Необходимо сделать запас, чтобы котел не работал на предельной мощности. Средний коэффициент 1.5, отсюда следует, что нужен котел 21Квт.

Каждый киловатт мощности котла используется на разогрев 25 л. теплоносителя в буферной емкости. Умножив две величины, получаем 520 литров. Это не предел, ведь закладывался запас мощности. Этого запаса мощности хватит, чтобы оборудование работало без особой нагрузки и в, таком случае, прослужит долго.

Объем теплоаккумулятора можно рассчитывать и с помощью разных сложных формул. Буферная емкость улучшает условия эксплуатации любого твердотопливного котла.

На сайте kotelbizon.ua купить теплоаккутулятор Бизон от производителя любой интересующей модели. Все оборудование сертифицировано.

(PDF) Общая стратегия определения размера для системы аккумулирования тепла с использованием материала с фазовым переходом для концентрированной солнечной тепловой электростанции

Стратегия была явно продемонстрирована на примере проектирования

единиц 6-часового разряда энергии для солнечной тепловой электростанции мощностью 60 МВт

установка с КПД 35%. В примерах конструкции были рассмотрены два различных типа PCM, и была применена общая стратегия выбора размеров

egy для определения объема резервуара для хранения для каждого PCM до

, удовлетворяющего требованию, чтобы температура выпускаемой жидкости

за 6 ч выше пороговой температуры.Радиус накопительных резервуаров

в примерах выбран равным 5 м. Было обнаружено, что для LHSS

с использованием PCM-1 требуется 8-часовой заряд тепла, чтобы обеспечить 6-часовой разряд

требуемой энергии с использованием нескольких накопительных баков общей высотой

46,9 м или, иначе, 6-часового теплового заряда. к многократному хранению

резервуаров общей высотой 50,4 м могут обеспечить 6 часов разряда необходимой энергии

. Для LHSS используют ПКМ-2 6 ч тепловой загрузки в несколько

резервуаров

общей высотой 42.5 м сможет удовлетворить потребность в

температуры сбрасываемой жидкости выше пороговой.

Наконец, пример SHSS с использованием гранитных пород в качестве материала для хранения

был сравнен с LHSS. Обнаружено значительное уменьшение объема резервуара хранения

на 47%.

Благодарности

Авторы благодарны за поддержку со стороны Департамента энергетики США

и Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии в рамках

Премия Министерства энергетики США: DE-FC36-08GO18155.Также выражаем благодарность доктору Дику

Соли за его ценные предложения по структуре и организации

этой статьи.

Ссылки

[1] Мюллер-Штайнхаген Х., Триб Ф. Концентрация солнечной энергии: обзор технологии

. Ingenia Inform QR Acad Eng 2004; 18: 43–50.

[2] Py X, Azoumah Y, Olives R. Концентрированная солнечная энергия: современные технологии,

основные инновационные проблемы и применимость в странах Западной Африки. Обновить

Sustain Energy Ред. 2013; 18: 306–15.

[3] Лю М., Саман В., Бруно Ф. Обзор материалов для хранения тепла и методов повышения производительности

для высокотемпературного фазового перехода

Системы аккумулирования тепла. Renew Sustain Energy Rev 2012; 16 (4): 2118–32.

[4] Наллусами Н., Сампат С. Экспериментальное исследование комбинированной системы накопления явной

и скрытой теплоты, интегрированной с источниками постоянного / переменного (солнечного) тепла

. Renew Energy 2007; 32: 1206–27.

[5] Verma P, Singal SK.Обзор математического моделирования систем накопления тепловой энергии со скрытой теплотой

, использующих материал с фазовым переходом. Renew Sustain Energy

Ред. 2008; 12 (4): 999–1031.

[6] Агьеним Ф., Хьюитт Н., Имс П., Смит М. Обзор материалов, теплопередачи

и формулировка проблемы фазового перехода для систем хранения скрытой тепловой энергии

(LHTESS). Renew Sustain Energy Rev 2010; 14 (2): 615–28.

[7] Регин А.Ф., Соланки СК, Сайни Дж.С. Характеристики теплоотдачи системы накопления тепловой энергии

на капсулах ПКМ: обзор.Renew Sustain Energy Ред.

2008; 12 (9): 2438–58.

[8] Нитьянандам К., Питчумани Р., Матур А. Анализ скрытого термоклина.

Система накопления энергии для концентрирования солнечных электростанций. В: Proceedings of

the ASME 2012 6th International Conference on Energy Sustainability, ESFuel

Cell 2012, июль 2012 г., Сан-Диего, Калифорния, США.

[9] Чжан И, Чжоу Г., Линь К., Чжан К., Ди Х. Применение скрытого тепла теплового накопления энергии

в зданиях: современное состояние и перспективы.Сборка Environ

2007; 42 (6): 2197–209.

[10] Худхаир AM, Фарид MM. Обзор энергосбережения в строительстве

приложений с накоплением тепла за счет скрытой теплоты с использованием материалов с фазовым переходом

. Energy Convers Manage 2004; 45 (2): 263–75.

[11] Залба Б., Мари

´n JM, Кабеза Л.Ф., Мехлинг Х. Обзор накопителя тепловой энергии

с фазовым переходом: материалы, анализ теплопередачи и приложения. Заявление

Therm Eng 2003; 23 (3): 251–83.

[12] Бежан Адрия. Минимизация генерации энтропии: метод термодинамической оптимизации

систем конечного размера и процессов с конечным временем. CRC Press; 1996.

[13] Пачеко Дж. Э., Шоуолтер С. К., Колб В. Дж.. Разработка системы аккумулирования тепла солевым термоклином

для установок с параболическим желобом. J Sol Energy Eng

2002; 124 (2): 153–9.

[14] Ван Лью Дж., Ли П.У., Чан К.Л., Караки В., Стивенс Дж. Переходная передача тепла и процесс накопления

в системе аккумулирования тепла термоклином.В: Материалы международного конгресса и выставки механики

ASME 2009, IMECE 2009,

ноябрь 2009 г., Лейк-Буэна-Виста, Флорида, США.

[15] Ли П, Сюй Б., Хань Дж., Ян Й. Проверка модели накопителя тепла

, объединенного методом расширенной сосредоточенной емкости, для различных

структурных комбинаций твердого тела и жидкости. Солнечная энергия 2014; 105: 71–81.

[16] Ли П.В., Ван Лью Дж., Караки В., Чан К.Л., Стивенс Дж., Ван К. Обобщенные диаграммы эффективности накопления энергии

для конструкции термоклинного резервуара для хранения тепла и калибровки

.Солнечная энергия 2011; 85 (9): 2130–43.

[17] Ли П.В., Ван Лью Дж., Чан К.Л., Караки В., Стивенс Дж., О’Брайен Дж. Э. Подобие

и

обобщенный анализ эффективности систем хранения тепловой энергии. Renew

Energy 2012; 39 (1): 388–402.

[18] Wu M, Li M, Xu C, He Y, Tao W. Влияние бетонной конструкции на тепловые характеристики

двухкомпонентного термоклинного резервуара

с использованием бетона в качестве твердой среды. Appl Energy 2014; 113: 1363–71.

[19] Прасад Л., Мутукумар П. Разработка и оптимизация лабораторного прототипа накопителя явного тепла

для солнечной тепловой электростанции. Солнечная энергия

2013; 97: 217–29.

[20] Xu C, Wang Z, He Y, Li X, Bai F. Анализ чувствительности численного исследования

тепловых характеристик системы хранения с термоклином с уплотненным слоем расплавленной соли с термоклином

. Appl Energy 2012: 92: 65–75.

[21] Ян З., Гаримелла С.В. Циклическая работа расплавов солевого накопителя тепловой энергии

в термоклинах для солнечных электростанций.Appl Energy 2013; 103: 256–65.

[22] Феликс Регин А., Соланки, Южная Каролина. Анализ системы накопления тепловой энергии со скрытой теплотой

с уплотненным слоем с использованием капсул из ПКМ: численное исследование. Renew

Energy 2009; 34: 1765–73.

[23] Ву С., Фанг Дж. Моделирование динамических характеристик разрядки в системе накопления солнечного тепла

со сферическими капсулами с использованием парафина в качестве материала для аккумулирования тепла.

Renew Energy 2011; 36: 1190–5.

[24] Нитхьянандам К., Питчумани Р., Матур А.Численный анализ скрытой теплоты.

Система накопления тепловой энергии со встроенными термосифонами. В:

Материалы 6-й международной конференции ASME 2012 по энергетике

Устойчивое развитие. Июль 2012 г., Сан-Диего, Калифорния, США.

[25] Нитьянандам К., Питчумани Р. Вычислительные исследования системы накопления скрытой тепловой энергии

со встроенными тепловыми трубками для концентрации солнечной энергии.

Appl Energy 2013; 103: 400–15.

[26] Арчиболд А.Р., Рахман М.М., Госвами Д.Ю., Стефанакос Э.Л.Параметрическое исследование

процесса плавления и затвердевания в герметизированном сферическом контейнере

. В: Материалы 6-й международной конференции

ASME 2012 по энергетической устойчивости. Июль 2012 г., Сан-Диего, Калифорния, США.

[27] Вышак Н.Р., Джилани Г. Численный анализ системы накопления скрытой тепловой энергии

. Energy Convers Manage 2007; 48 (7): 2161–8.

[28] Нитьянандам К., Питчумани Р., Матур А. Анализ скрытой системы хранения термоклина

с инкапсулированными материалами с фазовым переходом для концентрации

солнечной энергии.Appl Energy 2014; 113: 1446–60.

[29] Тумилович Э., Чан К.Л., Сюй Б., Ли П.В. Формулировка энтальпии для термоклина

с инкапсулированным накопителем тепла PCM и эталонное решение с использованием метода характеристики

. В: Материалы конференции ASME 2013 Summer heat

, июль 2013 г., Миннеаполис, Миннесота, США.

[30] Тумилович Э., Чан К.Л., Ли П.В., Сюй Б. Формулировка энтальпии для термоклина

с инкапсулированным накопителем тепла PCM и эталонное решение с использованием метода характеристики

.Int J Heat Mass Transfer 2014; 79: 362–77.

[31] Ван Лью Дж., Ли П.У., Чан К.Л., Караки В., Стивенс Дж. Анализ накопления тепла и

доставки термоклинного резервуара с твердым наполнителем. J Sol Energy Eng

2011; 133 (2): 021003.

[32] Сюй Б, Ли П.В., Чан КЛ. Продление срока действия метода сосредоточенной емкости для

большого числа Био в приложении для аккумулирования тепла. Солнечная энергия 2012; 86 (6):

1709–24.

[33] Schumann TE. Теплообмен: жидкость, протекающая через пористую призму.J

Franklin Inst 1929; 208 (3): 405–16.

[34] SunShot Energy Efciency and Renewable Energy, Министерство энергетики США.

Исследование SunShot Vision: февраль 2012 г. Отчет NREL № BK5200-47927; DOE /

GO-102012–3037; 2012.

[35] Сюй Б, Ли П-В, Чан Ц-Л. Стратегии жидкого заряда / разряда системы хранения данных с двумя носителями

в процессе запуска суточного цикла для электростанции CSP. В:

Материалы 8-й международной конференции по энергетике ASME 2014

Устойчивое развитие.Июнь 2014 г., Бостон, Массачусетс, США.

[36] Ли П. В., Ван Лью Дж., Караки В., Чан С. Л., Стивенс Дж., О’Брайен Дж. Э. Переходное тепло

Передача и перенос энергии в системах аккумулирования тепла с уплотненным слоем. В книге

«Развитие теплопередачи» под редакцией Марко Аурелио душ Сантуш

Бернардес, ISBN 978-953-307-569-3, 15 сентября; 2011.

[37] Incropera FP, DeWitt DP. Введение в теплопередачу. 4-е изд. John Wiley и

Sons, Inc.; 2002.

[38] Неллис Г., Кляйн С.Теплопередача. Издательство Кембриджского университета; 2009.

[39] Валмики М.М., Стивенс Дж., Караки В., Ли П.В., Ван Лью Дж., Чан К.Л. Экспериментальное

исследование процессов аккумулирования тепла в термоклинном резервуаре. J Sol Energy

Eng 2012; 134 (4): 041003.

[40] Ян З., Гаримелла С.В. Термический анализ накопителя солнечной тепловой энергии в солевом термоклине

. Солнечная энергия 2010; 84 (6): 974–85.

[41] Байон Р., Рохас Э. Моделирование накопления термоклина для солнечной тепловой энергии

электростанций: от безразмерных результатов до прототипов и резервуаров реального размера.Int J Heat

Mass Transfer 2013; 60: 713–21.

[42] Наллусами Н., Сампат С., Велрадж Р. Экспериментальное исследование комбинированной системы накопления явного и скрытого тепла

, интегрированной с постоянными / изменяющимися

(солнечными) источниками тепла. Renew Energy 2007; 32: 1206–27.

[43] Моди А., Перес-Сегарра, CD. Системы аккумулирования тепла Thermocline для

солнечных электростанций: одномерная численная модель и сравнительный анализ

. Солнечная энергия 2014; 100: 84–93.

[44] Бежан Адриан. Передовая инженерная термодинамика. 2-е изд. John Wiley & Sons,

Inc .; 1997. Минимизация генерации энтропии: метод термодинамической оптимизации

систем конечного размера и процессов с конечным временем. CRC пресс; 1996.

[45] Сюй Б, Ли П-В, Чан С. Расчет объема для аккумуляторов тепла с фазовым переходом

Материал для концентрированной солнечной электростанции. В: Материалы 8-й международной конференции по устойчивости энергетики ASME 2014

.Июнь 2014 г., Бостон, Массачусетс,

, США.

B. Xu et al. / Applied Energy 140 (2015) 256–268 267

Накопление тепла солнечной энергии для дома, фермы и малого бизнеса: предложения по выбору и использованию материалов и устройств для аккумулирования тепла

AE-89

---

AE-89

Университет Пердью

Кооперативная служба расширения

West Lafayette, IN 47907

---

---

---

---

Стив Экхофф и Мартин Окос

Кафедра сельскохозяйственной инженерии
Университет Пердью

---

Содержание

Вступление

Типы материалов, используемых для хранения солнечного тепла

Преимущества и недостатки различных материалов для хранения

Как материалы с фазовым переходом работают в солнечном аккумуляторе

Размер и тип горных пород, наиболее подходящих для хранения тепла

Тип используемого теплоносителя

Определение размера вашего складского помещения

Расположение вашего хранилища

Важность конфигурации хранилища (форма)

Уменьшение необходимого объема хранения

Предложения при покупке коммерческого накопителя тепла

Связанные публикации

 

---

Никому не нужно определять для рядового гражданина термин «энергия». хруст ».Наши ежемесячные счета за топливо и коммунальные услуги – постоянное напоминание о том, что стоимость уровня жизни Америки. А «эксперты» предупреждают, что кризис здесь, чтобы остаться.

Из альтернатив традиционным формам энергии одна получить самое серьезное внимание – по крайней мере, для дома, фермы и небольших Потребности бизнеса в отоплении – это солнечная энергия. Сегодня много новых домов проектируются и строятся для размещения солнечного отопления системы. Различные типы переносных коллекторов и солнечного отопления пакеты конверсии легко доступны на розничном рынке.

К сожалению, слишком многие перспективные пользователи солнечной энергии тоже мало информации о некоторых аспектах строительства или переоборудования к солнечной системе отопления. Одна область неадекватной или дезинформации в особенным (и дорогостоящим из-за того, что допускаются ошибки) является хранение собранная энергия. Таким образом, цель данной публикации – ответить на несколько основных вопросов о правильном выборе и использовании устройства хранения тепла.

В публикацию включены обсуждения различных аккумуляторов тепла. материалы и средства массовой информации, и как выбрать “правильный”; размер, расположение и форма запоминающего устройства; и предложения по покупкам для такого устройства.Включены два рабочих листа (с примерами) – один для определение того, сколько тепла вам может понадобиться, а другой для выяснения того, насколько вы сможете сократить расходы за счет правильного изоляция. Перечисленные в конце этой публикации доступны Purdue Extension публикации, посвященные смежным аспектам солнечного отопления и энергосбережение.

Какие материалы используются для хранения солнечного тепла и есть ли “лучший” один?

Ряд материалов будет работать в качестве носителей информации дома, на ферме или системы солнечного отопления для малого бизнеса; но только три обычно рекомендуется в это время – камень, вода (или водно-антифризные смеси) и химическое вещество с фазовым переходом, называемое глауберовской солью.Эти материалы, наиболее последовательно соответствующие критериям выбора носитель информации, а именно способность (1) передавать тепло своему точки приложения при желаемой температуре, и (2) сделать это дешево, исходя не столько из стоимости материала, сколько из стоимости самого общая система и ее обслуживание.

