Методические указания по проектированию
advertisement
Методические указания по проектированию аккумуляторов теплоты на фазовых переходах (капсульного типа) Россихин Н.А. Кафедра Э-6, «Теплофизика» 2007 1 Оглавление Часть 1. Особенности применения, конструкции и расчета АФП 1.1. Назначение и области применения аккумуляторов теплоты 1.2. Особенности физических процессов плавления затвердевания 1.3. Схемы АФП 1.4. Свойства ТАМ и требования к ним 1.5. Конструкторский расчет АТ 1.6. Расчет теплоизоляции АФП Часть 2. Поверочный теплогидравлический расчет АФП с ТАЭ капсульного типа 2.1. Исходные допущения и основные соотношения Рисунки 2 Расчет и проектирование аккумуляторов теплоты капсульного типа Методические указания В методических указаниях изложены основные цели и принципы разработки и проектирования аккумуляторов теплоты фазового перехода плавление-затвердевание (АФП). При этом основное внимание уделяется АФП с теплоаккумулирующими элементами (ТАЭ) капсульного типа. Часть 1. Особенности применения, конструкции и расчета АФП 1.1. Назначение и области применения аккумуляторов теплоты Аккумуляцией (аккумулированием) тепловой энергии или аккумуляцией теплоты называется процесс накопления тепловой энергии в период ее наибольшего поступления для последующего использования, когда в этом возникнет необходимость. Процесс накопления энергии называется зарядкой, процесс ее использования – разрядкой. Возможность аккумулирования тепловой энергии основана на использовании физического или химического процесса, связанного с поглощением и выделением теплоты. К основным из них относятся накопление-выделение внутренней энергии при нагреве-охлаждении твердых или жидких тел, фазовые переходы с поглощением-выделением скрытой теплоты, процесс сорбции-десорбции или обратимая химическая реакция, протекающая с выделениемпоглощением тепла. Отмеченные процессы реализуются в специальных устройствах аккумуляторах теплоты (АТ). АТ применяются в тех областях хозяйства, где имеет место неравномерное поступление тепловой энергии, и позволяют снижать энергозатраты за счет использования альтернативных источников энергии или повышения эффективности работы имеющегося энергетического оборудования. По типу процесса в АТ различают [1-3]: - тепловое аккумулирование энергии твердыми и жидкими телами за счет изменения температуры вещества – теплоемкостная аккумуляция; - тепловое аккумулирование энергии посредством использования теплоты фазового перехода; - термохимическое аккумулирование тепловой энергии и др. Теплоемкостная аккумуляция основана на способности веществ запасать энергию при нагревании. Вещества, используемые для накопления тепловой энергии, называются теплоаккумулирующими материалами (ТАМ). При этом количество аккумулированной энергии зависит от температуры, на которую нагревается ТАМ, и его удельной теплоемкости. Этот способ является наиболее простым и давно применяется, например, при отоплении печами, которые выполняются достаточно массивными и накапливают во время нагрева тепло, которое затем постепенно расходуется на обогрев помещения. С точки зрения величины удельной теплоемкости, т.е. способности аккумулировать теплоту в расчете на 1 кг массы, одним из самых хороших является вода. Нагретая вода также может быть использована для горячего водоснабжения. Другим способом является аккумулирование тепловой энергии, основанное на использовании обратимого процесса фазового перехода плавление-затвердевание. В этом случае в качестве ТАМ используется фазоменяющий материал (ФММ). Реализация этого способа оказывается более сложной, из-за необходимости усложнения конструкции. Однако в таких АТ, называемых аккумуляторами теплоты на фазовых переходах (АФП), на единицу объема запасается гораздо большее количество теплоты. При этом процесс зарядки и разрядки может 3 быть осуществлен в узком температурном диапазоне, что оказывается очень важным при необходимости работы АТ в условиях небольших температурных напоров. Способ термохимического аккумулирования тепловой энергии основан на использовании обратимых химических реакций. Он позволяет запасать тепловой энергии на единицу массы больше, чем в первых двух случаях, но сложен в реализации. Основным критерием тепловой эффективности АТ является удельная величина запасаемой тепловой энергии. В зависимости от назначения оборудования ее целесообразно рассматривать отнесенной к массе или объему. АТ находят применение в различных областях хозяйства. Основными сферами использования АФП являются: - энергетика, в том числе альтернативная: солнечная энергетика, использование на теплоэлектростанциях в качестве резервных накопителей теплоты; - строительство: в системах отопления и охлаждения воздуха, для улучшения тепловой эффективности стеновых панелей; - в системах утилизации сбросового тепла и др. Ниже вкратце перечислен ряд приложений АФП. Стеновые панели с использованием ФММ. Как правило, это смесь бетона с парафином или с включенными в него небольшими капсулами, содержащими ФММ (рис. 1.1). Панели с ФММ используются в качестве ограждающих конструкций здания и поглощают излишнее тепло в дневное время, отдавая его в ночное, когда отсутствует поступление солнечной радиации. Эффективность их использования так же связана с тем, что в них сочетаются свойства тепловой защиты, термостабилизатора и собственно АТ. При этом конструкция системы аккумулирования оказывается предельно простой. В сельском хозяйстве АФП используются для обогрева теплиц в ночное время с использованием тепла накопленного в светлое время суток (рис. 1.2). На схеме видно, что при размещении ТАМ в теплице, его нагрев осуществляется прямым солнечным излучением (рис. 1.2 а). При другой компоновке (рис. 1.2 б) АФП расположен под теплицей, и необходимо использовать вентилятор для обеспечения теплообмена между ТАМ и воздухом в теплице. Для использования в странах с жарким климатом разработаны кухонные плиты на солнечной энергии. Они представляют собой конструкцию, состоящую из собственно кухонной плиты, солнечного коллектора и АФП, необходимого для накопления тепловой энергии в светлое время суток. Между коллектором и плитой с АФП циркулирует жидкий теплоноситель, обеспечивающий подвод теплоты для нагрева. Применение АФП в системе вентиляции для сглаживания перепадов температур в дневное и ночное время. На рис. 1.3 показан АФП, выполненный в виде засыпки шарообразных ТАЭ в воздуховоде вентиляционной системы. При этом воздух поступает из солнечного коллектора, встроенного в кровлю здания. В дневное время происходит зарядка аккумулятора и охлаждение поступающего воздуха, а ночью его нагрев и, соответственно, разрядка АФП. Резкие перепады между дневными и ночными температурами особенно характерны для климата пустынь и полупустынь. Применение АФП для зарядки путем электронагрева в ночное время и использование теплоты в дневное в случае, если в ночное время электроэнергия отпускается по более низкому тарифу. 4 Применение АФП для облегчения пуска двигателя и обогрева салона автомобиля в холодное время. Теплота, запасается во время работы двигателя и может храниться в течение нескольких дней. Для этого АФП помещается в сосуд Дьюара (термос), обеспечивающий наилучшую теплоизоляцию (рис. 1.4). Известен также ряд других приложений АФП. Следует отметить, что имеется обширная область применения ФММ, связанная с разработкой средств теплозащиты и термостабилизации. Это объясняется тем, что ФММ, обладая хорошими теплоаккумулирующими свойствами, способны поддерживать температуру камеры в заданном узком диапазоне. По принципу работы такое устройство не отличается от АФП. Различие состоит в целях и требованиях, предъявляемых к ТАМ. Например, если для теплозащиты используется слой ФММ, то низкий коэффициент теплопроводности играет положительную роль, тогда как в АФП – наоборот. Перечислим основные из этих направлений: - системы теплозащиты; - системы термостабилизации; - хранение продуктов питания и медицинских тканей Цели при создании АФП и устройств теплозащиты и термостабилизации являются противоположными – в первом случае энергия аккумулируется для дальнейшего использования, во втором – для сброса в окружающую среду при наступлении более благоприятных условий. В системах теплозащиты ФММ используются для защиты электронной аппаратуры от тепловых воздействий или перегрузок сети, разработана система теплозащиты искусственного спутника в виде оболочки из ФММ. При облете земли он периодически оказывается то на освещенной стороне, то на затененной. Во время действия солнечной радиации ФММ плавится, забирая тепловую энергию, в результате чего не происходит чрезмерного разогрева приборного отсека. Ряд проектов связан с использованием ФММ в спецодежде для индивидуальной защиты человека от неблагоприятных внешних воздействий. Например, разработана аварийная система обогрева водолаза, которая защищает организм от переохлаждения при аварийном отключении электрообогрева. Важным направлением является применение ФММ для хранения пищевых продуктов и медицинских тканей и органов. Для этих целей разрабатываются различные типы контейнеров, подбираются вещества, подходящие для того или иного приложения. В последнее время появилось принципиально новое направление в применении ФММ создание жидких фазоменяющих суспензий, состоящих из микрокапсул с ТАЭ, взвешенных в жидкости. Такие суспензии могут аккумулировать теплоту за счет фазового перехода и одновременно являются теплоносителями с особыми свойствами. Из-за основных достоинств – большого количества запасаемой теплоты и способности к термостабилизации, при относительной простоте конструкции, АФП и ФММ находят все новые применения. Применение АФП (и ФММ) разного назначения связано с определенным температурным диапазоном. По интервалу рабочих температур их можно разделить на 4 группы (ТАБЛИЦА 1.1). 5 Класс АФП Диапазон рабочих температур АФП для производства холода Низкотемпературные АФП Т < 20 оС 20 оС ≤Т< 200 оС ТАБЛИЦА 1.1 СреднетемпеВысокотемратурные АФП пературные АФП 200 оС ≤ Т< 500 оС 500 оС < Т Поскольку рабочие температуры АФП связаны с ТАМ, то они также подразделяются на ТАМ для производства холода, низкотемпературные ТАМ и т.д. Наиболее широкое применение нашли низкотемпературные АФП, использование которых связано с системами жизнеобеспечения человека, экологически чистыми способами производства энергии и оптимизацией потребления энергии. Использование АФП для производства холода связано с необходимостью хранения пищевых продуктов и медицинских тканей, в том числе в условиях транспортировки. Средне- и высокотемпературные АФП пока не нашли широкого применения в промышленности. Применение среднетемпературных АФП связано в основном с энергетическими установками и системами утилизации тепла. В связи с высокотемпературными АФП известны разработки по их применению в металлургии и энергетике. Кроме этого АФП классифицируются по временному фактору их использования, они бывают краткосрочного (суточные) (АФП) и долгосрочного действия. Время цикла работы АТ краткосрочного действия не превышает продолжительности суток. В АТ долгосрочного действия продолжительность процесса зарядки и разрядки может достигать годового периода. Конструктивное различие между первыми и вторыми сказывается в первую очередь на их размерах, что связано с необходимостью аккумулирования разного количества теплоты. Кроме того, АТ долгосрочного действия необходимо хорошо теплоизолировать из-за необходимости длительного хранения запасенной теплоты. 