Таким образом, не существует одного «лучшего» теплоаккумулирующего материала; а скорее каждый из трех имеет характеристики, которые могут сделать его наиболее желанным при определенных условиях.

Каковы преимущества и недостатки каждого материала для хранения, и при каких условиях его можно будет использовать?

Скалы

В качестве материала для хранения камни дешевы и легко доступны, имеют хорошие характеристики теплопередачи с воздухом (теплоносителем) при низкие скорости и действуют как собственный теплообменник. Главный недостатками являются их высокое соотношение объема на единицу хранения по сравнению с вода и материалы с фазовым переходом (что означает больший запас тепла области), а также трудности с конденсацией воды и микробиологическим деятельность.Если точка росы поступающего в хранилище воздуха выше температуры породы, влага в воздухе конденсируется на камни. Влага и тепло в горном дне могут привести к возникновению микробов. рост.

Каменное хранилище – самая надежная из трех систем хранения. из-за своей простоты. После того, как система установлена, обслуживание минимален, и некоторые вещи могут снизить производительность хранилища.

Воздушные солнечные коллекторы обычно используются с каменными хранилищами. устройств.Поскольку воздухосборники дешевле и не требуют обслуживания чем жидкостные коллекторы, система, использующая каменные накопители и воздушные солнечные коллекторы кажется наиболее логичным вариантом для отопления жилых домов. Тем не мение, другие обстоятельства, такие как наличие дешевых материалов, ограниченное коллектор или место для хранения или несовместимость с существующим система отопления, может диктовать использование воды или фазового перехода устройство хранения материала. Помните, однако, что окончательный решающим фактором должны быть начальные затраты и затраты на обслуживание система.

Обсуждается тип и размер горных пород, которые лучше всего хранят тепло. потом.

Вода

Вода в качестве материала для хранения имеет преимущества в том, что она недорогая. и легко доступны, имеют отличную теплопередачу характеристики и совместимость с существующей горячей водой системы. К его основным недостаткам можно отнести трудности с системой. коррозия и утечки, а также более дорогие строительные расходы.

Благодаря хорошему соотношению теплоемкости к объему (в пять раз больше породы) и больший КПД жидкостных солнечных коллекторов, Системы сбора и хранения жидкостей могут быть очень практичными: (1) где доступно тщательное техническое обслуживание (например, в многоквартирных домах или промышленных зданий), (2) где конечным использованием является горячая вода (например, как в молочном сарае или на предприятии пищевой промышленности), или (3) где система хранения воды может быть напрямую соединена с существующим отоплением система как в жилом водонагревателе плинтус отопления.

Вместо камня можно также рассмотреть систему хранения воды. хранение в ситуациях, когда пространство ограничено. Бак для воды может легко закапывать под землю для экономии места.

Материалы с фазовым переходом (PCM)

Глауберова соль вещества с фазовым переходом из-за низкого содержания объема на каждую хранимую БТЕ, требует только 1/8 пространства камней и 2/5 пространство воды для сопоставимого хранения тепла (см. рисунок 1).Это также поглощает и отдает большую часть тепла при постоянном температура. Недостатки глауберовской соли, по крайней мере, на данный момент, его стоимость относительно камня и воды, а также различные технические проблемы (например, проблемы с упаковкой из-за плохой термической проводимость и ее коррозионный характер). Такие проблемы нужно устраняется до того, как можно будет гарантировать надежность PCM.

Рисунок 1. Сравнительные объемы для одинакового количества аккумуляторов тепла. с использованием трех разных материалов для хранения.

Материалы с фазовым переходом чаще всего используются в ситуациях, когда существуют ограничения по пространству. Часто стоимость дополнительного места в новый дом для каменного хранилища будет больше, чем добавленная стоимость о покупке ПКМ, такого как глауберова соль. Эти материалы также очень желательно, если ставка делается на поддержание постоянного температура. Жилые помещения, отапливаемые PCM, часто более комфортны, так как температура воздуха в хранилище более равномерная, пока разрядка.

Как материалы с фазовым переходом работают в солнечном аккумуляторе?

PCM – это химические вещества, которые претерпевают твердое-жидкое переход при температурах в пределах желаемого диапазона нагрева целей. В процессе перехода материал поглощает энергию поскольку он переходит из твердого состояния в жидкость и высвобождает энергию по мере продвижения обратно в твердое состояние. Что делает PCM желательным для хранения тепла, так это его способность удерживать одновременно очень разное количество энергии температура.

Чтобы проиллюстрировать это, рассмотрим фазовые изменения, которые происходят с водой. Если вода помещается в морозильную камеру, тепло отводится из нее хладагент, пока он не станет льдом. Если затем лед помещается в жидкость при комнатной температуре, она тает, поскольку поглощает энергию из этого окружающая жидкость. Количество поглощенного тепла составляет около 143 БТЕ на фунт, что означает, что фунт льда может охладить фунт воды от От 175 ° F до 32 ° F, в то время как само по себе только меняет форму (т.е., от льда при 32 ° до воды при 32 °).

В настоящее время изучаются потенциальные теплоаккумулирующие материалы на минимум дюжина химических соединений, которые изменяют фазу при температуре в пределах полезного диапазона для отопления помещений. Однако на данный момент продается только глауберова соль (декагидрат сульфата натрия) коммерчески. Соль Глаубера меняет фазы при 90 ° F и имеет 108 БТЕ на фунт «скрытого тепла» (количество поглощенного или выделенного тепла во время смены фазы).Из-за высокой скрытой теплоты глауберова соль требует меньшего объема хранения, чем камень или вода; что могло означает более низкую стоимость складских помещений и больше полезного пространства в доме чтобы компенсировать относительно высокую стоимость материала.

У ПКМ есть некоторые химические свойства, которые могут вызывать проблемы при нагревании. хранение и передача; но большинство из них были преодолены или преодолеваются. Один что PCM имеют тенденцию к переохлаждению при отводе тепла. Это означает, что, вместо того, чтобы отдавать скрытую теплоту при температуре фазового перехода, солевые PCM могут оставаться в жидком состоянии до тех пор, пока они не упадут, возможно, до 15-30 ° ниже этой температуры.Для борьбы с этим сверхохлаждением »по Глауберу соль, около 3 процентов химического вещества, декагидрат тетрабората натрия, добавляется, чтобы вызвать фазовый переход при надлежащей температуре.

Еще одна проблема с солевыми ПКМ – это неконгруэнтное плавление, что происходит, когда соль частично нерастворима в воде кристаллизация. В случае глауберовской соли при ее плавлении температуре около 15 процентов сульфата натрия остается в нерастворимая безводная форма.Будучи вдвое более плотным, чем насыщенный раствор, безводный осаждается и не перекристаллизовывается при тепло отводится. Чтобы предотвратить это, используется загуститель, чтобы сохранить водный раствор в суспензии, пока он не сможет преобразоваться в кристалл структура при отводе тепла.

Способность аккумулировать тепло снизится со 108 до примерно 60 БТЕ на фунт по мере оседания безводного. В настоящее время лучшее загущение Используемым агентом является аттапульгитовая глина, которая при добавлении к глауберовской соль в количестве 7-10 процентов, препятствует оседанию безводный и не разлагается со временем.

Примечание : Остерегайтесь смесей, содержащих целлюлозу, крахмал, опилки, силикагель, диоксид кремния и т. д. Эти типы загустителей хорошо подходят для некоторое время, но в конечном итоге либо гидролизуются солью, либо разлагается бактериями и становится неэффективным. Имея дело с уважаемая компания должна устранить некоторые из этих опасений. Не позволяйте продавец продаст вам «секретный» загуститель; если бы это было хорошо он был бы запатентован, и не было бы необходимости в секретах.)

Если в качестве материала для хранения используется камень, какой размер и тип лучше всего подойдут?

Хотя размер выбранной породы будет определяться в первую очередь стоимость, как правило, чем больше размер, тем лучше для хранения целей. Основная причина в том, что требуется меньше энергии, чтобы заставить теплопередача воздуха через большие камни, чем через маленькие. Горные породы менее дюйма в диаметре обычно слишком малы; тогда как еще более 4-6 дюймов в диаметре слишком велики из-за недостаточного площадь поверхности теплопередачи.

Собирая камень для хранения, ищите округлое поле. камни диаметром от 4 до 6 дюймов. При коммерческой покупке у каменный карьер, самый крупный из имеющихся, вероятно, “септический” гравий », диаметр которого составляет 1–3 дюйма. Но не переусердствуйте. озабочен размером; соглашайтесь на 2-дюймовый септический гравий, если у вас есть платить больше за камень большего размера. Если есть, старый кирпич дома хороший материал для хранения при штабелировании для обеспечения циркуляции воздуха.

Вероятно, более важным, чем размер камня, является его однородность. Если слишком много вариаций, более мелкие камни заполнят пустоты между более крупными камнями, тем самым увеличивая мощность воздуходувки требование. Кроме того, избегайте камней, которые имеют тенденцию к масштабированию и чешуйки, например известняк. Образовавшаяся «пыль» улавливается воздух, передающий тепло, и либо засоряет фильтры печи, либо, если печь обходится, выдувается прямо в зону нагрева.

Поскольку воздух необходимо продувать через каменное дно, необходимо знать необходимое количество энергии. В общем, чем быстрее поток воздуха и / или чем меньше размер камня, тем больше потребляемая мощность.

Например, скорость воздуха 50 футов в минуту через 10-футовый слой 1-дюймовой породы имеет перепад давления около 1 дюйма. вода (статическое давление). Снижение скорости до 30 футов в минуту сократит падение давления до 1/2 дюйма водяного столба.Падение давления по всей системе (т. е. коллектор, платформа для хранения и воздуховоды) должно быть не более 3-4 дюймов водяного столба (статическое давление).

Перед заполнением хранилища рассмотрите возможность мытья или проверки. из «штрафов», которые в противном случае могли бы заполнить пустоты. Каменное хранилище должен позволять отвод скопившейся влаги. Также, рассмотреть способы предотвращения роста плесени и бактерий, одним из которых является поддержание высокой температуры хранения даже в периоды малой нагрузки.

Какой тип теплоносителя мне следует использовать?

Средствами переноса, наиболее часто используемыми в системах солнечного отопления, являются: воздушные, водяные и водо-антифризные смеси. Какой из них вы должны использовать вполне может быть продиктовано типом выбранного материала для хранения. Для Например, для хранения горных пород в качестве среды передачи требуется воздух; вода или хранилища воды-антифриза используют ту же жидкость для передачи тепла; PCM хранилище. с другой стороны, использовал бы воздух или жидкость, в зависимости от типа теплообменника.

Многие из первых домов, построенных на солнечной энергии, использовали водные коллекторы. с накоплением воды из-за преимуществ повышенной эффективности и уменьшенного размера. Однако в настоящее время солнечные системы отопления, использующие воздух в качестве средства переноса рекомендуется для домашнего использования. Один причина – меньшая вероятность повреждения; неисправная система передачи воздуха почти не вызовет проблем, связанных с протекающей или замерзшей водой. система будет. Кроме того, воздуховоды и воздуховоды обычно дешевле и требуют меньшего обслуживания.До более надежной и «отказоустойчивой» жидкости. системы разрабатываются, воздух, вероятно, по-прежнему будет рекомендован теплоноситель для домашнего солнечного отопления.

Насколько большим должен быть мой солнечный накопитель тепла?

Необходимый объем хранилища зависит от четырех факторов: (1) нагрев потребность отапливаемой площади, (2) дня резерва хранения желаемый, (3) температурный диапазон, в котором сохраняется тепло, и (4) тип используемого материала для хранения.Ниже приводится краткое обсуждение каждого коэффициент и рабочий лист I (с примером) для расчета необходимого тепла емкость хранилища с использованием различных материалов для хранения.

Требуемое количество тепла – это количество тепла, необходимое для поддержания желаемого температура в доме или другом здании. Это равно сумме тепла, которое конструкция теряет в окружающую среду через стены и кровля за счет теплопроводности и конвекции. Эта потеря тепла может быть оценивается по простым уравнениям, найденным в большинстве тепловых переводные книги (см. Связанные публикации на стр. 9) или часто газ и Представители теплотехнической компании примут такие решения, как услуга.

Запас хранения – это количество тепла, необходимое, если энергия не может быть собираются в течение заданного количества дней. Хотя и весьма изменчивый, сумма резерва, обычно планируемая для солнечного отопления дома при настоящее время составляет от 3 до 5 дней.

Температурный диапазон, в котором сохраняется тепло – разница между максимальной температурой полки для хранения при заполнении и минимальная температура, для которой должен быть теплоноситель обогрев.В домах, отапливаемых солнечными батареями, максимальная температура “кровати”, вероятно, будет ниже. быть 130-150 ° F, в зависимости от используемого коллектора; тогда как минимум температура передачи составляет около 75-80 ° F, если предположить, что желаемая комната температура 70 ° F. Таким образом. хороший показатель «температурный диапазон» до использование в расчетах объема хранилища будет 50 ° F (130 ° – 80 °) (Имеется тенденция к максимально возможному сохранению тепла. температура для минимизации размера хранилища; но как температура от коллектора повышается, КПД падает).

Теплоаккумуляторы отличаются определенными характеристиками, которые также необходимо учитывать при определении емкости хранилища. В таблице 1 перечислены насыпная плотность, удельная теплоемкость (теплоемкость) и скрытая теплота три распространенных материала для хранения солнечного тепла – камень, вода и глауберовский поваренная соль. На рисунке 1 показан сравнительный объем каждого материала для такое же количество аккумулированного тепла, на основе примера на Рабочем листе I.

Таблица 1.Характеристики теплоаккумулятора трех обычных видов солнечного тепла Материалы для хранения.

  Накопительный материал Насыпная плотность Удельная теплоемкость Скрытая теплота 
-------------------------------------------------- --------------------------
Камень 100 фунтов / куб. Фут. 0,2 БТЕ / фунт ° F ---------------

Вода 62,4 фунта / куб. Фут. 1 БТЕ / фунт ° F ---------------

Глауберова соль 56 фунтов / куб. Фут. 0,5 БТЕ / фунт.° F 108 БТЕ / фунт. при 90 ° F
(фазовый переход (включая нагрев ниже 90 ° F
температура, 90 ° F) теплообменник) 0,8 БТЕ / фунт ° F
                                         выше 90 ° F
-------------------------------------------------- ---------------------------
 

---

Рабочий лист 1. Расчет необходимого объема накопления солнечного тепла

Пример: предположим, что вашему дому требуется отопление (расчетное количество тепла потери) 15000 БТЕ в час, и вы хотите, чтобы ваша солнечная система отопления иметь 3-дневный резерв хранения.Каким будет ваше необходимое хранилище емкость с использованием камня, воды или глауберовской соли в качестве материала для хранения?

                                                                                       Наш Ваш
                      Ситуация с позициями и расчетами


1. Требуемый объем при использовании ROCK в качестве носителя.

   а. Потребность в отоплении здания: Расчетные потери тепла (см. Обсуждение выше).= 15 000 БТЕ / час ___________

   б. Часов в день: 24. = 24 часа в сутки ___________

   c. Желаемый резерв хранения: в среднем 3-5 дней (см. Обсуждение выше). = 3 дня ___________

   d. Общее необходимое тепло: Шаг 1.a (15000 БТЕ / час) x Шаг 1.b (24 часа / день) x Шаг 1.c
      (3 дня). = 1 080 000 БТЕ ___________

   е.Объемная плотность материала для хранения: Из Таблицы 1. = 100 фунтов / куб.фут ___________

   f. Удельная теплоемкость аккумулирующего материала: Из таблицы 1. = 0,2 БТЕ / фунт ° F ___________

   грамм. Температурный диапазон, в котором сохраняется тепло: в среднем 50-75 ° F (см.
      обсуждение выше). = 50 ° F -----------

   час Нагрев на кубический фут материала для хранения: Шаг 1.e (100 фунтов / куб.фут) x Шаг 1.f.
      (0,2 БТЕ / фунт ° F) x Шаг 1.g (50 ° F). = 1000 БТЕ / куб. Фут ___________

   я. Требуемый объем хранилища с использованием камня: Шаг 1.d (1 080 000 БТЕ) ÷ Шаг 1.h
      (1000 БТЕ / куб. Фут). = 1080 куб. Футов ____________

2. Требуемый объем при использовании ВОДЫ в качестве носителя информации.