1.2. Особенности физических процессов плавления и затвердевания Для расчета и конструирования АФП необходимо знать особенности поведения систем, в которых осуществляется фазовый переход из твердой фазы в жидкую и обратно. Такие процессы описываются задачами стефановского типа [4-6]. Основной их особенностью является наличие поверхности фазового перехода, разделяющей жидкую и твердую фазу (рис. 1.5). В зависимости от того, переходит твердая фаза в жидкую или наоборот, процесс протекает с поглощением или выделением тепла. Эта теплота называется скрытой теплотой фазового перехода. Она затрачивается на разрушение кристаллической решетки при плавлении и выделяется при кристаллизации. Удельная (на кг веса) теплота фазового перехода для данного вещества является величиной постоянной: Qф = Qф / m (1.1) Qф – скрытая теплота фазового перехода; m – масса. Если процесс осуществляется при постоянном давлении, то Qф постоянна и равна энтальпии фазового перехода ΔHф . Кроме того у неорганических веществ температура Тф , при которой происходит фазовый переход, также является постоянной. Тф называется температурой 6 фазового перехода. Величины ΔHф и Тф для различных веществ можно найти в химических справочниках или справочниках физических величин. На основе теплового баланса для поверхности раздела фаз может быть выведено условие Стефана [7]: ρтв Qр ⋅ ∂sn/∂τ = λж ∂T/∂n⏐n→ +0 - λтв ∂T/∂n⏐n→ -0 . (1.2) sn – перемещение границы раздела фаз в направлении нормали; τ - время. Соотношение (1.2) позволяет рассчитывать перемещение границы фазового перехода по температурным полям в жидкой и твердой фазах. В то же время само перемещение межфазной поверхности влияет на температурные поля. Поэтому такие задачи включают уравнения теплообмена в фазах, условия на внешних границах и поверхности раздела фаз. Кроме условия (1.2) в подавляющем большинстве задач стефановского типа используется условие постоянства температуры на межфазной границе (p = const): T = Тф =const . (1.3) В смесях и ряде органических веществ фазовый переход протекает в фиксированном для данного вещества интервале температур. В этом случае вместо условия Стефана (1.2) и соотношения (1.3) используется температурная зависимость удельной теплоемкости, которая в области фазового перехода имеет один или несколько пиков (рис. 1.6): с = с(T) . (1.4) Условие (1.4) нужно использовать при расчете процессов теплообмена в органических веществах – алифатических углеводородах, восках, а также в смесях, например, парафинах. Соотношения (1.1) - (1.4) относятся к области фазового перехода, которая при выполнении условия (1.3) представляет собой поверхность, а при условии (1.4) – слой. При использовании условия (1.4) задача решается как однофазная. Задачи стефановского типа отличаются друг от друга учетом в уравнениях тех или иных физических эффектов в области фазового перехода, жидкой или твердой фазах. Например, в классической задаче Стефана предполагается отсутствие конвекции в жидкой фазе и протекание фазового перехода при T = const. Теплообмен при этом рассчитывается с использованием уравнения теплопроводности. Во многих случаях эти допущения приводят к неверным результатам. Протекание процессов затвердевания может существенно отличаться от процессов плавления из-за возможности возникновения в них физических эффектов, отсутствующих при плавлении. При достаточно интенсивном охлаждении может начаться так называемая объемная кристаллизация [8], когда затвердевание происходит во всем объеме вещества. Поскольку в АФП процессы протекают достаточно медленно и являются равновесными, объемной кристаллизации в них не происходит. Другой особенностью, не имеющей места при плавлении, является эффект переохлаждения жидкости, заключающийся в том, что у многих веществ, в частности у воды, кристаллизация может начаться при температуре намного меньшей температуры фазового перехода. Это бывает связано с отсутствием достаточного количества центров кристаллизации. Для АФП этот эффект чрезвычайно вреден, поскольку в этом случае не обеспечивается условия постоянства рабочей температуры. Чтобы его избежать разрабатываются специальные меры, связанные с созданием в начальный момент центров кристаллизации или выбором для теплоаккумулирования веществ, у которых эффект переохлаждения отсутствует, таких, например, как парафины. 7 Задачи стефановского типа могут отличаться друг от друга наличием еще ряда физических эффектов. Одним из важнейших с точки зрения проектирования АФП является изменение плотности при фазовом переходе: ρтв ≠ ρж Это условие характерно для органических веществ. Например, у парафинов плотность твердой фазы почти на 10 % больше, чем жидкой. В силу того, что в процессах, характерных для АФП, граница перемещается медленно, изменение объема на границе раздела фаз оказывает слабое влияние на скорость жидкости около нее. Однако в результате изменения объема системы жидкость + твердая фаза происходит постепенное изменение положения ее внешних границ, что при достаточной длительности процесса скажется на конфигурации области, занимаемой ФММ. Во многих задачах стефановского типа нельзя пренебречь свободной конвекцией в жидкой фазе, из-за которой интенсивность теплообмена между поверхностью раздела фаз и оболочкой многократно увеличивается. При этом процесс плавления может протекать в условиях закрепленной твердой фазы или находящейся в свободном состоянии. В последнем случае у большинства веществ твердая фаза тонет под действием силы тяжести, исключение составляет вода. Соответственно рассматривается конвекция с закрепленной или незакрепленной твердой фазой. В таких задачах теплоперенос в жидкой фазе описывается системой уравнений конвективного теплообмена. Перечисленные в этом п. основные физические свойства ТАМ (ФММ) в той или иной степени должны учитываться при проектировании АФП. Подробнее см. [4-8]. 1.3. Типы АФП и рекомендации по конструированию АФП капсульного типа (Схемы АФП) Разработка конструкции АФП должна производиться с учетом условий его работы и компоновки в системе, для которой он предназначается. Основой любого АФП является ТАМ, однако из-за различия способов подвода тепла к ТАМ конструкции их могут сильно отличаться друг от друга. Наибольшее распространение получили АФП с промежуточным теплоносителем, который представляет собой газ или жидкость, осуществляющие перенос теплоты от источника к АФП при его зарядке и от АФП к потребителю при разрядке. В ряде случаев промежуточный теплоноситель не требуется, как, например, при использовании в теплице по схеме рис. 1.2 а. В то же время попытки отказаться от промежуточного теплоносителя могут приводить к усложнению конструкции. В этом отношении можно отметить следующие типы АФП [3]: - со скребковым удалением ТАМ; - с ультразвуковым удалением ТАМ; - с прямым контактом и прокачкой ТАМ. В некоторых случаях АФП этих типов могут иметь преимущество перед АФП с промежуточным теплоносителем. Однако следует отметить, что одним из основных достоинств АФП является относительная простота их конструкции, поэтому желательно обходиться без дополнительных агрегатов и избегать использования подвижных частей. Рассмотрим более подробно АФП с промежуточным теплоносителем. Основными типами таких АФП являются кожухотрубный (рис. 1.7 а) и.капсульный (рис. 1.7 б). Они состоят из корпуса 1, заполненного ТАМ 2. Подвод или отвод теплоты в АФП производится посредством теплоносителя 3, протекающего через него. В первом случае, теплоноситель протекает по вертикально или горизонтально ориентированным трубкам, через стенки 8 которых происходит теплообмен между теплоносителем и ТАМ. В другом случае теплоноситель проходит между капсулами с ТАМ, расположенными в корпусе АФП (рис. 1.7 б). Использование таких конструкций АФП преследуют цель улучшения теплообмена между теплоносителем и ТАМ, при этом улучшение теплопередачи достигается увеличением числа труб внутри ТАМ (рис. 1.7 а) и уменьшением размеров капсул с соответствующим увеличением их количества (рис. 1.7 б), что, однако, приводит к удорожанию изделия. Иногда такие меры бывают крайне необходимыми, поскольку ряд ТАМ, пригодных для тепловой аккумуляции, имеет низкий коэффициент теплопроводности. В представленных конструкциях на рис. 1.7 теплоноситель и ТАМ разделены непроницаемой стенкой. В результате этого не происходит засорения ТАМ примесями теплоносителя. В то же время используются АФП и с прямым контактом теплоносителя с ТАМ. Преимуществом в данном случае является снижение материалоемкости конструкции. На рис. 1.8 показан АФП рулонного типа. В этой конструкции ТАМ располагается между двумя медными листами, свернутыми в спираль. В свободном пространстве конструкции перемещается теплоноситель. В этом случае конструкция сочетает в себе признаки кожухотрубного и капсульного АФП. При рассмотрении АФП с промежуточным теплоносителем используется понятие теплоаккумулирующего элемента (ТАЭ). ТАЭ называется отдельная часть конструкции с ТАМ, находящаяся в тепловом контакте с теплоносителем. В капсульных АФП ТАЭ являются капсулы, заполненные ТАМ. В кожухотрубном – это часть ТАМ, окружающая трубку с проходящим по ней теплоносителем. Такие ТАЭ можно также назвать ячейками, поскольку они представляют собой призмы, контактирующие между собой боковыми гранями (рис. 1.7 а). Разбиение АФП на ТАЭ удобно для описания процессов теплообмена в ТАМ при построении расчетной методики. Далее будут рассматриваться только АФП капсульного типа, основным достоинством которых является простота конструкции и возможность гибкого выбора компоновочных решений, поскольку капсулами с ТАМ могут заполняться контейнеры произвольной формы. Как уже отмечалось, АФП капсульного типа представляет собой емкость, заполненную ТАЭ, представляющими собой сферические, цилиндрические или другой формы капсулы с ТАМ. Оболочка капсул может быть жесткой или мягкой, например, выполненной из полиэтилена или фольги. При этом жесткую капсулу можно сделать герметичной или сообщающейся с атмосферой через отверстие в верхней части, что не скажется на ее функциональной пригодности. Кроме того, форма, а также способы компоновки и закрепления капсул могут быть произвольными. Их можно, например, размещать в сетчатых контейнерах, которые располагаются внутри АФП (рис. 1.7 б). Также можно сетками, прикрепленными к стенкам корпуса АФП, разделить пространство вдоль по потоку теплоносителя и уложить там капсулы, можно их скрепить, в частности, склеить, между собой и т.д. Окончательное решение этого вопроса осуществляется конструктором с ориентацией на достижение надежности, простоты и низкой стоимости конструкции. Сами капсулы могут быть изготовлены различными способами. Можно, например, использовать технологию изготовления шариков для пинг-понга. Можно делать капсулы склеенными из частей. При выборе типа и способа крепления ТАЭ (капсул) нужно также следить за тем, чтобы между ними было достаточно свободного пространства для прохождения теплоносителя. Это необходимо для обеспечения между капсулами и теплоносителем теплообмена нужной интенсивности. На интенсивность теплообмена также влияют размер ТАЭ и скорость движения теплоносителя (ТАБЛИЦА 1.2). 