   а. Общее необходимое количество тепла: то же, что и в шагах с 1.a по 1.d. = 1 080 000 куб. Футов ___________

   б. Объемная плотность материала для хранения: Из Таблицы 1.= 62,4 фунта / куб. Фут ___________

   c. Удельная теплоемкость аккумулирующего материала: Из Таблицы 1. = 1 БТЕ / фунт ° F ___________

   d. Температурный диапазон, в котором сохраняется тепло: То же, что и в шаге 1.g. = 50 ° F ___________

   е. Тепло на куб. футов материала для хранения: Шаг 2.b (62,4 фунта / куб. фут) x Шаг 2.c
(1 БТЕ / фунт ° F) x Шаг 2.d (50 ° F). = 3120 БТЕ / куб. Фут __________

   f. Требуемый объем хранения с использованием воды: Шаг 2.a (1 080 000 БТЕ) ÷ Шаг 2. e
      (3120 БТЕ / куб. Фут.). = 346 куб. Футов ___________

3. Требуемый объем при использовании СОЛИ ГЛАУБЕРА в качестве носителя информации.

   а. Общее необходимое количество тепла: то же, что и в шагах с 1.a по 1.d. = 1 080 000 БТЕ ___________

   б. Объемная плотность материала для хранения: Из Таблицы 1. = 56 фунтов / куб.фут ___________

   c Скрытая теплота аккумулирующего материала: из таблицы 1.= 108 БТЕ / фунт ___________

   d. Удельная теплоемкость аккумулирующего материала: Из таблицы 1.

                            * Температура выше фазового перехода = 0,8 БТЕ / фунт ° F ___________
                            ** Температура ниже фазового перехода = 0,5 БТЕ / фунт ° F ___________

   е. Разница температур между фазовым переходом (90 ° F) и хранением
      максимум (130 ° F) и минимум (80 ° F): см. обсуждение температурного диапазона
      выше.* Разница температур выше фазового перехода = 40 ° F ___________
                                    ** Разница температур ниже фазового перехода = 10 ° F ___________

  f. Нагрев на фунт материала для хранения: Шаг 3.c + (Шаг 3.d * x Шаг 3.e *) + (Шаг 3.d **
     x Шаг 3.e **). Пример: 108 БТЕ / фунт. + (0,8 БТЕ / фунт ° F x 40 ° F) + (0,5 БТЕ / фунт ° F x
     10F) = 108 БТЕ / фунт.+ 32 БТЕ / фунт. + 5 БТЕ / фунт. = 145 БТЕ / фунт ___________

  грамм. Нагрев на куб. футов материала для хранения: Шаг 3.b (56 фунтов / куб. фут) x
     Шаг 3.f (145 БТЕ / фунт). = 8120 БТЕ / куб. Фут ___________

  час Требуемый объем хранилища с использованием глауберовской соли: Шаг 3.a (1 080 000 БТЕ) ÷
     Шаг 3.g (8120 БТЕ / куб. Фут.). = 133 куб. Футов ___________

 

---

Где должен быть мой солнечный накопитель тепла?

Как правило, для отопления жилых помещений содержится в самом доме.Так как это тяжело. самый лучший расположение в подвале или на нижнем уровне – и на бетоне. нет деревянные опорные элементы. Внутреннее хранилище должно иметь некоторая изоляция, особенно если хранилище заряжается во время лето. Тем не менее, это не обязательно должно быть так сильно изолировано, как на открытом воздухе. хранение, так как тепловые потери идут непосредственно на отопление дома.

Хранилище также может быть расположено снаружи дома либо в на земле или в неотапливаемом здании.при условии, что он хорошо изолирован. Сухой, хорошо дренированная почва действует как подходящая изоляция в хранилище похоронен снаружи; подземное хранилище также обеспечивает более удобную жизнь место в доме.

Важна ли форма теплонакопителя?

Важность конфигурации хранилища зависит от используемый материал для хранения. Хранилища жидкостей обычно хранятся в одиночный большой танк. Использование нескольких резервуаров меньшего размера позволит максимизация температуры в меньшем объеме, вместо того, чтобы нагрейте весь объем одного резервуара.Однако из-за стоимости нескольких резервуаров и связанных с ними проблем с клапанами, а также потому, что значительная вертикальная температурная стратификация в воде бак, рекомендуемая процедура – использовать один бак и взлетать вода вверху, где она наиболее теплая.

Эффективность склада очень зависит от конфигурация. Основная проблема при проектировании хранилища горных пород заключается в минимизации падения давления в воздушном потоке через хранилище.В как правило, чем короче расстояние, которое должен пройти воздух, и тем ниже расход воздуха, тем меньше будет перепад давления.

Минимальная длина, необходимая для адекватной теплопередачи внутри накопление зависит от расхода воздуха, коэффициента теплопередачи воздуха к рок, и площадь поперечного сечения. В нормальных условиях эксплуатации эта минимальная длина довольно мала. Следовательно, чем короче хранилище может быть (в пределах разумного), чем ниже эксплуатационные Стоимость.Как правило, скорость воздушного потока 20-30 футов в минуту невысока. желательно. Площадь хранения можно приблизительно определить, разделив общий расход воздуха из коллектора (в кубических расходах в минуту) от скорость (в футах в минуту).

Хотя воздух можно продувать через пласт в горизонтальном направлении, эффективная система предназначена для вертикального воздушного потока. Горячий воздух из коллектора выдувается сверху, а холодный воздух возвращается обратно к коллектору снизу.Когда требуется тепло для нагрева в комнате воздушный поток меняется на противоположный.

Может ли дополнительная изоляция уменьшить требуемый объем хранения (и стоимость)?

Поскольку потребность здания в отоплении определяет количество солнечной энергии. тепло, которое необходимо собирать и хранить, снижение этого требования приведет к также уменьшите площадь коллектора и емкость хранилища нужный. Обычно самый дешевый способ уменьшить теплопотери – это правильная изоляция. Фактически, деньги, сэкономленные за счет меньшего объема хранилища площадь, складские материалы и площадь коллектора зачастую больше, чем окупается дополнительная изоляция.

Насколько добавление изоляции может снизить стоимость система солнечного отопления зависит от ряда факторов, таких как структурная прочность здания, существующий уровень теплоизоляции, тепло материал для хранения и т. д. Но можно сэкономить важно, как показывает пример на Рабочем листе II. Используйте рабочий лист для определения требований к отоплению и последующему сбору-хранению объем системы и стоимость при текущем уровне изоляции, а затем на «должных» уровнях.Как правило, хранилище следует изолировать от значение R-11, если в отапливаемой зоне, и R-30, если в неотапливаемой зоне. площадь.

На что следует обращать внимание или о чем спрашивать при покупке коммерческого отопления накопитель?

Если прогнозируемый строительный «бум», связанный с солнечной энергией, действительно становится реальностью, наверняка возникнут какие-то однодневки компании, которые попытаются воспользоваться “незнанием потребителей” относительно систем хранения солнечного тепла и материалов.Защищать себя из этих фирм, а также иметь основу для мудрых варианты, следуйте этой предложенной процедуре:

1. Остерегайтесь систем «черного ящика». Знайте, что в системе и как он действует.

2. Если вы не знакомы с компанией, проверьте ее через Better Бизнес-бюро или аналогичная организация.

3. Свяжитесь с кем-нибудь, у кого уже есть один из устройства хранения данных; они могут многое рассказать о типе выступления ожидать.Будьте очень осторожны, если продавец не может или не даст вам клиенты, чтобы связаться.

4. Получите письменные претензии компании перед покупкой система. Также получите их, чтобы гарантировать заданный уровень производительности и замените все неисправные детали.

5. Попросите показать проектные расчеты системы и ознакомьтесь с ними. использование имеющихся справочных материалов или получение помощи от вашего округа Дополнительный офис.

6. Если система требует использования теплоаккумулирующего материала, например рок, рассчитайте его стоимость, если бы вы купили его сами.Это будет дать вам представление о количестве трудозатрат и рекламных затрат, связанных с в сделке.

7. Если система требует предварительно упакованных PCM. попросить посмотреть данные компании, подтверждающие заявления о тепловой мощности, скрытой теплоте и ожидаемый срок полезного использования. Помните, что заявления о том, сколько раз Материал для хранения ПКМ не так важен, как количество тепло поглощается и выделяется в каждом цикле. Если безводная соль держится оседая, эффективность хранилища со временем снижается, но PCM по-прежнему будет циклически (на уровне 60 БТЕ на фунт вместо 108 БТЕ).

Связанные публикации

Единичные копии следующих публикаций Purdue Extension доступны вопросы солнечного отопления и энергосбережения жителям Индианы из их окружного офиса или написав в Центр распространения СМИ, 301 South Second Street, Лафайет, Индиана, 47901–1232.

Солнечное отопление для дома, фермы и малого бизнеса (AE-88)

---

Рабочий лист II. Определение эффекта дополнительной изоляции

по объему и стоимости теплоаккумулятора и коллектора

Пример: типичный квадратный двухэтажный дом.с площадью поверхности крыши 1267 квадратных футов и площадь стены 2400 квадратных футов должны быть солнечное отопление. В настоящее время он имеет только 6 дюймов изоляции. стекловолокно (значение проводимости 0,053 БТЕ / час- ° F-кв.фут. в крыше и 1 дюйм древесноволокнистой плиты (значение проводимости 0,33 БТЕ / час- ° F-кв. фут) в стены. Внутренняя температура будет поддерживаться на уровне 70 ° F: ожидается внешняя низкая температура составляет 10 ° F. Должен ли владелец оформить воздух коллектор и глауберова система хранения соли для дома потребность в отоплении.или стоит добавить еще 6 дюймов изоляция в крыше и 3 1/2 дюйма в стенах?

                                                                                Наш Ваш
           Ситуация с позициями и расчетами

1.Требования к отоплению здания с существующей изоляцией.

   а. Разница между внутренней и внешней температурой: из примера выше
        (70 ° F - 10 ° F).= 60 ° F _____________

   б. Площади кровли и стен; Из примера выше.
* Корневая площадь = 1267 кв.футов _____________
** площадь стен = 2400 кв. футов _____________

   c. Значение проводимости для данного типа и толщины изоляции:
      Обратитесь к дилеру строительных материалов. (Пример: крыша, 6 дюймов.
      стекловолокно; стена, ДВП толщиной 1 дюйм).
                                                        * Утеплитель крыши =.053 БТЕ / ч
° F-кв.фут _____________
                                                        ** Изоляция стен = 0,33 БТЕ / ч.
° F-кв.фут _____________

   d. Потери тепла через крышу: Шаг 1.a (60 ° F) x Шаг 1.b * (1267 кв. Футов)
      x Шаг 1.c * (0,053 - БТЕ / ч- ° F-кв.фут). = 4029 БТЕ / час ______________

   е. Потери тепла от стен: Шаг 1.a (60 ° F) x Шаг 1.b * (2400 квадратных футов) x
      Шаг 1.c ** (0,33 БТЕ / ч.- ° F-кв.фут). = 47 520 БТЕ / час ______________

  е. Общая текущая потребность в тепле: Шаг 1.d (4029 БТЕ / час) + Шаг 1.e
    (47 520 БТЕ / час). = 51 549 БТЕ / час ______________

2. количество и стоимость складских материалов для удовлетворения текущих потребностей в отоплении.

  а. Часов в день: 24. = 24 часа в сутки _____________

  б. Желаемый запас аккумулирования тепла: Сред. 3-5 дней. = 3 дня _____________

  c.Теплоемкость накопительного материала: для глауберовской соли,
     см. Рабочий лист I, Шаг 3.f

  d. Стоимость единицы складского материала: уточняйте у поставщика. = 0,25 доллара США / фунт _____________
 
  е. Общий необходимый для хранения материал: (Шаг 1.f x Шаг 2.a x Шаг 2.b) ÷ Шаг 2.c.
     Пример: (51549 БТЕ / час x 24 часа в день x 3 дня) ÷ 145 БТЕ / фунт.
     = 3,711,526 БТЕ ÷ 145 БТЕ / фунт. = 25 597 фунтов _____________

  е. Общая стоимость необходимых складских материалов: Шаг 2.е. (25 597 фунтов) x Шаг 2.d
    (0,25 доллара США за фунт). = 6399 долларов США ______________

3. Размер и стоимость коллектора для удовлетворения текущих потребностей в отоплении.

   а. Желаемая способность к накоплению потребности в отоплении: в среднем 2 дня. = 2 дня ______________

   б. Уровень радиации для коллектора: уточните у поставщика. = 1000 БТЕ / кв.фут ______________

   c. Стоимость коллектора за квадратный фут: уточняйте у поставщика.= $ 1,00 / кв.фут ______________

   d. Общая необходимая площадь коллектора: (Шаг 1.f x Шаг 2.a x Шаг 3.a) ÷ Шаг 3.b.
      Пример: (51549 БТЕ / час x 24 ч / день x 2 дня) ÷ 1000 БТЕ / кв.фут
      = 2,474,352 БТЕ ÷ 1000 БТЕ / кв. Фут. = 2474 кв. Фута ______________

   е. Общая стоимость коллектора: Шаг 3.d (2474 кв. Фута) x
       Шаг 3.c (1,00 долл. / Кв. Фут). = 2474 доллара США ______________

4.Потребность в отоплении здания с дополнительной изоляцией

  а. Текущее значение проводимости + дополнительная изоляция: Шаг 1.c + добавлено
     изоляция. (Пример: крыша 6 из стекловолокна + пенополистирол 6 дюймов; стена 1 дюйм.
     ДВП + 3-1 / 2 дюйма, пенополистирол
                                               * Изоляция корня = 0,026 БТЕ / ч- ______________
° F-кв.фут
** Изоляция стен = 0,071 БТЕ / ч- ______________
° F-кв.футов
                           
  б. Потери тепла через крышу: Шаг 1.a (60 ° F. X Шаг 1.b * (1267 кв. Футов)
     x Шаг 4.a * (0,026 БТЕ / ч- ° F-кв.фут) = 1977 БТЕ / ч ______________

  c. Потери тепла от стен: Шаг 1.a (60 ° F) x Шаг 1.b ** (2400 кв. Футов)
     x Шаг 4.a ** (0,071 БТЕ / ч) - ° F-кв.фут). = 10224 БТЕ / час ______________

  d. Общая потребность в отоплении с дополнительной изоляцией: Шаг 4.b (1977 БТЕ / час) +
      Шаг 4.c (10224 БТЕ / час) = 12 201 БТЕ / час _____________

5. Количество и стоимость складского материала для обеспечения «дополнительной изоляции».
  потребность в отоплении

  а. Общий необходимый для хранения материал: (Шаг 4.d x Шаг 2.a x Шаг 2.b) ÷ Шаг 2.c
     Пример: (12 201 БТЕ / час x 24 часа в день x 3 дня ÷ 145 БТЕ / кв.фут =
     878 472 БТЕ ÷ 145 БТЕ / фунт = 6058 фунтов _____________

  б. Общая стоимость необходимых складских материалов:
     Шаг 5.a (6058 фунтов) x Шаг 2.d (0,25 доллара США / фунт) = 1515 долларов США _____________

6. Размер и стоимость коллектора с учетом «дополнительной теплоизоляции» отопления.
  требование

  а. Общая необходимая площадь коллектора: (Шаг 4.d x Шаг 2.a x Шаг 3.a) ÷ Шаг 3.b.
     Пример: (12 201 БТЕ / час x 24 часа / день x 2 дня) - 1000 БТЕ / кв. Фут. знак равно
     585648 БТЕ ÷ 1000 БТЕ / кв. Фут. = 586 кв. Футов ______________

  б. Общая стоимость коллектора:
       Шаг 6.а. (586 кв. Футов) x Шаг 3.c (1,00 долл. США / кв. Фут). = 586 долларов США ______________

7. Экономия затрат на тепловую систему за счет добавления теплоизоляции.

  а. Удельная стоимость изоляции: уточняйте у поставщика. Пример: 6 дюймов и 3-1 / 2 дюйма.
    коврики.
* 6 дюймов коврики = $ 0,20 / кв.фут ______________
** 3-1 / 2 дюйма = 0,12 доллара США / кв.фут ______________
                                            
  б. Стоимость дополнительной изоляции: (Шаг 1.b * x Шаг 7.a *) + (Шаг 1.b ** x Шаг 7.а **).
     Пример: (1267 кв. Футов x 0,20 $ / кв. Фут) + (2400 кв. Футов x 0,12 $ / кв. Фут)
     = 253 + 288 долларов. = 541 доллар США ______________

  c. Общая стоимость тепловой системы с существующей изоляцией: Шаг 2.f (6399 долларов США) + Шаг 3.e
    (2474 доллара США). = 8823 долл. США ______________

  d. Общая стоимость тепловой системы с дополнительной изоляцией: Шаг 5.b (1515 долларов США) + Шаг 6.b
      (586 долларов США) + Шаг 7.b (541 доллар США). = 2642 доллара США ______________

  е.«Экономия» за счет изоляции: Шаг 7.c (8873 $) -
       Шаг 7.d (2642 доллара США). = 6231 доллар США ______________

 

---

Новый 9/78

Кооперативная консультативная работа в сельском хозяйстве и домохозяйстве, состояние Индиана, Университет Пердью и Министерство сельского хозяйства США. Сотрудничество; Х.А. Уодсворт, директор, West Lafayette, IN. Выдается в исполнение актов 8 мая и 30 июня 1914 г.Кооператив Служба распространения знаний Университета Пердью – это позитивное действие / равное возможность учреждения.