9 ТАБЛИЦА 1.2 Параметр Скорость Размеры ТАЭ Малая величина Большая величина 1. Уменьшение гидравлического сопротивления (гидравлических потерь) в АФП 1. Увеличение гидравлического сопротивления (гидравлических потерь) в АФП 2. Уменьшение коэффициента теплоотдачи между поверхностью капсул и теплоносителем 2. Увеличение коэффициента теплоотдачи между поверхностью капсул и теплоносителем 3. Увеличение площади поперечного сечения АФП 3. Уменьшение площади поперечного сечения АФП 1. Увеличение интенсивности теплосъема с поверхности ТАЭ 1. Уменьшение интенсивности теплосъема с поверхности ТАЭ 2. Удорожание АФП 2. Удешевление АФП При проведении теплогидравлического расчета для получения требуемых характеристик АФП нужно варьировать размерами капсул и скоростью. При этом предпочтительнее, чтобы скорость потока теплоносителя в АФП была небольшой порядка 1 – 3 м/с. При варьировании размерами ТАЭ нужно оставить их по возможности большей величины, поскольку АФП с капсулами большего размера будет при прочих равных условиях проще в изготовлении и, как следствие, дешевле. Для уменьшения гидравлических потерь необходимо проточную часть делать без уступов и резких перепадов площади поперечного сечения. Поток теплоносителя в АФП должен быть организован таким образом, чтобы он по возможности равномерно распределялся в емкости с ТАЭ. Это необходимо для более равномерного теплосъема во всем объеме. В связи с этим важно, чтобы ТАЭ заполняли всю проточную часть равномерно, и не было больших полостей, не заполненных ТАЭ. В противном случае часть потока теплоносителя будет проходить через эти пустоты и теплопередача снизится. Поскольку АФП представляет собой достаточно большую емкость, то стыковка с остальной частью гидравлического тракта системы производится через переходные каналы – диффузор и конфузор. Они могут быть круглого, квадратного или прямоугольного сечения и выполняться из листового металла с использованием сварки. К корпусу АФП они могут быть приварены или присоединены болтами при помощи фланцевого соединения. Корпус АФП цилиндрической формы может быть изготовлен из стандартной трубы достаточно большого диаметра. Также для изготовления корпуса можно использовать листовой металл. Следует отметить, что корпус АФП должен быть герметичным. Это предполагает повышенное внимание к качеству сварных швов. В разъемных соединениях нужно обязательно использовать прокладки. В ряде случаев применения АФП может возникнуть необходимость использования теплоизоляции. Для разработки хорошей конструкции, в процессе проектирования следует обращать внимание на ряд моментов. 10 1. Необходимо следить за тем, чтобы конструкция изделия предполагала возможность сборки и разборки. 2. Технология изготовления изделия должна быть сориентирована на минимум затрат с использованием по возможности дешевых и доступных материалов. Т.о. может быть обеспечена низкая стоимость изделия. 3. Нужно стремиться к изготовлению наиболее легкой конструкции, что обеспечит экономию материала. Поэтому предпочтительнее будет конструкция корпуса АФП, выполненная из труб и листового проката, соединенных между при помощи электродуговой сварки и болтовыми соединениями. 1.4. Свойства ТАМ и требования к ним Одним из важных этапов проектировании АФП является выбор ТАМ. От удачного решения этого вопроса зависит его стоимость и надежность работы. При разработке АФП необходимо руководствоваться следующими основными требованиями к ТАМ: а) температура фазового перехода должна быть увязана с рабочими параметрами теплоносителя в режимах зарядки и разрядки, такими, например, как температура на входе, расход, теплоемкость и т.д.; б) ТАМ должен иметь возможно более высокое значение удельной энтальпии фазового перехода; в) а также иметь низкий коэффициент объемного расширения и по возможности меньшую разницу плотностей жидкой и твердой фаз; г) ТАМ должен быть химически совместимым с конструкционными материалами; д) иметь стабильность состава и теплофизических свойств при эксплуатации АФП в условиях термоциклирования; е) должен быть доступным и низкая стоимость; ж) кроме того, в выбранном ТАМ должен отсутствовать или мало проявлять себя эффект переохлаждения при затвердевании. В противном случае нужно предусматривать меры по снижению эффекта переохлаждения. Для АФП различного назначения в качестве ТАМ применяются вещества разных классов. В высоко- и среднетемпературных АФП могут использоваться металлы и соли, которые обладают достаточно высокой температурой плавления. В то же время необходимо следить за тем, чтобы из-за воздействия ТАМ не происходило разрушения конструкции. Из металлов могут применяться, например, алюминий, олово и др. Следует отметить один недостаток алюминия: в жидком состоянии он растворяет железо, поэтому не должен контактировать со сталью. Из солей можно использовать NaCl , NaBO2 , MgCl2 , KF. Cоли фтора NaF, MgF, LiF имеют большую удельную энтальпию фазового перехода - ΔНф ∼ 103 кДж/кг, что является очень положительным моментом для использования их в АФП. Температуры плавления у них лежат в пределах от 900 оС до 1100 оС. В качестве ТАМ для среднетемпературных АФП могут применяться, например, NaNO3, ZnCl2, B2O3 или легкоплавкие металлы и сплавы. ТАМ, применяемые в низкотемпературных АФП относятся в основном к двум классам веществ, это - кристаллогидраты солей и органические вещества, в первую очередь парафины. Однако существенным недостатком кристаллогидратов является нестабильность свойств в процессе плавления-затвердевания и склонность к химическим превращениям. B 11 В настоящее время наиболее пригодными для низкотемпературных АФП считаются парафины, представляющие собой смесь алифатических углеводородов ряда Cn H2n+2 , также называемые предельными углеводородами. Может применяться другая органика, например, эффективным оказывается применение восков или других органических материалов с близкими свойствами: Достоинства парафинов: Физические свойства - большая теплота фазового перехода; - отсутствие эффекта переохлаждения; - низкий коэффициент вязкости; - парафин в жидком состоянии – неполярная жидкость и поэтому не смешивается с полярными, такими как вода и спирт. Это важно при использовании их в качестве теплоносителей в при прямом контакте с ТАМ; - низкая электропроводность, из-за которой их относят к хорошим электроизоляторам; Химические свойства - химически инертны по отношению к почти всем материалам; - парафины долговечны и стабильны при циклическом изменении агрегатного состояния; - парафины воспламеняемы, однако температура воспламенения у них намного выше 250оС; - стабильность при нагреве примерно до 250оС; - парафины не кипят, т.о. нет опасности возникновения высокого давления пара даже при высоких рабочих температурах Экологически безопасные материалы - экологически безвредные продукты, которые не оказывают неблагоприятного воздействия на поля, животных и микроорганизмы. Они классифицируются как нулевой уровень вреда воде и 100% регенерируемые; - не токсичны и не вредны для здоровья; - очищенные парафины используются в качестве материалов контактирующих с продуктами. По сравнению с кристаллогидратами они обладают меньшей удельной теплотой плавления, но являются устойчивыми по отношению к термоциклированию и химически инертны. Вязкость жидкой фазы низкая, что приводит к более интенсивной конвекции в жидкой фазе, следовательно, к более интенсивному теплообмену при плавлении. Т.к. парафины химически инертны по отношению к почти всем материалам, то они являются коррозионноустойчивыми. В автомобилестроении используются для консервации. В процессе работы АФП в них не происходит химических реакций, поэтому тепловая мощность АФП остается на высоком уровне в течение всего срока службы. Плотность термических парафинов в жидком состоянии колеблется от 750 до 850 кг/м3 и в твердом от 800 до 900 кг/м3. Перечисленные свойства парафина делают его идеальным материалом для различных приложений, связанных с низкотемпературной аккумуляцией теплоты. Однако, у парафинов, как и у многих органических ТАМ, имеется один существенный недостаток – низкий коэффициент теплопроводности. К недостаткам парафинов как ТАМ относятся: – низкий коэффициент теплопроводности (примерно 0,15 Вт/(м К)). Это приводит к усложнению и удорожанию парафиновых АФП; 12 - изменение плотности при фазовом переходе также играет отрицательную роль, поскольку приводит к необходимости компенсации изменения объема, например, обеспечению полостей в ТАЭ или др. способов; - низкая теплопередающая способность приводит к усложнению конструкции, поскольку возникает необходимость предусмотреть меры по улучшению теплообмена между ТАМ и теплоносителем. Еще одно качество парафинов, делающих их привлекательными для целей тепловой аккумуляции, это наличие ряда предельных углеводородов, смесью которых они являются. С увеличением длины цепочки атомов углерода температура фазового перехода увеличивается, при этом теплота фазового перехода у всех веществ ряда остается примерно. Данные о теплофизических свойствах веществ можно найти в справочной литературе: [9,10]. В качестве теплоносителя в АФП может использоваться вода, воздух или другие жидкости и газы, в зависимости от его назначения. Требования к ним такие же, как для теплоносителей в теплообменных аппаратах [11]. 1.5. Конструкторский расчет АТ После выбора и уточнения схемы теплоаккумуляционной установки необходимо провести расчеты, которые позволят определить ее размеры и функциональную пригодность. Для этого проводится конструкторский расчет. На этой стадии определяется максимально необходимая запасаемая теплота, производится выбор ТАМ, рассчитывается объем АФП и выбираются его габаритные размеры. Далее для расчета интенсивности теплообмена между ТАЭ и теплоносителем используется поверочная методика (часть 2), позволяющая для выбранных размеров АФП и ТАЭ, заданной температуре на входе, известных теплофизичсеких свойствах теплоносителя и ТАМ рассчитать теплообмен между теплоносителем и ТАМ, температуру на выходе из АФП Рассмотрим конструкторский расчет подробнее. 1) По условиям работы АТ определяется количество поступающей и необходимой потребителю теплоты Величина поступающей теплоты рассчитывается с использованием специфической методики для источника теплоты конкретного типа. Соответственно, подход оказывается различным при использовании солнечной энергии, сбросного тепла, создания запасов теплоты для покрытия пиковых нагрузок и пр. В аккумуляторах холода – полезным является запасание холода. Нужно отметить, что не всегда количества поступающего тепла достаточно для покрытия нужд потребителя. В этом случае недостающая часть берется из другого источника, в том числе с использованием другого оборудования. 2) Выбор ТАМ Из веществ, пригодных для теплоаккумуляции, выбирается то, которое имеет температуру фазового перехода близкую к рабочей. Без выполнения этого условия невозможно обеспечить требуемые параметры АФП. Среди веществ, удовлетворяющих этому условию, выбирается то, которое наиболее полно отвечает требованиям к ТАМ для АФП (см. п. 1.4). При этом нужно отдавать предпочтение веществам, обеспечивающим наибольшую надежность функционирования АФП, даже в ущерб другим качествам, в том числе теплоаккумуляционной способности, выражающейся величиной удельной энтальпии. С этой точки зрения вещество должно в первую очередь обладать устойчивостью физико-химических свойств к 13 термоциклированию, быть коррозионноустойчивым и устойчивым к переохлаждению при кристаллизации. 