Как рассчитать тепличное отопление | Home Guides

Требования к отоплению теплиц основаны на разнице между средними ожидаемыми потерями тепла и средним ожидаемым притоком тепла в самую холодную часть года. Эти средние значения зависят от климата, материала остекления, теплоемкости и мер, принятых для изоляции теплицы.Эффективное отопление зависит от соответствия отопительного оборудования тепличным потребностям теплицы.

Определите открытую площадь (A) остекления теплицы и других материалов, таких как навесные стены или сплошные северные стены. Нарисуйте диаграмму или составьте таблицу, в которой перечислены все эти области.

Найдите значение U или коэффициент теплопередачи материалов и типа конструкции, используемых в теплице; они доступны в сборниках строительных стандартов или онлайн-справочниках.

Определите наибольшую ожидаемую разницу между внутренней и внешней температурами в градусах Фаренгейта. Используйте средние минимальные значения, чтобы вычесть минимальную наружную температуру из максимальной внутренней температуры, чтобы получить разницу температур (T).

Найдите кондуктивные потери тепла, умножив открытую площадь каждого материала на значение U, умноженное на разницу температур (A x U x T). Сложите теплопотери для каждого материала, чтобы определить общие теплопотери за счет кондукции.

Рассчитайте объем (V) теплицы.Умножьте длину (L) на ширину (W) на высоту (H) вертикальных стен (Д x Ш x В). Если теплица имеет двускатную крышу, умножьте половину высоты фронтона (h) на ширину (W) теплицы на длину или 1/2 h x W x L. Сложите эти числа вместе. Если теплица имеет изогнутую крышу, умножьте половину высоты изогнутых частей в квадрате, умноженную на 3,14, на длину теплицы и прибавьте это к объему части с вертикальными стенами (1/2 r2 π) x Л.

Определите количество воздухообменов в час (E) в зависимости от конструкции вашей теплицы. Новые теплицы из стекла или стекловолокна имеют от 0,75 до 1,5, новые теплицы с двухслойной гибкой пластиковой пленкой имеют от 0,5 до 1,0. Старое строительство может достигать 4, если оно в плохом состоянии, или до 1, если оно содержится в хорошем состоянии. Если скорость ветра низкая или ваша теплица защищена от ветра, используйте меньшее значение. Если средняя скорость ветра высока или теплица открыта, используйте более высокую.

Рассчитайте потери тепла при инфильтрации воздуха, умножив 0,22 разность температур, умноженный на объем, на воздухообмен. (.22 x T x V x E)

Рассчитайте общие тепловые потери, сложив теплопотери из-за кондукции и инфильтрационные тепловые потери. Это число в БТЕ и может использоваться для определения необходимого размера нагревателя.

Ссылки

Ресурсы

Советы

• Доступны онлайн-калькуляторы тепловых потерь, но для их использования вам все равно потребуется знать материал, тип конструкции, перепад температур и иногда скорость ветра.

Писатель Биография

Линн Доксон имеет докторскую степень. в садоводстве, является специалистом по кооперации на пенсии и преподает курсы городского сельского хозяйства. Она является автором трех книг: «Справочник по алкогольному топливу», «Дворы и сады в высокогорных пустынях» и «Радуга с небес». Доксон вел колонку «Двор и сад» в «Журнале Альбукерке», а также многочисленные статьи в журналах и газетах, а также руководства по консультационным службам кооперативов.

Конвективные и радиационные тепловые потери цилиндрического аккумулятора для солнечных водонагревательных коллекторов

1

Байбутаев К.Б., Якубов Ю.Н. Аккумуляторы тепла в солнечных теплицах // Гелиотехника, , 1969, № , вып. 5. С. 44–46.

2

Авезов Р.Р., Бабакулов К.Б. Исследование температурного режима теплового приемника солнечного излучения, совмещенного с тепловым аккумулятором, Гелиотехника, 1980, вып. 3. С. 31–34.

3

Жданов Ю.А. Расчет солнечных систем горячего водоснабжения с суточным циклом аккумулирования тепла // Гелиотехника, , , 1989, вып. 2. С. 43–47.

4

Авезова Н.Р. Тепловой КПД теплового аккумулятора солнечных систем горячего водоснабжения // Гелиотехника, , 2006, №2. 2. С. 67–71.

5

Гуо, Ф., Ян, X., Сюб, Л., Торренс, И., и Хенсен, Дж., Центральная солнечно-промышленная система обогрева отработанного тепла с крупномасштабным накоплением тепла в скважинах, Rulesia Eng ., 2017, вып. 205. С. 1584–1591.

6

Ма, З., Бао, Х. и Роскилли, А.П., Технико-экономическое обоснование сезонного накопления солнечной тепловой энергии в жилых домах в Великобритании, Sol.Энергетика, 2018, вып. 162 с. 489–499.

7

Шрамм, С. и Адам, М., Хранение тепла в солнечных установках, Energy Procedure, 2014, no. 48. С. 1202–1209.

8

Штутц Б., Ле Пьер Н., Кузник Ф. и др., Хранение тепловой солнечной энергии, C.R. Physique, 2017, no. 18. С. 401–414.

9

Танцер, Б. и Швайглер, К., Интегрированные в фасад массивные солнечно-тепловые коллекторы в сочетании с долговременным подземным накоплением тепла для отопления помещений, Energy Procedure, 2016, no.91. С. 505–516.

10

Содхи, Г.С., Виньешваран, К., Джайсвал, А.К., и Мутукумар, П., Оценка характеристик теплопередачи системы аккумулирования скрытой тепловой энергии: многотрубная конструкция, Energy Procedure , 2019, no. . 158. С. 4677–4683.

11

Фраззика А., Паломба В., Ла Роса Д. и Бранкато В. Экспериментальное сравнение двух концепций теплообменников для аккумулирования скрытой теплоты, Energy Procedure, 2017, no.135. С. 183–192.

12

Малан Д.Дж., Добсон Р.Т. и Динтер Ф. Накопление солнечной тепловой энергии в производстве электроэнергии с использованием материала с фазовым переходом с тепловыми трубками и ребрами для улучшения теплопередачи, Energy Procedure, 2015, no. 69. С. 925–936.

13

Сяодун Гуа, Хайвэнь Шуа, Цзинь Гао и др., Объемная конструкция резервуара для хранения тепла в системе отопления помещений с тепловым насосом с использованием солнечной энергии, Rulesia Eng., 2017, no. 205. С. 2691–2697.

14

Лари, А., Концентрированные аккумуляторы тепла для солнечного отопления, Energy Procedure, 2012, no. 30. С. 305–309.

15

Эррандо, М., Рамос, А., Фриман, Дж., Забалза, И., и Маркидес, К.Н., Технико-экономическое моделирование и оптимизация солнечных комбинированных теплоэнергетических систем на основе плоских PVT-коллекторов для бытовых приложений, Energy Convers. Управление., 2018, вып. 175. С. 67–85.

16

Rouf, R.A., Amanul Alam, K.С. и др., Развитие солнечного адсорбционного охлаждения посредством аккумулирования тепла, Rulesia Eng. , 2014, вып. 90. С. 649–656.

17

Оджике О. и Оконкво В.И., Исследование пассивного солнечного воздухонагревателя с использованием пальмового масла и парафина в качестве носителя информации, Case Studies Therm. Англ. , 2019, вып. 14, стр. 100454.

18

Энглмайр, Г., Даннеманд, М. и др., Тестирование модулей аккумулирования тепла PCM с солнечными коллекторами в качестве источника тепла, Energy Procedure, 2016, no.91. С. 138–144.

19

Бейг, В. и Мухаммед Али, Х., Экспериментальное исследование производительности солнечного воздухонагревателя с двойным проходом с пеной из алюминия, аккумулирующего тепло, Case Studies Therm. Eng., 2019, вып. 14, стр. 100440.

20

Соколов А.К. Численно-аналитический метод расчета полуограниченного температурного поля тела, аппроксимированного степенными функциями, Изв. Росс. Акад. Наук, Энергетика, 2009, вып. 1. С. 138–151.

21

Горбунов, А.Д., Уклеина С.В. Расчет нестационарных температур и термических напряжений при расчете коэффициента теплоотдачи с учетом излучения // Пробл. Область. Энергетики, 2016, т. 1, вып. 30. С. 78–83.

Google ученый

22

Клычев Ш.И., Захидов Р.А., Мухтаров Ф. и др. Оценка тепловых потерь в солнечных высокотемпературных аккумуляторах тепла на основе нестационарной трехслойной модели.Sol. Энергетика, 2014, т. 50, нет. 1. С. 49–52.

Артикул Google ученый

23

Клычев Ш.И., Султанов А. и др. Однослойная сферическая нестационарная численная модель теплового аккумулятора для солнечных установок // Междунар. конф. «Фундаментальные и прикладные вопросы физики», (Международная конференция по фундаментальным и прикладным вопросам физики), Ташкент, 2015, с. 441–443.

24

Леонтьев, А.И., Теория тепломассообмена . М .: Высшая школа, 1979.

25

Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомель А.С., Теплопередача , Москва: Энергия, 1975.

Google ученый

26

Абдурахманов А.А., Тураева У.Ф., Клычев Ш.И. Методика определения интегрального лучистого излучения приемников солнечного излучения.Sol. Энергетика, 2009, т. 45, нет. 2. С. 114–115.

Артикул Google ученый

Тепловая масса для аккумулирования тепла

Стены тромба и тепловая масса

Многие очень энергоэффективные или «пассивные дома» используют различные виды накопителей «пассивной солнечной энергии». Самым простым, наверное, является «Стена тромба». Стена Trombe поглощает и выделяет большое количество тепла без значительного изменения температуры, поэтому она должна иметь высокую тепловую массу или теплоемкость .

В одной статье в Википедии говорится, что если бы для стены Тромба использовать резервуар с водой вместо бетона, он мог бы хранить в пять раз больше тепла. Возможно ли это, учитывая, что рок будет намного тяжелее? Как и любой дизайнер солнечных домов, мы можем ответить на этот вопрос с помощью простых вычислений.

Тепловые мощности

Когда солнце поставляет тепловую энергию на стену Тромба, происходит повышение температуры. В этом случае не происходит никаких химических изменений или фазовых переходов, поэтому повышение температуры пропорционально количеству подводимой тепловой энергии.Если q – количество подаваемого тепла, и температура повышается с T ₁ до T ₂ , тогда

\ [q = C * (T_ {2} – T_ {1}) \]

ИЛИ

\ [q = C * (\ треугольник T) \]

где коэффициент пропорциональности C называется теплоемкостью стены.Знак q в этом случае равен +, потому что образец поглотил тепло (изменение было эндотермическим), и (Δ T ) определяется обычным способом.

Если нас интересует сравнение стенок Тромба переменной массы, количество тепла, необходимое для повышения температуры, пропорционально массе, а также повышению температуры. То есть

\ [q = C * m * (T_2 – T_1) \]

ИЛИ

\ [q = C * m * (\ треугольник T) \]

Новая константа пропорциональности C – это теплоемкость на единицу массы.Его называют удельной теплоемкостью (или иногда удельной теплоемкостью), где слово удельная означает «на единицу массы».

Удельная теплоемкость обеспечивает удобный способ определения тепла, добавляемого к материалу или отводимого от него, путем измерения его массы и изменения температуры. Как упоминалось [| ранее], Джеймс Джоуль установил связь между теплом , энергией и интенсивностью температурой , измеряя изменение температуры воды, вызванное энергией, выделяемой падающей массой.\ circ C} \)

При 15 ° C точное значение удельной теплоемкости воды составляет 4,184 Дж К ^–1 г ^–1 , а при других температурах оно изменяется от 4,178 до 4,218 Дж К ^–1 г ^–1 . Обратите внимание, что удельная теплоемкость выражается в единицах г (а не в базовой единице – кг), и, поскольку шкала Цельсия и Кельвина имеют одинаковую градуировку, можно использовать либо ^o C, либо K.

Пример \ (\ PageIndex {1} \): тепловая энергия в воде

Если солнце поднимает температуру до 3 м х 6 м х 0.5 \ text {кДж} \).

Пример \ (\ PageIndex {2} \): Тепловая энергия в бетоне

Если солнце повышает температуру стены с тромбом 3 м x 6 м x 0,5 м из бетона (типичный D = 2,3 г / см ³ ) с 25,0 ^o C до 35,0 ^o C, сколько тепловой энергии составляет хранится, учитывая, что удельная теплоемкость бетона (см. ниже) составляет 0,880 JK ^–1 г ^–1 ?

Решение : \ (\ text {V} = \ text {3 m} * \ text {6 m} * \ text {0.5 \ text {кДж} \).

Примечание

Обратите внимание, что вода может поглощать примерно в 2 раза больше тепла при том же объеме и одинаковом изменении температуры. Однако при той же массе вода может поглощать в 4,18 / 0,880 = 4,75 раза больше тепла. Расчет на основе массы должен быть основанием для утверждения Википедии.

Удельная теплоемкость строительных материалов

(Обычно интересует строителей и проектировщиков солнечных батарей)

Таблица \ (\ PageIndex {1} \) Удельная теплоемкость строительных материалов

Вещество	Фаза	c p Дж / (г · К)
Асфальт	цельный	0.920
Кирпич	цельный	0,840
Бетон	цельный	0,880
Стекло, диоксид кремния	цельный	0,840
Стекло, корона	цельный	0,670
Стекло, кремень	цельный	0,503
Стекло, пирекс	цельный	0.753
Гранит	цельный	0,790
Гипс	цельный	1.090
Мрамор, слюда	цельный	0,880
Песок	цельный	0,835
Почва	цельный	0,800
Дерево	цельный	0,420
Вещество	Фаза	c p Дж / (г · К)

Таблица \ (\ PageIndex {2} \) Удельная теплоемкость (25 ° C, если не указано иное)

Вещество	фаза	C p (см. Ниже) Дж / (г · К)
воздух, (на уровне моря, сухой, 0 ° C)	газ	1.0035
аргон	газ	0,5203
диоксид углерода	газ	0,839
гелий	газ	5,19
водород	газ	14,30
метан	газ	2,191
неон	газ	1.0301
кислород	газ	0.918
вода при 100 ° C (пар)	газ	2,080
вода при 100 ° C	жидкость	4,184
этанол	жидкость	2,44
вода при -10 ° C (лед))	цельный	2,05
медь	цельный	0,385
золото	цельный	0.129
утюг	цельный	0,450
свинец	цельный	0,127

Другие стратегии хранения тепла

Расплав соли можно использовать для хранения энергии при более высокой температуре, так что накопленную солнечную энергию можно использовать для кипячения воды для запуска паровых турбин. Смесь нитрата натрия / соли нитрата калия плавится при 221 ° C (430 ° F). Он хранится в жидком состоянии при температуре 288 ° C (550 ° F) в изолированном «холодном» резервуаре.Жидкая соль перекачивается через панели солнечного коллектора, где сфокусированное солнце нагревает ее до 566 ° C (1051 ° F). Затем его отправляют в резервуар для горячего хранения. Он настолько хорошо изолирован, что тепловая энергия может сохраняться до недели.

Когда требуется электричество, горячая соль перекачивается в обычный парогенератор для производства перегретого пара для турбины / генератора, который используется на любой традиционной угольной, нефтяной или атомной электростанции. Для турбины мощностью 100 мегаватт потребуются резервуары длиной около 30 футов (9.1 м высотой и 80 футов (24 м) в диаметре, чтобы управлять им в течение четырех часов с этой конструкцией.

Чтобы понять преобразование энергии из тепловой в электрическую, нам нужно кое-что знать об электрических единицах.

Преобразование электроэнергии

Самый удобный способ подать известное количество тепловой энергии к образцу – использовать электрическую катушку. Подведенное тепло является произведением приложенного потенциала В , тока I , протекающего через катушку, и времени t , в течение которого течет ток:

\ [q = V * I * t \]

Если используются единицы СИ: вольт для приложенного потенциала, ампер для тока и второй раз, энергия получается в джоулях.Это потому, что вольт определяется как один джоуль на ампер в секунду:

\ (\ text {1 вольт} × \ text {1 ампер} × \ text {1 секунда} = \ text {1} \ dfrac {J} {A s} × \ text {1 A} × \ text { 1 s} = \ text {1 J} \)

Пример \ (\ PageIndex {3} \): Теплоемкость

Электрический нагревательный змеевик, 230 см ³ воды и термометр помещены в кофейную чашку из полистирола. К катушке прикладывают разность потенциалов 6,23 В, создавая ток 0,482 А, который может проходить в течение 483 с.Если температура повысится на 1,53 К, найдите теплоемкость содержимого кофейной чашки. Предположим, что стакан из полистирола – такой хороший изолятор, что он не теряет тепловую энергию.

Решение Тепловая энергия, поставляемая нагревательной спиралью, определяется как

\ (\ text {q} = \ text {V} × \ text {I} × \ text {t} = \ text {6.23 V} × \ text {0.482 A} × \ text {483 s} = \ text {1450 ВА · с} = \ text {1450 Дж} \)

Однако

\ (q = C * (T_ {2} – T_ {1}) \)

Поскольку температура повышается, T ₂ > T ₁ и изменение температуры Δ T положительное:

\ (\ text {1450 J} = \ text {C} × \ text {1.53 К} \)

так что

\ (\ text {C} = \ dfrac {1450 J} {1,53 K} = \ text {948} \ dfrac {J} {K} \)

Примечание

Примечание. Найденная теплоемкость относится ко всему содержимому стакана для воды, змеевика и термометра вместе взятым, а не только к воде.

Как обсуждалось в других разделах, более старая, не входящая в систему СИ единица измерения энергии, калория, определялась как тепловая энергия, необходимая для повышения температуры 1 г H ₂ O с 14.От 5 до 15,5 ° C. Таким образом, при 15 ° C удельная теплоемкость воды составляет 1,00 кал. К ^–1 г ^–1 . Это значение имеет точность до трех значащих цифр в диапазоне от 4 до 90 ° C.

Если образец вещества, который мы нагреваем, является чистым веществом, то количество тепла, необходимое для повышения его температуры, пропорционально количеству вещества. Теплоемкость на единицу количества вещества называется молярной теплоемкостью, обозначение C _м . Таким образом, количество тепла, необходимое для повышения температуры количества вещества n с T ₁ до T ₂ , определяется как

\ [\ text {q} = \ text {C} × \ text {n} × (\ text {T} _2 – \ text {T} _1) \ label {6} \]

Молярная теплоемкость обычно указывается в нижнем индексе, чтобы указать, нагревается ли вещество при постоянном давлении ( C _p ) или в закрытом контейнере при постоянном объеме ( C _V ).

Пример \ (\ PageIndex {4} \): Молярная теплоемкость

Образец неонового газа (0,854 моль) нагревается в закрытом контейнере с помощью электронагревательной спирали. На катушку подавали потенциал 5,26 В, в результате чего в течение 30,0 с проходил ток 0,336 А. Было обнаружено, что температура газа повысилась на 4,98 К. Найдите молярную теплоемкость неонового газа, предполагая, что потери тепла отсутствуют.

Раствор Тепло, подаваемое нагревательной спиралью, равно

\ (д = V * I * t \)

\ (= 5.{-1}} \)

Из ChemPRIME: 15.1: Теплоемкость

Список литературы

1. ↑ ru.Wikipedia.org/wiki/Trombe_wall
2. ↑ en.Wikipedia.org/wiki/Trombe_wall
3. ↑ en.Wikipedia.org/wiki/Trombe_wall
4. ↑ en.Wikipedia.org/wiki/Specific_heat_capacity

Авторы и указание авторства

Высокоэффективная технология аккумулирования и отвода тепла

Chanwoo Park
Advanced Cooling Technologies, Inc.,
1046 New Holland Avenue, Lancaster, PA 17601

Кванг Дж. Ким
Лаборатория активных материалов и обработки
Машиностроение, Университет Невады, Рино, Невада 89557
Джозеф Готчлих и Куинн Леланд
Исследовательская лаборатория ВВС, WPAFB, Дейтон, Огайо

РЕФЕРАТ

Мощные твердотельные лазерные системы, работающие в импульсном режиме, рассеивают переходные процессы и чрезмерно большие отходы тепла от массивов лазерных диодов и усиливают материал.Вариант аккумулирования тепла с использованием материалов с фазовым переходом (PCM) был рассмотрен для управления такими пиковыми тепловыми нагрузками, не полагаясь на негабаритные системы для охлаждения в реальном времени. Однако системы аккумулирования тепла из ПКМ страдают из-за низкой плотности аккумулирования тепла и плохой теплопроводности обычных ПКМ, вследствие чего требуются большие объемы ПКМ, заключенные в теплопроводники, такие как алюминий или пенографит.

Мы разработали высокоэффективную систему аккумулирования тепла на основе металлогидрида для эффективного и пассивного сбора, хранения, транспортировки и рассеивания кратковременного теплового потока с высоким тепловым потоком от мощных твердотельных лазерных систем.Большая объемная теплоемкость гидридов металлов, чем у обычных PCM, может быть преобразована в очень компактные системы с более короткими путями теплопередачи и, следовательно, меньшим тепловым сопротивлением. Другие исключительные свойства металлогидридных материалов заключаются в быстром тепловом отклике и активной охлаждающей способности, необходимой для точного контроля температуры и кратковременного охлаждения с высоким тепловым потоком.

В этой статье обсуждаются принцип работы и результаты теплоаккумулирующей системы металлогидридной системы аккумулирования тепла посредством анализа системы и тестирования прототипа.Результаты показали превосходные характеристики аккумулирования тепла металлогидридной системой по сравнению с традиционной системой PCM с точки зрения температурного отклонения и требований к объему системы.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: аккумулирование тепла, металлогидрид, материал с фазовым переходом (PCM), твердотельный лазер, охлаждение, тепловая трубка, оружие направленной энергии (DEW)

---

ВВЕДЕНИЕ

Металлогидридная система аккумулирования тепла, интегрированная с тепловой трубкой, была разработана для эффективного и пассивного сбора, хранения и рассеивания кратковременного теплового потока с высоким тепловым потоком от мощных твердотельных лазерных систем [Park, 2005].Материал для усиления многокиловаттного твердотельного лазера может рассеивать отходящее тепло с высоким тепловым потоком, превышающим 100 Вт / см², на большой площади до 100 см² во время генерации. Для отвода столь кратковременного тепла в режиме реального времени потребуются системы охлаждения большого размера, которые могут оказаться недоступными для многих приложений. Таким образом, системы аккумулирования тепла, которые сохраняют пиковое количество тепла и усредняют охлаждающие нагрузки в реальном времени, значительно помогают уменьшить громоздкую систему охлаждения.

Системы аккумулирования тепла, использующие обычные PCM, такие как парафиновые воски, были рассмотрены для временного аккумулирования тепла и управления температурой [Vrable and Yerkes, 1998; Шанмугасундарам и др.др., 1997; Chow et. др., 1996]. Низкая плотность аккумулирования тепла и плохая теплопроводность обычных PCM делают вариант аккумулирования тепла непривлекательным из-за требований большого объема PCM и необходимого улучшения теплопередачи с использованием экзотических материалов-хозяев. Напротив, гидриды металлов обладают большей объемной теплоемкостью по сравнению с ПКМ. Например, Ca _0,2 M _0,8 Ni ₅ , обычный гидрид, имеет плотность аккумулирования тепла 853,3 МДж / м³ в исходных условиях [Huston and Sandrock, 1980], в то время как парафин (Calwax 130) общий органический PCM имеет теплоаккумулирующую способность 177.5 МДж / м³ [Аль-Халладж и Селман, 2000]. Более высокая плотность аккумулирования тепла металлогидридными материалами может быть напрямую преобразована в более компактные системы с более короткими путями теплопередачи, что позволяет точно контролировать температурный скачок для термочувствительных систем.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Гидриды металлов представляют собой бинарную комбинацию водорода и металла или металлического сплава. Гидриды металлов использовались во многих промышленных приложениях, таких как материал электродов батареи, среда для хранения водорода и в различных тепловых системах [Kang et.др., 1996, 1994; Фатеев и др. др., 1996; Park et. др., 1995; Ллойд и др., 1998; Kim et. др., 1998a, 1998b, 1998c; Хьюстон и Санрок, 1980; Шахинпур и Ким, 2002]. Реакции гидрирования (экзотермические) и дегидрирования (эндотермические) гидрида металла могут быть выражены как

, где M – металл (или металлический сплав), x – нестехиометрическая константа, а ∆H _f – теплота образования гидрида. Обратите внимание, что гидриды металлов способны хранить количество газообразного водорода (STP), примерно в 1000 раз превышающее их собственный объем.Реакция гидрирования / дегидрирования имеет быструю кинетику, экологически чиста и безопасна.

На рисунках 1 (a) и (b) показаны кривые давление-концентрация водорода и температура ( p -H / MT) для обычного металлогидрида LaNi5H6 и графики Вант-Хоффа для различных промышленных гидридов [Houston and Sandrock , 1980] соответственно. Кривые p-H / M-T и графики Вант-Гоффа содержат ключевую термодинамическую информацию, необходимую для проектирования любых металлогидридных устройств и систем.

Как показано на рисунке 1 (а), водород растворяется в твердой решетке металлического сплава с образованием конденсированных гидридных фаз по кривой изотермы поглощения.Весь межузельный водород химически связан в твердой решетке. Конечные точки, H / M _α и H / M _β , называются фазовыми пределами области плато. Изотерма дает абсолютное равновесное давление как функцию концентрации водорода в сплаве, H / M (H = атом водорода и M = атом металла). Изотерма дегидрирования (десорбции) обычно находится немного ниже изотермы гидрирования из-за гистерезиса. Гистерезис связан с безвозвратной потерей энергии, связанной с изменением объема материала гидрида металла во время реакций, хотя реакции гидрирования / дегидрирования обычно считаются обратимыми процессами.

На рис. 1 (b) показаны графики Вант-Гоффа для коммерчески доступных гидридов металлов. Каждая линия описывает равновесное поведение гидрида металла в средней точке плато изотермы десорбции, а равновесное поведение выражается следующим образом:

где R – универсальная газовая постоянная (8,314 кДж / кгмоль-K), T – температура (K), ∆H f – теплота образования (кДж / ч ₂ -кгмоль) и f ∆S – стандартная энтропия образования (кДж / ч ₂ -кгмоль-К).На рисунке в интересующем температурном диапазоне (10 ~ 50 ° C) для охлаждения твердотельным лазером имеются различные гидриды, доступные из Ca _0,2 M _0,8 Ni ₅ при более высоких давлениях до Fe _0,8 Ni _0,2 Ti при более низких давлениях.

Рис. 1 (а) Кривые давление-H / M-температура для LaNi5H6. (б) графики Ван’т-Гоффа для различных промышленных гидридов [Huston and Sandrock, 1980].

Предлагаемая система аккумулирования и отвода тепла из гидрида металла (заявка на патент подана) проиллюстрирована на Рисунке 2.Он состоит из тепловой трубы (или паровой камеры) и слоя гидрида металла. Модульная конструкция легко масштабируется на источники тепла большей площади, просто увеличивая количество модулей. В твердотельной лазерной системе материал для усиления лазера в форме пластины может рассеивать отходящее тепло более 100 Вт / см² на площади до 100 см² (то есть общая тепловая энергия 10 кВт) в течение 5-минутной генерации. Во время работы лазера температура лазерной пластины должна поддерживаться в пределах максимальных пространственных и временных изменений, чтобы избежать вредных термических напряжений, ведущих к механическому разрушению, и, соответственно, для повышения оптической мощности.Типичный рабочий цикл лазера для применения оружия направленной энергии (DEW) состоит из двух рабочих режимов: активного периода (генерации или ожидания), такого как 5 минут, и гораздо более длительного периода «регенерации», такого как 90 минут, который зависит от способности отвода тепла. Металлогидридная система может временно сохранять избыточную тепловую нагрузку лазера во время короткой операции аккумулирования тепла и позже рассеивать охлаждающую нагрузку, распределенную в течение длительного периода регенерации, с использованием уменьшенной системы охлаждения.

На рис. 2 (а) показана операция «аккумулирования тепла» металлогидридной системы. Тепловая трубка получает тепловую нагрузку (Q) от источника тепла и переносит большую часть тепловой нагрузки (Q _s ) в слой гидрида металла, где происходит реакция дегидрирования (эндотермическая). Выделившийся газообразный водород во время реакции дегидрирования временно хранится в удаленном контейнере для извлечения водорода во время следующего рабочего цикла. Оставшееся тепло (Q _c ), за исключением накопленного тепла (Q _s ), непрерывно отводится из части секции конденсатора тепловой трубы в конечный теплоотвод с использованием системы отвода тепла посредством излучения или конвекции, в зависимости от приложение.

Во время последующего периода «регенерации», как показано на Рисунке 2 (b), когда тепловая нагрузка прекращается, весь модуль должен быть охлажден для восстановления исходных температурных условий. Охлаждение заставляет гидрид металла повторно абсорбировать выделившийся газообразный водород в результате реакции гидрирования (экзотермической реакции). Регенерация завершает полный цикл. Теперь система готова к следующему рабочему циклу

На Рисунке 3 предложенная концепция аккумулирования тепла была повторно объяснена с помощью кривых давление-H / M-температура.Во время периода «хранения тепла» гидрид металла поглощает тепло от источника тепла и выделяет водород в процессе дегидрирования, начиная с начального состояния (точка A) до конечного состояния (точка B). Во время последующего периода «регенерации» гидрид металла охлаждается системой отвода тепла и поглощает выделяющийся водород, идущий из точки B в точку A. Эта операция является полностью управляемым температурой и почти обратимым процессом. ∆T _MH и ∆p _h3 – это изменения температуры и давления во время цикла аккумулирования тепла соответственно.

Рис. 2. Принцип работы предлагаемой системы аккумулирования тепла на основе гибридных металлов: (а) аккумулирование тепла и (б) операции регенерации

Рисунок 3. Кривые давление – H / M-температура, поясняющие предлагаемую концепцию.

Предложенная система гидридов металлов адаптировала технику «микрокапсулирования» для увеличения теплопроводности гидридов металлов. Этот метод покрывает порошки гидрида тонким слоем меди и прессует порошки с покрытием в пористые гранулы.На рис. 4 показана фотография частиц LaNi ₅ (D _p ~ 40 мкм), инкапсулированных тонким слоем меди (толщиной ~ 1 мкм) и кольцевой таблеткой гидрида металла с использованием покрытых медью металлогидридов, на СЭМ (сканирующем электронном микроскопе). Краткое описание процесса микрокапсулирования: в первую очередь, гидриды металлов просеиваются до диаметра D _p 25 ~ 40 мкм, а затем микрокапсулируются тонкой медной оболочкой (которая проницаема для газообразного водорода) с использованием химического нанесения покрытия. техника.Затем микрокапсулированные частицы смешивают с небольшим количеством металлических связующих и прессуют в гранулы гидрида металла. В предыдущих экспериментах измерялась теплопроводность этих гранул при температуре от 5 до 7 Вт / м-К, что более чем в 50 раз больше, чем у необработанных слоев порошка
(~ 0,1 Вт / м-К) [Lloyd et al., 1998].

Рис. 4 (a) СЭМ-фотография микрокапсулированного LaNi5 (ясно показана декрепитация LaNi5) [Kim et al., 1998a.] (B) Фотография гранулы гибрида металла (центральное отверстие предназначено для вставки тепловой трубки) [ Парк, 2005]

ИЗУЧЕНИЕ И ОБСУЖДЕНИЕ СИСТЕМЫ

Одним из соображений при проектировании эффективной системы аккумулирования тепла на основе гидрида металла является создание и поддержание благоприятных граничных условий давления водорода во время реакции дегидрирования (эндотермической).Газообразный водород, выделяющийся в течение периода аккумулирования тепла, необходимо удалить из системы аккумулирования тепла в относительно большой контейнер для поддержания активного процесса дегидрирования. В противном случае чрезмерно повышенное давление водорода в системе замедляет реакцию дегидрирования, потребляющую тепло (т.е. эндотермическую реакцию), и в конечном итоге повышает температуру гидрида металла, что приводит к ухудшению получения тепла. Обратите внимание, что, поскольку контейнер для хранения водорода может быть удален от основной системы аккумулирования тепла, как показано на рисунке 2, металлогидридная система может быть спроектирована в очень компактном форм-факторе.Исследование системы с использованием четырех
различных вариантов хранения водорода было кратко обсуждено следующим образом:

Вариант 1: Контейнер с водородом: Как показано на Рисунке 2, во время периода хранения тепла выделившийся газообразный водород хранится в контейнере для хранения водорода. Во время последующей регенерации водород извлекается из водородного резервуара. Хотя этот вариант является наиболее простым и надежным, объем резервуара для водорода может быть относительно большим по сравнению с объемом гидрида металла.Тепловая энергия E _s , запасенная в гидриде металла, определяется количеством выделившегося газообразного водорода n _h3 (H ₂ кгмоль). Поскольку давление в резервуаре с водородом может быть приближено к давлению гидрида металла, предполагая, что газообразный водород хранится в контейнере (V _h3 ) при температуре окружающей среды T∞, запасенная тепловая энергия E _s может быть оценена как

Здесь T _{MH, i} и T _{MH, f} – начальная и конечная температуры металлогидрида во время режима аккумулирования тепла соответственно.p _h3 – изменение давления в резервуаре для хранения водорода (атм). Из уравнения. (3) демонстрируя, что Es линейно пропорционален p _h3 и объему контейнера с водородом
V _h3 , делается вывод, что больший запас тепла для данного объема контейнера с водородом реализуется за счет большего повышения давления водорода p _h3 .