3) Определение необходимого количества ТАМ Размеры АФП определяются максимально необходимым запасом тепловой энергии. Требуемый запас выбирается исходя из принятой стратегии конструирования – обеспечения надежности, возможности компенсации непредвиденных перебоев в поступления энергии, наличия или планирования резервных источников, ограничения по стоимости и т.д. и связан с особенностями конкретного проекта. Учет всех факторов даст возможность выбрать приемлемый коэффициент запаса по тепловой энергии. Выбор слишком большого запаса приведет к ухудшению стоимостных показателей. С учетом этого количество ТАМ в АФП находится по формуле: m = kQ ⋅ QЗ / Qф . (1.5) Для теплоемкостного АТ количество ТАМ определяется по формуле: m = kQ ⋅ QЗ / (cр ρ ⎜ΔT ⎜) . (1.6) ΔT – повышение температуры ТАМ при зарядке. Для обеспечения теплопередачи в АФП необходимо создать перепад температур между теплоносителем и поверхностью фазового перехода. Эта величина может быть незначительной, однако это делает АФП не совсем изотермическим. Кроме того, в ряде случаев после завершения фазового перехода АФП, он работает в режиме теплоемкостного АТ, что приводит к некоторому увеличению запасенной теплоты. Однако во многих случаях эта добавка вносит не очень существенный вклад, хотя при необходимости она может быть учтена в тепловом балансе. Величина коэффициента kQ запаса выбирается из условий нерегулярности и неравномерности поступления теплоты с учетом целевого назначения АТ. В ряде случаев его величина должна быть весьма большой, что отразится на стоимостных показателях АФП. 4) Определение размеров АФП По общему объему ТАЭ (равен объему ТАМ с учетом объема оболочки и компенсационной полости ТАЭ) с учетом пространства между ними определяется объем рабочей части АФП. Исходя из особенностей размещения АФП, выбираются размеры его рабочей части и размеры подводного и отводного патрубка (диффузора и конфузора). Площадь поперечного сечения аккумулятора должна выбираться в сторону увеличения для уменьшения скорости и, соответственно, снижения гидродинамических потерь. 5) Обеспечение достаточной интенсивности теплообмена АФП как при зарядке, так и при разрядке. Далее выбираются недостающие параметры: диаметр ТАЭ и другие параметры как, например, расход теплоносителя, если он не известен по условиям задания, и проводится теплогидравлический расчет АФП с использованием поверочной методики. Поверочная методика строится на основе уравнения теплового баланса с использованием критериальных зависимостей теплообмена и гидродинамики теплоносителя. 14 Далее: - если температура на выходе из АФП не попадает в заданный интервал, то необходимо выбрать ТАЭ меньшего диаметра и провести расчет снова; - если температура за АФП удовлетворяет заданным условиям, то нужно, провести вариантные расчеты и определить максимально возможный диаметр ТАЭ; - в случае невозможности обеспечения требуемой температуры на выходе, вернуться к п. 4) и изменить размеры АФП или даже к п. 1) с выбором другого ТАМ Также может быть проведены вариантные расчеты и выбор другого ТАМ и размеров АФП с целью обеспечения гидродинамических потерь ниже заданного уровня. Такой подход позволит провести частичную оптимизацию АФП – уменьшение стоимости ТАЭ и снижение гидродинамических потерь. ПРИМЕЧАНИЕ. Материал этого параграфа - пп. 1)-5), относится как к АФП, так и к теплоемкостным (термочувствительным) аккумуляторам. При использовании АФП в конкретных системах имеют место свои особенности расчета, которые выражаются в использовании тех или иных заданных параметров. 1.6. Выбор и расчет теплоизоляции АФП Применение теплоизоляции и ее расчет необходимы в ряде случаев, когда заряженный АФП в отдельные периоды времени находится в условиях пониженной температуры. Это приводит к теплопотерям, которые могут достигать значительных величин. Следует отметить, что во время работы АФП в периоды, когда внешняя температура превышает его рабочую, происходит дополнительный теплоприток, величину которого определять не обязательно, считая, что это приводит к некоторому запасу по обеспечению параметров АФП. Следует отметить, что теплоизолировать нужно не только корпус АФП, но и ту часть тракта теплоносителя, которая находится в области с пониженной температурой tх . Расчет потерь через теплоизоляцию осуществляется по формуле (рис. 1.9 ): k = 1 / RК , (1.7) где термическое сопротивление теплоизолированного тракта равно: RК = 1/λМ + 1/λТ + 1/αf + 1/αо . (1.7*) Здесь λМ - коэффициент теплопроводности корпуса АФП и отводного канала; λТ - коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала; αо - коэффициент теплоотдачи со стороны окружающего воздуха; αf – средний коэффициент теплоотдачи внутри тракта между теплоносителем и корпусом АФП и теплоносителем и внутренней стенкой отводного канала. Qпот = 86400 k AК (Тф – То) τраз , (1.8) Где AК , м2 – площадь поверхности теплоизолированной части тракта и корпуса АФП; τраз , сутки – время разрядки АФП. 15 Qпот , Дж – величина тепловых потерь. Коэффициент теплоотдачи αfК в формуле (1.7*) определяется по критериальным уравнениям естественной конвекции для корпуса выбранной конфигурации и ориентации в пространстве. Если в помещении, где располагается АФП, может возникать принудительное движение воздуха (естественные сквозняки и пр.), то коэффициент теплоотдачи αfК увеличивается на неопределенную величину. В этом случае его можно считать равным ∞, т.