Вариант 2: Отвод / подзарядка водорода: Во время периода аккумулирования тепла выделяющийся водород сбрасывается в окружающую среду или подается в другие системы, которые будут потреблять газообразный водород (например,грамм. топливные элементы). Во время последующей регенерации свежий водород из водородных резервуаров высокого давления (например, 10 000 фунтов на квадратный дюйм) повторно загружается в систему гидрида металла. Емкость перезарядки водородом ограничивает количество рабочих циклов.

Вариант 3: Механическое сжатие: Во время периода хранения тепла выделяющийся водород хранится в водородном контейнере. Во время следующей регенерации используется механический компрессор для возврата водорода обратно в металлогидрид. Эта опция требует источника электроэнергии для работы компрессора.Хотя компрессор может способствовать накоплению водорода во время операции накопления тепла, вибрации компрессора во время генерации можно избежать, если он используется только для регенерации. Требуемый объем будет меньше, чем вариант 1.

Вариант 4: Термическое сжатие с использованием двойных гидридов металлов: в течение периода хранения тепла выделившийся газообразный водород хранится в удаленном вторичном контейнере с гидридом металла, имеющем другой вид гидрида металла, чем основной гидрид металла, который накапливает тепло от источник тепла.Во время последующей регенерации температура вторичного гидрида повышается с помощью внешних нагревательных средств для увеличения давления водорода и возврата водорода к первичному гидриду металла. Для этого варианта требуется источник тепловой энергии (например, электрический нагреватель или отработанное тепло). Однако тепловое сжатие не включает никаких механических движущихся частей, в отличие от механических компрессоров. Требуемый объем будет наименьшим среди вариантов или равным варианту 3.

Вариант 4 подробно обсуждается в следующих параграфах.На рис. 5 показан принцип действия варианта 4 с использованием двойной металлогидридной системы MH _A и MH _B . На рисунке показаны тепловые потоки и потоки водорода между двумя гидридными реакторами. Во время периода «хранения тепла» тепловая нагрузка Q _A , сохраняемая в MH _A , инициирует реакцию дегидрирования (эндотермическую), в результате которой выделяется газообразный водород. В то же время, когда открывается клапан в линии транспортировки водорода, водород, выделяющийся из MH _A , свободно переносится в MH _B из-за разницы давлений между гидридными реакторами.Следовательно, реакция гидрирования (экзотермическая) в MH _B генерирует внутреннее тепло (Q _B ), которое увеличивает температуру или давление MH _B до тех пор, пока в системе не будет достигнуто равновесное давление.

Рис. 5. (a) Принцип работы с использованием «двойных гидридов» MHA и MHB и (b) диаграмма Вант-Гоффа, поясняющая операции аккумулирования и регенерации тепла.

Последующая операция регенерации состоит из двух режимов: «восстановление водорода» и «охлаждение системы».Во время регенерации водорода после накопления тепла к MH _B подводится внешнее тепло Q _B , чтобы поднять давление водорода MH _B (то есть тепловое сжатие) и, следовательно, обратить поток водорода в обратном направлении. Как только весь водород полностью извлечен с помощью MH _A , клапан в линии транспортировки водорода закрывается, чтобы предотвратить реверсирование водорода. Во время последующего периода «охлаждения системы» (не показан на рисунке 5) оба металлогидридных реактора охлаждаются до исходных температур, чтобы быть готовыми к следующему рабочему циклу.Тепловая энергия Er, необходимая для регенерации, равна накопленной энергии E _s . Следовательно,
общий отвод тепла в окружающую среду за завершенный цикл удваивается.

Q _D , необходимый для регенерации, может быть намного меньше, чем Q _A от источника тепла, если разрешен более длительный период регенерации. В результате самопроизвольный коэффициент полезного действия (COP _C = Q _A / Q _D ) двойной гидридной системы может быть намного больше единицы.Обратите внимание, что Q _A и Q _D – это скорости теплопередачи (мощность), а не общая теплопередача (джоуль). Также обратите внимание, что обычная система сжатия пара с воздушным охлаждением имеет COP _C около 3.

.

Было проведено сравнительное исследование конкурирующих технологий, включая ПКМ, гидриды металлов и аммиак. Системное исследование было выполнено для накопителя тепла 1 МДж, и результаты суммированы в Таблице 1. При исследовании системы предполагалось, что помимо основной структуры (т.е. тепловой трубы и контейнера) парафиновый воск (Calwax 130) содержится в алюминии (Al г) пена 20об.%, и гидрид металла был смешан с медью (Cu) и оловом (Sn) в количестве 17 об.% для повышения теплопроводности. Основываясь на конструкции прототипа, которая будет обсуждаться в следующем разделе, объемное отношение основной структуры к теплоаккумулирующим материалам было принято равным 1,0. Основной объем аккумулирования тепла (V ₁ ) включает в себя теплоаккумулирующий материал и основные структурные объемы. Обратите внимание, что гидридные и аммиачные системы требуют дополнительных объемов хранения газа (V ₂ ) в отличие от системы PCM.Исходя из температуры насыщения аммиака T = 25 ° C. + На основании предварительного системного исследования, выполненного для данной работы.

Для системы с одним металлогидридом (MH) основной объем аккумулирования тепла (V ₁ ) оценивается в 2,8 литра, а при добавлении дополнительного объема аккумулирования водорода (V ₂ ) в 26,4 литра общий объем системы (V ₃ ) становится 29,2 литра. Напротив, для парафиновой восковой системы общий объем системы (V ₃ ) оценивается как 12.8 литров. Обратите внимание, что основной объем аккумулирования тепла (V ₁ ) металлогидридных систем в 4,5 раза меньше, чем система PCM, из-за большей плотности аккумулирования тепла металлогидридных материалов. Объем хранения водорода (V ₂ ) для металлогидридных систем предназначен только для хранения водорода и не участвует напрямую в процессе аккумулирования тепла.

Из-за большой плотности хранения водорода в металлогидридных материалах вторичный гидрид в системе с двумя гидридами может хранить водород в значительно уменьшенном объеме (V ₂ ) по сравнению с системой с одним гидридом металла.В результате объем двойной гидридной системы (V ₃ ) примерно на 13,5% меньше, чем парафиновая парафиновая система. Аммиачная система оценивалась исходя из предположения, что все подводимое тепло используется для испарения жидкофазного аммиака при 25 ° C в парообразный аммиак при 50 ° C. Оценка не включала какую-либо необходимую активную перекачку жидкости или конденсатор, который потребовался бы для аммиачной системы.

ИСПЫТАНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОТОТИПА

Для демонстрации технологии аккумулирования тепла на основе металлогидрида был разработан, построен и испытан небольшой прототип системы.На рис. 6 показана испытательная установка, состоящая из модуля аккумулирования тепла на основе гидрида металла и системы подачи водорода. Объем контейнера с металлогидридом составляет 99 куб. См. Четыре водородных контейнера объемом 123 куб. См, 2, 4 и 8 литров были использованы для исследования влияния объема водородного контейнера на характеристики аккумулирования тепла. Комбинация из четырех водородных баллонов обеспечивает различные объемы от 123 куб. См до 14,1 литра.

Рис. 6. Испытательная установка для прототипа гибридной системы аккумулирования тепла.

Для прямого сравнения идентичная система аккумулирования тепла была также построена с использованием парафинового воска (производитель: Rubitherm GmbH, модель No.Rubitherm RT 35, температура плавления: 35ºC) и протестирован параллельно. В качестве источника тепла использовались электрические патронные нагреватели, а для охлаждения модуля аккумулирования тепла использовалась охлаждающая водяная рубашка. Две термопары, измеренные в контейнере с материалом для аккумулирования тепла, использовались для измерения температуры каждого материала для аккумулирования тепла. Для металлогидридной системы использовался датчик давления (производитель: Omega, модель № PX303, p_max = 1000 фунтов на кв. Дюйм), чтобы контролировать изменение переходного давления во время испытания.

На рис. 7 (a) показаны измеренные профили температуры и давления в базовых условиях: подвод тепла 200 Вт в течение 300 секунд и фиксированный объем хранения газообразного водорода 10 литров при равновесном давлении в реакторе с гидридом металла. Как показано на Рисунке 7 (а), после приложения тепловой нагрузки 200 Вт температуры источника тепла быстро увеличиваются, а за ними следует температура материала аккумулирующего тепло: температура гидрида металла намного ближе к температуре источника тепла, чем температура парафина.Это указывает на то, что металлогидридная система имеет меньшее тепловое сопротивление между источником тепла и стоком. В конце периода нагрева (300 секунд) температура источника тепла металлогидридной системы достигла 47,7 ° C, в то время как температура источника тепла в системе PCM достигла 62,8 ° C. Обратите внимание, что максимальная температура парафина была намного выше температуры плавления (35 ° C), что указывает на то, что весь воск расплавился.

Рис. 7. Измеренные профили температуры и давления в исходных условиях для (а) резервуара с водородом объемом 10 литров и (б) с объемом резервуара для водорода 4 литра.

На рис. 7 (b) показаны результаты измерения температуры при тех же условиях, за исключением условий с водородом: объем водородного контейнера был уменьшен до 4 литров при начальном вакууме. Вакуумный контейнер использовался для моделирования условий изначально низкого давления, которые, вероятно, были обнаружены в вариантах 2, 3 и 4. Результаты испытаний ясно показывают, что металлогидридная система очень способна сохранять тепло 60 кДж (= 200 Вт × 300 с) с температурный скачок при максимальной норме 25ºC. При подаче тепла 200 Вт в течение 300 секунд повышение температуры источника тепла металлогидридной системы составило 16.1ºC, в то время как у PCM повышение температуры составило 41,6ºC.

Как показано на рисунках 8 (a) – (c), параметрические испытания были выполнены с использованием различных объемов хранения водорода, периодов хранения тепла и начальных зарядов водорода в зависимости от подводимого тепла, соответственно. На рис. 8 (а) показано влияние объема накопителя водорода на повышение температуры источника тепла. Во-первых, при объеме контейнера с водородом 123 куб. См (наименьший) отклонение температуры источника тепла все еще меньше, чем у восковой системы.Большие объемы водородных баллонов привели к еще более низким отклонениям температуры. Для подводимой теплоты 312,5 Вт при объеме резервуара с водородом 4 литра под вакуумом металлогидридная система имела повышение температуры на 30,6 ° C, что на 31,4 ° C ниже, чем температурный скачок 62,0 ° C в восковой системе под вакуумом. такое же состояние.

На рис. 8 (b) показано влияние периода нагрева на изменение температуры. В течение длительного периода нагрева в 600 секунд отклонение температуры восковой системы увеличивается экспоненциально, в отличие от периода нагрева в 300 секунд.Это указывает на то, что при тепловой нагрузке 200 Вт в течение 600 секунд восковая система аккумулировала тепло в виде явного тепла, которое ускоряет рост температуры. Рисунок 8 (c) показывает влияние начального заряда водорода в металлогидридной системе на температурный скачок. Перед каждым испытанием свежий водород загружали в резервуар для хранения тепла из гидрида металла. Хотя меньший начальный заряд водорода дает лучшие характеристики, дальнейшее уменьшение заряда водорода увеличит отклонение температуры из-за недостатка водорода.Следовательно, оптимум для начального заряда водорода будет существовать в низком диапазоне.

Рис. 8. Влияние (а) подводимого тепла, (б) периода нагрева и (в) начального заряда водорода на изменение температуры источника тепла.

НОМЕНКЛАТУРА

D _p диаметр частицы (м)
E энергия (Дж)
H / M концентрация водорода в металле (или сплаве)
H атом водорода
M атом металла (сплава)
p давление (атм)
Q скорость теплового потока (Вт)
R универсальная газовая постоянная (= 8.314 кДж / кмоль-K)
T температура (K)
t время (с)
V объем (литры)
x нестехиометрическая константа

Греческий

α, β металлогидридные фазы
∆H f теплота образования (кДж / ч3-кгмоль)
∆S f стандартная энтропия образования (кДж / ч3-кгмоль-K)

Индексы

Металлогидридные реакторы A, B
c охлаждение
f формирование или окончание
ч высокая
i начальная
л низкая
металлогидрид MH
p частица
r высвобождение
s источник тепла или хранение

ПОДТВЕРЖДЕНИЕ

Работа выполнена в соответствии с Контрактом I фазы MDA STTR.FA8650-04-М-2517. Авторы хотели бы поблагодарить г-на Дэвида Саррафа и г-на Джея Уивера, оба из Advanced Cooling Technologies, Inc., за их усилия по рисованию и испытаниям металлогидридной системы. Кроме того, KJK благодарит своих аспирантов Д. Кима и С. Вемури за помощь в микрокапсулировании гидридов металлов.

ССЫЛКИ

1. Парк Чану, 2005 г., «Пассивная высокоэффективная технология аккумулирования и рассеивания тепла для переходного процесса управления тепловым потоком высокой мощности
», Заключительный отчет по фазе I MDA STTR FA8650-04-M-2517.

2. D.L. Врабле, К. Йеркес, 1998 г., «Концепция управления температурным режимом для применения в других электрических системах питания самолетов», SAE Transactions, 981289.

3. В. Шанмугасундарам, Дж.Р. Браун, К.Л. Йеркес, 1997, «Управление тепловым режимом источников с высоким тепловым потоком с использованием материалов с фазовым переходом: процедуры оптимизации конструкции», Американский институт аэронавтики и астронавтики, Труды 32-й теплофизической конференции, 23-25 ​​июня, AIAA-97-2451.

4. L.C. Чоу, Дж.К. Чжан и Дж. Э. Бин, 1996, «Повышение теплопроводности для носителей информации с фазовым переходом», Int. Comm. Тепломассообмен, Том 23, Номер 1, стр.91-100.

5. E.L. Хьюстон и Г.Д. Сандрок, 1980, «Технические свойства гидридов металлов», Journal of Less Common Metals, Vol.74, pp.435-443.

6. С. Аль-Халладж и Дж. Р. Селман, 2000, «Новая система терморегулирования для аккумуляторных батарей электромобилей с использованием материала с фазовым переключением», Журнал Электрохимического общества, Том 147, №9. С. 3231-3236.

7. B.H. Канг, К.-В. Парк и К.С. Ли, 1996 г., «Динамическое поведение теплопередачи и передачи водорода в металлогидридной системе охлаждения», Международный журнал водородной энергетики, том 21, № 9, стр. 769-774.

8. Г.А. Фатеев, Б. Канг, К.Дж. Ким и Ч.-В. Парк, 1996. «Численное моделирование и экспериментальное исследование цикла преобразования тепла в металлогидридных средах», Тепломассообмен. MIF-96 Тепло- и массообмен в капиллярно-пористых телах, А.В. Институт тепло- и массообмена им. Лыкова, Минск, Вып.7. С. 169-182.

9. C.-W. Парк, Б. Кан, С. Джонг и К.С. Ли, 1995, «Экспериментальное исследование тепломассопереноса во время процессов абсорбции и десорбции в слое гидридного материала», Журнал Корейского общества машиностроения, Том 19, № 1, стр. 202-211 (на корейском языке).

10. B.H. Канг, К.-В. Парк и К.С.Ли, 1994, «Динамическое поведение теплопередачи и водородного переноса в металлогидридном чиллере», 1994 ICR.

11. Г.К. Ллойд, К.Дж. Ким, К. Фельдман-младший и А.Разани, 1998 г. «Измерение теплопроводности металлогидридных уплотнителей, разработанных для реакторов большой мощности», AIAA-Journal of Thermophysics and Heat Transfer, Vol.12, No. 2, pp.132-137. 12. К.Дж., Ким, К.Т. Фельдман-младший, Г.К. Ллойд и А. Разани, 1998a, «Разработка тепловых насосов с компрессорным приводом с использованием пористых металлогидридных уплотнителей», Транзакции ASHRAE, 1998-Зимнее совещание, Сан-Франциско, том 104, часть 1, SF-98-18-4.

13. K.J. Ким, Г. Ллойд, А. Разани и К. Фельдман-младший, 1998b, «Разработка порошковых металлогидридных композитов LaNi5 / Cu / Sn», Powder Technology-An International Journal, Vol.99, стр 40-45.

14. K.J. Ким, Дж. Ллойд, К. Т. Фельдман, младший, и А. Разани, 1998c, «Термический анализ металлогидридного реактора Ca0,4Mm0,6Ni5», Прикладная теплотехника, Том 18, № 12, стр.1325 -1336.

15. K.J. Ким, личное сообщение, 1996-2004 гг.

16. М. Шахинпур, К.Дж. Ким, 2002, «Новые металлогидридные искусственные мышцы», Патент США №6,405,532.

границ | Экспериментальное исследование термохимического реактора для хранения тепла при высоких температурах посредством циклов на основе карбонизации-кальцинации

Введение

Накопление тепловой энергии (TES) позволяет использовать прерывистую концентрированную солнечную энергию для круглосуточной подачи высокотемпературного тепла в промышленные предприятия. процессов и для производства солнечной тепловой энергии (Glatzmaier, 2011; Henry et al., 2020). Основные подходы к TES основаны на явном, скрытом и термохимическом тепле и их комбинациях. Явные аккумуляторы тепла в основном используются в виде солевых расплавов (Kuravi et al., 2013) и систем на основе термоклина (Mostafavi Tehrani et al., 2017; Zanganeh et al., 2012). Последний может применяться для хранения тепла при температурах выше 600 ° C с использованием уплотненного слоя горных пород с отдельным теплоносителем (HTF) (Hänchen et al., 2011; Zanganeh et al., 2012). Однако концепции, основанные на термоклине, по своей сути страдают от деградации температурного профиля после нескольких циклов зарядки-разрядки, что приводит к нежелательному падению температуры на выходе HTF во время разрядки (Stekli et al., 2013). Было изучено несколько стратегий смягчения последствий, таких как устройства с несколькими резервуарами (Roos and Haselbacher, 2021), проточная промывка и извлечение (Geissbühler et al., 2019) и комбинированные системы хранения явной и скрытой теплоты (Zanganeh et al., 2015) . В общем, современные технологии, основанные на накоплении явной и скрытой теплоты, ограничены по температуре из-за ограничений материалов и по плотности накопления энергии из-за их удельной теплоемкости и энтальпии фазового перехода.

Особый интерес представляет термохимический накопитель тепла, в котором используются обратимые эндотермино-экзотермические реакции для сохранения высокотемпературного тепла в течение длительного времени и с превосходной плотностью накопления энергии (Abedin and Rosen, 2011; André and Abanades, 2020; Carrillo et al. al., 2019; King et al., 2019; Метте и др., 2012; Peng et al., 2017; Юань и др., 2018). Реакторы для термохимического хранения тепла, использующие реакции газ-твердое тело, можно разделить на реакторы с прямым и косвенным облучением. В концепциях реакторов с прямым облучением используются твердые тела, непосредственно подвергающиеся воздействию концентрированного солнечного излучения, например, в потоках гранул (Schrader et al., 2020) и вращающихся печах (Neises et al., 2012), обеспечивая эффективную радиационную теплопередачу непосредственно к месту реакции. Напротив, в концепциях с косвенным облучением используется отдельная HTF для передачи тепла твердым телам либо путем прямого контакта, либо через теплообменник.Широко применяемым примером в этой категории являются реакторы с неподвижным слоем, которые обладают более высокой объемной способностью аккумулировать тепло, чем потоки частиц, и позволяют избежать сложности перемещения частиц при высоких температурах (Cosquillo Mejia et al., 2020; Criado et al., 2017; Schaube et al., 2017; Schaube et al. al., 2013; Schmidt et al., 2014), но за счет более низкой скорости теплопередачи. С другой стороны, если реакционная камера отделена от HTF, реакционное давление можно контролировать независимо, что позволяет контролировать равновесную температуру реакции и, в свою очередь, скорость реакции и выделение / поглощение тепла, тем самым обеспечивая стабильный выход. температуры во время разряда (Ströhle et al., 2017). Это позволяет сформировать простой контур регулирования с температурой на выходе HTF и давлением в реакторе. Комбинация физического и термохимического накопления тепла также решает проблему ограниченного диапазона рабочих температур только термохимического накопления (Agrafiotis et al., 2016).

В этом исследовании мы представляем инженерный проект термохимического реактора для комбинированной системы физико-термохимического ТЭС, который имеет несколько интересных преимуществ, таких как высокая удельная теплоемкость и низкий перепад давления, а также модульность, масштабируемость и надежность.Был изготовлен и испытан прототип реактора лабораторного масштаба с использованием обратимой реакции кальцинирования-карбонизации CaO / CaCO ₃ при температурах около 900 ° C. Представлен синтез и характеристика твердого материала для предотвращения спекания и обеспечения циклической стабильности. Подробно описаны экспериментальная установка и работа прототипа реактора для нескольких последовательных циклов.

Конструкция термохимического реактора

Комбинированная термохимическая система TES изображена на Рисунке 1A.Он включает в себя два последовательно включенных блока: 1) блок явного аккумулирования тепла (СВС), который состоит из уплотненного слоя горных пород или керамики на основе термоклина, подвергающегося воздействию потока HTF; и 2) блок термохимического аккумулирования тепла (TCS), который состоит из модульной группы уложенных друг на друга трубчатых реакторов, расположенных в конфигурации теплообменника с перекрестным потоком. Блок TCS расположен после блока SHS, а HTF является общим для обоих. Поскольку установка СВС уже широко изучена (Hänchen et al., 2011; Zanganeh et al., 2012), в настоящем исследовании основное внимание уделяется конструкции и экспериментальному исследованию установки TCS, то есть термохимического реактора, для проведения обратимой эндотермической / экзотермической реакции диссоциации газа и твердого вещества в форме A (s) ↔ B (s) + С (г). Примерами являются восстановление-окисление оксидов металлов и кальцинирование-карбонизация карбонатов металлов (André and Abanades, 2020). В рамках этого исследования кальцинирование-карбонизация известняка:

РИСУНОК 1 . Слева : Схематический разрез системы TES, состоящей из многослойного блока термохимического аккумулирования тепла (TCS) поверх блока явного аккумулирования тепла (SHS). Справа : Схематическое сечение одной трубы реактора блока TCS.

CaCO ₃ ↔ CaO + CO ₂

ΔH ° _298K = 178 кДж / моль CO ₂ ; ΔG ° = 0 при T = 1167 K

было выбрано в качестве модельной реакции между различными экранированными оксидами, гидроксидами, сульфидами и карбонатами металлов (André et al., 2016) из-за его безопасного обращения, достаточно высоких скоростей реакции в в обоих направлениях, рабочая температура в диапазоне 800–1000 ° C, а также потому, что это хорошо известная реакция в производстве цемента.На рис. 1В показано поперечное сечение одной реакторной трубы блока TCS. Он состоит из внешней цилиндрической оболочки, кольцевого уплотненного слоя твердых реагентов / продуктов CaO / CaCO ₃ и концентрической пористой внутренней трубы, проницаемой для газообразного реагента / продукта CO ₂ . Эта внутренняя труба имеет единственное газовое соединение на одной стороне для входа / выхода CO ₂ , который транспортируется через стенки пористой трубы в / из уплотненного слоя. При таком расположении поток жидкости через уплотненный слой однороден, а падение давления остается низким.Во время тепловой загрузки из реактора частично откачивают воздух для снижения равновесной температуры, что способствует эндотермическому прокаливанию CaCO ₃ до CaO, в то время как выделившийся CO ₂ хранится вне реактора. Во время выгрузки CO ₂ перекачивается обратно под более высоким давлением в уплотненный слой, чтобы повысить равновесную температуру, тем самым способствуя экзотермической карбонизации CaO в CaCO ₃ .

Синтез и характеристика материалов

Предварительные экспериментальные опыты показали плохую стабильность чистого CaCO ₃ во время нескольких циклов карбонизации-кальцинирования из-за спекания.Так, в качестве ингибитора спекания был использован MgO, полученный прокаливанием дигидрата оксалата магния (MgC ₂ O ₄ ⋅2H ₂ O) при 700 ° C (Li et al., 2009). Были использованы два метода синтеза с идентичным конечным составом: суспензия влажного смешивания, которая сушится с образованием агломератов, и метод капельного гранулирования с образованием гранул (Gigantino et al., 2020).

Агломераты – Оксид магния смешивали с ацетатом кальция (Ca (CH ₃ COO) ₂ H ₂ O), добавляли 2-пропанол и оставляли в валковой мельнице на ночь для тщательного перемешивания.Затем суспензию сушили на воздухе и разбивали на кусочки неправильной формы с эквивалентным диаметром 4,2 ± 2,3 мм сферы с той же выступающей поверхностью, как было определено оптической гранулометрией. Прокаливание при 800 ° C в течение 2 ч привело к получению конечного материала с составом CaO: MgO = 58: 42% мас. Синтезированные агломераты имеют насыпную плотность 231 кг⋅м-3 при неплотной упаковке и прокаливании. Изменения температуры спекания (до 930 ° C), подготовки прекурсора, размера частиц и метода смешивания были исследованы, чтобы найти оптимально стабильный состав материала.На Фигуре 2А показан образец готового агломерата.

РИСУНОК 2 . (A) Агломераты, (B) гранулы.

Гранулы – Оксид магния смешивали с просеянным (250 мкм) ацетатом кальция при соотношении MgO: Ca (CH ₃ COO) ₂ H ₂ O) = 1: 4,34 путем ручного встряхивания. После добавления 6,5 мас.% Порообразователя (измельченное углеродное волокно 150 мкм) добавляли раствор связующего, содержащий этилцеллюлозу, растворенную в N -метил-2-пирролидоне, для образования суспензии.Затем с помощью шприца с диаметром иглы 1,1 мм суспензию вручную капали в стакан с мешалкой, содержащий деминерализованную воду и поверхностно-активное вещество (Твин 80), с высоты около 50 мм. Полученные гранулы сушили на воздухе перед прокаливанием в условиях атмосферного газа при 1260 ° C в течение 1 часа, позволяя органическим компонентам сгореть. Спеченные гранулы имеют состав CaO: MgO = 58: 42 мас.% (Как агломераты), диаметр 1,74 ± 0,35 мм и объемную плотность 205 кг · м-3.Также были исследованы содержания порообразователя в диапазоне 0–8,5 мас.% И температуры спекания в диапазоне 1250–1300 ° C, и указанные выше значения позволили получить наиболее стабильные гранулы. На рис. 2В показан образец готовых гранул.

Рабочие характеристики и стабильность при циклическом воздействии обоих составов исследовали термогравиметрическим анализом (TGA, Netzsch STA 409 CD, плоский тигель). Все эксперименты ТГА проводили при колебаниях температуры от 830 ° C (карбонизация) до 930 ° C (прокаливание) в атмосфере CO ₂ при давлении 1 бар.Плато удерживались в течение 30 минут каждое с линейным изменением скорости 15 ° C / мин между ними. На Фигуре 3 показана степень карбонизации для 30 последовательных циклов карбонизации-кальцинирования для обоих составов. Степень реакции определяется для каждого направления как:

χкарбонизация = nCaCO3nCaCO3 + nCaO, χcalcination = nCaOnCaCO3 + nCaO (1)

РИСУНОК 3 . Интенсивность реакции для агломератов и гранул в течение 30 последовательных циклов карбонизации-кальцинирования, выполняемых в ТГА с использованием колебаний температуры от 830 ° C до 930 ° C с временем выдержки 30 мин.

Для обоих составов разница между χкальцинированием и χкарбонизацией для любого данного цикла составляла менее 1,25%, что подтверждает обратимость. Однако агломераты показали начальное χкарбонирование = 84,02%, которое снизилось на 22,5% в течение 30 последовательных циклов. Напротив, гранулы демонстрировали довольно постоянную степень реакции, первоначально χкарбонизация = 31,9%, которая снизилась только на 0,49% в течение 30 последовательных циклов. Ухудшение характеристик агломератов предположительно происходит из-за более низкой температуры прокаливания во время их синтеза, поскольку более высокие температуры могут разрушить их, что в конечном итоге привело к закрытию пор из-за спекания во время фактического цикла.На рис. 4 показаны СЭМ-изображения агломератов и гранул до и после циклирования. Наблюдается, что граница агломерата становится менее пористой после циклирования, в то время как морфология гранулы остается относительно неизменной.

РИСУНОК 4 . СЭМ-изображения агломерата до (вверху слева) и после цикла ( вверху справа) , и гранул до (внизу слева) и после цикла (внизу справа) .

Прототип реактора TCS и экспериментальная установка

Прототип реактора TCS лабораторного масштаба схематично показан на рисунке 5.Основной корпус состоит из цилиндрической оболочки с внешним диаметром 76,1 мм и толщиной 3,2 мм, изготовленной из Inconel 600, и концентрической пористой газоподводящей трубки с внешним диаметром 13,5 мм и толщиной 2 мм из оксида алюминия (Rauschert Rapor P20). Эти концентрические трубки содержат кольцевой уплотненный слой реагентов с активным объемом 364 см ³ , окруженный с обеих сторон изоляционными дисками из Al ₂ O ₃ , которые также удерживают центральную трубку на месте. Глухие фланцы, закрепленные зажимами, закрывают реактор с обеих сторон.Стальные трубы приварены концентрически к обоим фланцам, соединяя реактор с остальной частью установки. Реактор помещен в трубчатую электропечь (Carbolite HST 12/200) с зоной гомогенного нагрева 200 мм. Пять термопар типа K (DIN 60584-2, класс 1, ± 1,5 ° C) вставлены в осевом направлении для измерения распределения температуры в уплотненном слое в радиальном направлении. Они расположены по центру в продольном направлении и в горизонтальной плоскости с радиусами 10,8, 15,8, 20,8, 25,8 и 30.8 мм от средней линии. Две дополнительные экранированные термопары измеряют температуру корпуса реактора и температуру газа на выходе.

РИСУНОК 5 . Схематическое сечение экспериментального реактора TCS, состоящего из оболочки из инконеля, центральной пористой трубы для подачи газа и кольцевого уплотненного слоя твердых реагентов, заключенных в трубчатую электропечь.

Схема трубопроводов и приборов для всей экспериментальной установки показана на рисунке 6. Экспериментальная процедура начинается с продувки реактора вакуумной откачкой до 100 мбар с последующей перфузией CO ₂ из газового баллона (чистота 99.995%). После достижения давления окружающей среды газовый мешок (мешок для отбора проб газа Restek RT-22968) начинает наполняться. Состав газа контролируется масс-спектрометрией (Pfeiffer OmniStar GSD 320 O1). Цикл продувки предназначен для проверки того, что в системе не осталось примесей. Во время нормальной работы ручные клапаны, соединяющие систему с источником газа и масс-спектрометром / вакуумным насосом, закрыты. Затем печь запускает циклы карбонизации и прокаливания. Однонаправленный массовый расходомер с низким перепадом давления (Bronkhorst F-201CV, ± 1% полной шкалы при 4 л / мин) встроен в клапанный узел, который гарантирует, что поток всегда идет в одном и том же направлении, независимо от текущего состояния карбонизации / прокаливания.Система управления LabView автоматически обнаруживает изменение состояния в зависимости от изменений массового расхода и градиента температуры и соответственно переключает 3-ходовые клапаны.

РИСУНОК 6 . Схема трубопроводов и приборов экспериментальной установки. Пунктирная рамка указывает на конфигурацию системы во время нормальной работы.

Реактор TCS работает в режиме качания температуры при атмосферном давлении CO ₂ . Хотя использование газового мешка обеспечивает постоянное давление окружающей среды, давление в центре реактора постоянно контролируется, чтобы убедиться, что между ними не происходит значительного перепада давления.В этой конфигурации единственной измеряемой входной переменной является заданный температурный профиль внутри реактора, а единственным измеренным выходом является массовый расход CO ₂ в / из реактора.

Результаты экспериментов с реактором TCS

Single Cycle – После начальной стадии карбонизации, выдержанной в течение 1 часа, был проведен одиночный цикл кальцинирования / карбонизации агломератов с использованием колебаний температуры от 835 ° C до 935 ° C при нагревании. / скорость охлаждения 15 ° C / мин и поддержание температуры (плато) в течение 5 ч на каждой стадии реакции.Продолжительность этого единственного цикла была намного больше, чем обычно (~ 35 мин) с целью изучения временного изменения температур внутри уплотненного слоя и соответствующих скоростей реакции по мере приближения степени реакции к полному завершению. На рис. 7 показаны температуры, измеренные у стенки реактора и внутри уплотненного слоя (вверху), а также объемная скорость потока CO ₂ (внизу, стандартные литры в минуту л / мин) как функция времени. Зеленый и красный фон обозначают этапы карбонизации и прокаливания соответственно.Положительные объемные потоки соответствуют потоку CO ₂ в реактор во время стадии карбонизации; отрицательные значения соответствуют истечению во время стадии прокаливания. Наблюдаются пять различных режимов (обозначены A – E): A) низкий объемный поток во время первой стадии карбонизации, поскольку исходный материал в основном уже был карбонизирован; Б) небольшое превышение температуры из-за регулятора уставки трубчатой ​​печи; C) профили температуры изменяются из-за стадии эндотермического обжига и достигают установившегося состояния по мере завершения обжига; Г) тот же эффект, что и для режима С, но для последующей экзотермической карбонизации; и E) заметное падение температуры от стенки реактора к насадочному слою в приблизительных стационарных условиях из-за теплопотерь на теплопроводность.

РИСУНОК 7 . Типичное измерение одного цикла кальцинирования-карбонизации для агломератов, выполняемое в реакторе TCS, с размахом температуры от 830 ° C до 930 ° C.

Моделирование реактора показывает, что степень реакции локально приближается к химическому равновесию, так что эффекты массо- и теплопередачи преобладают (Wild and Steinfeld, 2021). Наблюдаемые относительно низкие скорости реакции в основном объясняются низкой скоростью теплопередачи уплотненного слоя, которая в основном обусловлена ​​проводимостью через пористую среду.Этот механизм регулирования скорости сильно зависит от эффективной теплопроводности уплотненного слоя, которая, в свою очередь, зависит от морфологии твердых реагентов и может накладывать ограничение на верхний размер радиальной толщины кольцевого уплотненного слоя. Как упоминалось выше, масштабирование предусматривает использование ряда трубчатых реакторов, каждый из которых содержит кольцевой уплотненный слой с радиальной толщиной, сопоставимой по величине с реактором-прототипом.

Множественные циклы —Экспериментальные опыты с 80 последовательными циклами карбонизации / прокаливания были проведены как для агломератов, так и для гранул с использованием колебаний температуры от 830 ° C до 930 ° C с продолжительностью 93 мин для каждого этапа.Поскольку у свежего синтезированного материала наблюдалась усадка, реагенты были подвергнуты циклическому воздействию в течение более 80 циклов заранее. В реактор загружали 133,17 г агломерата и 102,72 г гранул. Теоретический максимальный объем CO ₂ соответствует 23,23 и 17,92 л (стандартных литров) соответственно. Объемы газа использовали для определения степени реакции.

На Фигуре 8 показаны измеренные степени реакции карбонизации и прокаливания для обоих составов. Как и в экспериментах с ТГ, средняя разница между χкальцинированием и χкарбонизацией составляла 0.57% для агломератов и 0,41% для гранул, что подтверждает обратимость. Однако для агломератов линейная деградация примерно на 0,44% за цикл наблюдается от цикла №15 до №45 и на 0,2% за цикл от цикла №45 до №80. Степень реакции снизилась с максимального χкальцинирования = 68,5% для цикла № 6, соответствующего измеренному объему поглощения / высвобождения CO ₂ , равному 15,91 л, до минимального χкальцинирования = 44,1% для цикла № 80, соответствующего 10,27 л CO _{. 2} . Ясно, что гранулы демонстрируют превосходную циклическую стабильность, но все же некоторую деградацию примерно на 0.09% за цикл, от начального максимума χcalcination = 39,5% для цикла № 1, соответствующего 7,08 л CO ₂ , до χcalcination = 27,4% для цикла № 80, соответствующего 4,92 л CO _2. Таким образом, более 80 В последовательных циклах наблюдаемая деградация составила 35,4% для агломератов и 30,4% для гранул.

РИСУНОК 8 . Интенсивность реакции для агломератов и гранул в течение 80 последовательных циклов карбонизации-прокаливания, выполняемых в реакторе TCS с использованием колебаний температуры от 830 ° C до 930 ° C со временем выдержки 93 мин.Указана линейная деградация.

Исходя из максимальных измеренных объемов CO ₂ , расчетная удельная гравиметрическая и объемная теплоемкость составила 866 кДж / кг и 322 МДж / м ³ для агломератов, соответственно, и 450 кДж / кг и 134 МДж / м ³ для гранул соответственно. Более высокие плотности энергии агломератов (как объемные, так и гравиметрические) достигаются за счет плохой стабильности в течение последовательных циклов. Гранулы показали очень хорошую стабильность при циклировании в течение 30 последовательных циклов в ТГА, но разложение наблюдали в реакторе в течение 80 последовательных циклов.Это объясняется, прежде всего, эффектами тепломассопереноса в реакторе с уплотненным слоем по сравнению с одним слоем гранул и более короткой продолжительностью цикла в ТГА. Эти вредные эффекты могут быть уменьшены при изотермической работе с переменным давлением.

Верхний предел падения давления в радиальном направлении через уплотненный слой был рассчитан на основе закона Дарси с использованием значений проницаемости κ = 4,086⋅10−13 м2 и κI = 5,675⋅10−8 кг⋅Па − 1⋅с− 2 определено в отдельном эксперименте. Предполагая, что радиальная скорость равна 0.0017 м / с на внутренней границе уплотненного слоя (соответствует наивысшим измеренным значениям массового расхода при 0,42 л / мин), максимальное падение давления для агломератов над всем слоем составляет 31 мбар, что подтверждает низкий перепад давления. для этой конфигурации реактора TCS с радиальным потоком.

Резюме и заключение

Мы разработали термохимический реактор для хранения высокотемпературного технологического тепла с использованием обратимой реакции формы A (s) ↔ B (s) + C (g), которая может быть особенно применима к металлу. оксиды, гидроксиды, сульфиды и карбонаты.Реакция карбонизации СаО – кальцинирования СаСО ₃ была выбрана в качестве модельной. Для предотвращения спекания CaO: MgO = 58: 42% масс. Синтезировали в виде агломератов и гранул. В качестве подтверждения концепции мы изготовили лабораторный прототип однотрубного реактора и продемонстрировали его работу в течение 80 последовательных циклов в режиме изменения температуры 830–930 ° C. Циклическая стабильность гранул была явно выше, чем у агломератов. Полученные экспериментальные данные были использованы для проверки численной модели тепломассопереноса для оптимизации конструкции (Wild and Steinfeld, 2021).Реактор TCS является модульным и масштабируемым в конфигурации теплообменника с перекрестным потоком, может работать как в циклическом режиме с изменением температуры, так и с изменением давления, и может быть последовательно объединен с накопителем явного тепла на основе термоклина. При использовании для хранения концентрированного солнечного тепла, он позволяет декарбонизацию нескольких ключевых энергоемких промышленных процессов, таких как металлургическая обработка и производство цемента, а также эффективное тепловое производство солнечной энергии и топлива.

Заявление о доступности данных

Необработанные данные, подтверждающие вывод этой статьи, будут предоставлены авторами без излишних оговорок.

Вклад авторов

МВт и AS разработали процесс и связанный с ним термохимический реактор; MW и LL синтезировали материалы, выполнили эксперименты и обработали экспериментальные данные; AS курировал проект; все авторы внесли свой вклад в написание рукописи.

Финансирование

Мы благодарны Швейцарскому национальному научному фонду за финансовую поддержку (проект № 173438).

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Примечание издателя

Все претензии, выраженные в этой статье, принадлежат исключительно авторам и не обязательно относятся к их аффилированным организациям, или претензиям издателя, редакторов и рецензентов. Любой продукт, который может быть оценен в этой статье, или заявление, которое может быть сделано его производителем, не подлежат гарантии или одобрению со стороны издателя.

Благодарности

Мы благодарим Филиппа Хауэтера, Марко Джигантино, Брендана Булфина, Томаса Фрея, Саймона Мейера, Поля Леуде де Валле и Джулиана Уреха за техническую поддержку в синтезе материалов, экспериментальной установке и экспериментальной кампании.

Сокращения

χ, степень реакции [-]; ФС, натурный; HTF, жидкий теплоноситель; L, стандартные литры; MFM, массовые расходомеры; MFC, регуляторы массового расхода; СВС, явное аккумулирование тепла; ТЭС, накопитель тепловой энергии; TCS, термохимический накопитель тепла; ТГА, термогравиметрический анализ.

Ссылки

Абедин А. Х. и Розен М. А. (2011). Критический обзор термохимических систем хранения энергии. Торей 4, 42–46. doi: 10.2174 / 1876387101004010042

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Аграфиотис, К., Роб М. и Саттлер К. (2016). Использование термохимических циклов на основе окислительно-восстановительных систем твердых оксидов для термохимического хранения солнечного тепла. Часть 4: Скрининг оксидов для использования в концепциях каскадного термохимического хранения. Солнечная энергия 139, 695–710. doi: 10.1016 / j.solener.2016.04.034

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Андре, Л., Абанадес, С., и Фламант, Г. (2016). Скрининг термохимических систем на основе обратимых реакций твердого тела и газа для высокотемпературного накопления солнечной тепловой энергии. Обновить. Sust. Energ. Ред. 64, 703–715. doi: 10.1016 / j.rser.2016.06.043

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Андре, Л., и Абанадес, С. (2020). Последние достижения в термохимическом хранении энергии с помощью обратимых реакций твердого тела с газом при высокой температуре. Энергия 13, 5859. doi: 10.3390 / en13225859

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Каррильо, А. Дж., Гонсалес-Агилар, Дж., Ромеро, М., Коронадо, Дж. М., Гонсалес-Агилар, Дж., Ромеро, М., и другие. (2019). Солнечная энергия по запросу: обзор высокотемпературных термохимических систем хранения тепла и материалов. Chem. Rev. 119, 4777–4816. doi: 10.1021 / acs.chemrev.8b00315

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Cosquillo Mejia, A., Afflerbach, S., Linder, M., and Schmidt, M. (2020). Экспериментальный анализ инкапсулированных гранул CaO / Ca (OH) 2 в качестве термохимического хранения в новом реакторе с подвижным слоем. Заявл. Therm. Англ. 169, 114961.doi: 10.1016 / j.applthermaleng.2020.114961

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Криадо, Ю.А., Хилле, А., Руже, С., и Абанадес, Дж. К. (2017). Экспериментальное исследование и проверка модели реактора с псевдоожиженным слоем CaO / Ca (OH) 2 для термохимического накопления энергии. Chem. Англ. J. 313, 1194–1205. doi: 10.1016 / j.cej.2016.11.010

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Geissbühler, L., Mathur, A., Mularczyk, A., and Haselbacher, A.(2019). Оценка методов контроля термоклина для хранения тепловой энергии с насадочным слоем на установках CSP, Часть 1: Описание методов. Солнечная энергия 178, 341–350. doi: 10.1016 / j.solener.2018.12.015

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Gigantino, M., Sas Brunser, S., and Steinfeld, A. (2020). Высокотемпературное термохимическое накопление тепла посредством окислительно-восстановительного цикла CuO / Cu2O: от синтеза материалов до разработки реакторов с насадочным слоем и циклической эксплуатации. Energy Fuels 34, 16772–16782.doi: 10.1021 / acs.energyfuels.0c02572

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Glatzmaier, G. (2011). Сводный отчет семинара по концентрированию солнечной энергии по хранению тепла: новые концепции и материалы для аккумулирования тепловой энергии и теплоносителей , 2011.

Google Scholar

Хенхен, М., Брюкнер, С., Штейнфельд, А. ( 2011). Хранение тепла при высоких температурах с использованием уплотненного слоя горных пород – анализ теплопередачи и экспериментальная проверка. Заявл. Therm. Англ. 31, 1798–1806. doi: 10.1016 / j.applthermaleng.2010.10.034

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Генри А., Прашер Р. и Маджумдар А. (2020). Пять основных проблем, связанных с обезуглероживанием тепловой энергии. Нац. Energ. 5, 635–637. doi: 10.1038 / s41560-020-0675-9

CrossRef Полный текст | Google Scholar

King, K., Randhir, K., Petrasch, J., and Klausner, J. (2019). Повышение термохимической плотности хранения энергии оксидов магния-марганца. Накопитель энергии 1. doi: 10.1002 / est2.83

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Курави, С., Трахан, Дж., Госвами, Д. Ю., Рахман, М. М., и Стефанакос, Э. К. (2013). Технологии аккумулирования тепловой энергии и системы для концентрирования солнечных электростанций. Прог. Energ. Combustion Sci. 39, 285–319. doi: 10.1016 / j.pecs.2013.02.001

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Li, L., King, D. L., Nie, Z., and Howard, C. (2009). Стабилизированные магнезией абсорбенты оксида кальция с повышенной прочностью для улавливания высокотемпературного CO2. Ind. Eng. Chem. Res. 48, 10604–10613. doi: 10.1021 / ie

6b

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Метте Б., Керскес Х. и Дрюк Х. (2012). Концепции долгосрочного термохимического накопления энергии для солнечных тепловых систем – избранные примеры. Энерг. Процедуры. 30, 321–330. doi: 10.1016 / j.egypro.2012.11.038

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Mostafavi Tehrani, S. S., Taylor, R.A., Nithyanandam, K., and Shafiei Ghazani, A.(2017). Ежегодные сравнительные характеристики и анализ затрат высокотемпературных систем хранения разумной тепловой энергии, интегрированных с концентрированной солнечной электростанцией. Солнечная энергия 153, 153–172. doi: 10.1016 / j.solener.2017.05.044

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Neises, M., Tescari, S., de Oliveira, L., Roeb, M., Sattler, C., and Wong, B. (2012). Вращающаяся печь с солнечным обогревом для термохимического хранения энергии. Солнечная энергия 86, 3040–3048. DOI: 10.1016 / j.solener.2012.07.012

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Peng, X., Root, T. W., and Maravelias, C. T. (2017). Хранение солнечной энергии с помощью химии: роль термохимического хранения в концентрации солнечной энергии. Зеленый. Chem. 19, 2427–2438. doi: 10.1039 / c7gc00023e

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Roos, P., and Haselbacher, A. (2021). Термоклинное управление с помощью систем хранения тепловой энергии с несколькими резервуарами. Заявл. Energ. 281, 115971.doi: 10.1016 / j.apenergy.2020.115971

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Schaube, F., Kohzer, A., Schütz, J., Wörner, A., and Müller-Steinhagen, H. (2013). Обезвоживание и регидратация Ca (OH) 2 в реакторе с прямой теплопередачей для термохимического хранения тепла. Часть A: экспериментальные результаты. Chem. Англ. Res. Des. 91, 856–864. doi: 10.1016 / j.cherd.2012.09.020

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Schmidt, M., Szczukowski, C., Roßkopf, C., Linder, M., и Вернер А. (2014). Экспериментальные результаты высокотемпературного термохимического реактора-накопителя мощностью 10 кВт на основе гидроксида кальция. Заявл. Therm. Англ. 62, 553–559. doi: 10.1016 / j.applthermaleng.2013.09.020

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Schrader, A. J., Schieber, G. L., Ambrosini, A., and Loutzenhiser, P. G. (2020). Экспериментальная демонстрация гранулированного реактора мощностью 5 кВт для солнечного термохимического накопления энергии с частицами манганита кальция, легированными алюминием. Заявл. Therm. Англ. 173, 115257. doi: 10.1016 / j.applthermaleng.2020.115257

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Стекли, Дж., Ирвин, Л., и Питчумани, Р. (2013). Технические проблемы и возможности для концентрации солнечной энергии с хранением тепловой энергии. Therm. Sci. Англ. Прил. 5, 021011. doi: 10.1115 / 1.4024143

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ströhle, S., Haselbacher, A., Jovanovic, Z. R., and Steinfeld, A. (2017).Модернизация накопителя явного тепла с помощью секции термохимического накопления, работающей при переменном давлении: эффективный способ активного контроля температуры на выходе теплоносителя. Заявл. Energ. 196, 51–61. doi: 10.1016 / j.apenergy.2017.03.125

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wild, M., and Steinfeld, A. (2021). Модель термохимического реактора для хранения энергии – разработка кода, проверка и экспериментальная проверка. В материалах Международного симпозиума CHT-21 по достижениям в области вычислительной теплопередачи.Рио-де-Жанейро, Бразилия, 15–19 августа.

Google Scholar

Yuan, Y., Li, Y., and Zhao, J. (2018). Разработка термохимического накопления энергии на основе материалов на основе CaO: обзор. Устойчивое развитие 10, 2660. doi: 10.3390 / su10082660

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zanganeh, G., Khanna, R., Walser, C., Pedretti, A.