е. задавать на внешней поверхности теплоизоляции температуру окружающей среды, что обеспечит запас по толщине теплоизоляции. Такое же условие можно использовать внутри корпуса АФП и тракте теплоносителя, поскольку коэффициент теплоотдачи в этом случае обычно достаточно большой, что тоже приведет к увеличению запаса. Общие теплопотери оцениваются за период τх использования АФП в условиях холода. Эта величина не должна превышать 10 -20 % от максимально запасаемой теплоты: ηиз = Qпот / QЗ . (1.9) Соответственно, на величину теряемой теплоты Qпот должна быть увеличена масса ТАМ. Более точно процент потерь может быть оценен в результате стоимостного анализа затрат на АФП + теплоизоляция. Краткие указания по выбору теплоизоляционных материалов В настоящее время имеется в продаже и продолжает разрабатываться большое число теплоизоляционных материалов для строительства и других нужд. К ним относятся органическая вата, сыпучие, вспенивающиеся материалы (различные марки пенополиуретанов). Выбирать теплоизоляционный материал нужно, исходя из условия обеспечения необходимого уровня потерь и его стоимости. Предпочтение следует отдавать более дешевым материалам. Например, пенополиуретаны являются очень хорошими материалами, позволяющими создать теплоизоляционный слой нужной толщины и качества и обеспечить его герметичность. Однако они дороги и их лучше применять в сочетании с другими, более дешевыми, теплоизоляционными материалами. В Интернете можно найти большой объем сведений по теплоизоляционным материалам, их теплоизоляционным свойствам и стоимости. 16 Часть 2. Поверочный теплогидравлический расчет АФП с ТАЭ капсульного типа 2.1. Исходные допущения и основные соотношения для теплового расчета АФП Поверочный расчет проводится после выбора основных размеров и рабочих параметров устройства для их уточнения. В случае удовлетворения полученных величин проектному заданию теплогидравлический расчет заканчивается, и пригодность конструкции исследуется по другим критериям – прочностным, стоимостным и пр. Для этого проводятся соответствующие расчеты, разрабатывается технология сборки и изготовления отдельных деталей конструкции. Если же в результате поверочного расчета оказывается, что некоторые параметры не удовлетворяют требованиям технического задания, то конструкторский расчет необходимо повторить заново, изменив некоторые из выбранных параметров. В первую очередь к ним относятся скорость движения теплоносителя и размеры ТАЭ. Предлагаемая здесь методика предназначена для поверочного расчета АФП капсульного типа с ТАЭ сферической формы и является видоизменением методики, приведенной в [12]. На рис. 2.1 приведена схема такого АФП, представляющего собой емкость, заполненную ТАЭ, между которыми движется теплоноситель. Каждый ТАЭ представляет собой оболочку сферической формы, в которую залит ТАМ. В расплавленном виде ТАМ заполняет весь или почти весь объем внутренней полости ТАЭ, а в твердом – его часть, меньшую на величину усадки. Процессы течения теплоносителя через засыпку ТАЭ и теплообмена между ними могут рассматриваться с использованием модели пористого тела. В этом случае материал рассматривается как сплошная среда, внутренняя структура которой описывается усредненными характеристиками, такими как пористость и т.д. Пористостью (порозностью) называется отношение объема пространства между ТАЭ к объему, который они заполняют: ε = ΔVf / V . (2.1) Будем также использовать величину, являющуюся отношением поверхности теплообмена всех ТАЭ к их объему, который они заполняют. Она также является характеристикой структуры пористого тела: ϕV = Af / VАФП (2.2) Расчет АФП основан на использовании соотношений для теплового потока от теплоносителя к ТАМ, находящемуся в капсулах. R = Rf + Rw + Rф , (2.3) где Rf - термическое сопротивление между потоком теплоносителя и внешней поверхностью капсулы ТАЭ; Rw - термическое сопротивление оболочки ТАЭ; Rф - термическое сопротивление между внутренней поверхностью оболочки ТАЭ и поверхностью фазового перехода. Термическое сопротивление для потока теплоносителя рассчитывается по формуле [12]: 17 − 0.575 St := 2.06 ⋅ReD ε ⋅Pr 2 3 (2.4) wf ⋅D ReD := νf Pr := (2.5) ν f ⋅cpf ⋅ρ f λf (2.6) При этом Nuf := St ⋅ReD⋅Pr (2.7) Откуда: α f := Nuf ⋅λ f D 1 Rf := αf (2.8) (2.9) Здесь пористая среда образуется шаровыми капсулами, заполняющими емкость АФП. Соотношение (2.4) выполняется при 0,3 < ε < 0,5 . Термическое сопротивление сферической оболочки равно [13]: 2 D ⎡1 ⎛ 1 1 ⎞⎤ Rw := ⋅⎢ ⎜ − ⎟⎥ 4 λ c ⎝ Dc D ⎠ ⎣ ⎦ (2.10) В некоторых случаях его можно принять равным нулю. В режиме зарядки АФП термическим сопротивлением прослойки расплава ТАМ можно пренебречь в виду интенсивного процесса естественной конвекции и контакта нижней части твердой фазы с дном капсулы: Rф = 0 . (2.11) Режим разрядки АФП. В режимах, реализуемых в АФП, перемещение поверхности раздела фаз оказывается достаточно медленным, поэтому температурные поля можно считать стационарными, это означает, что режим фазового перехода является квазистационарным [6]. В этом случае для поверхностей раздела фаз сферической формы получается: 18 Rф = D2 4 ⎡1 ⋅⎢ ⎢⎣ л тв ⎛ 1 1 ⎞⎟⎤ ⋅ ⎜⎜ − ⎟⎥ ⎝ D ф D C ⎠⎥⎦ (2.12) Если учитывается переохлаждение или перегрев материала по сравнению с температурой фазового перехода, то необходимо также учитывать поток внутрь ТАМ через поверхность раздела фаз. Эта величина обычно невелика и оказывает заметное влияние на процесс только в самые начальные его моменты. В формуле (2.12) эффект переохлаждения не учитывается. Поверхность теплообмена при работе АФП перемещается, в результате чего средний радиус границы раздела меняется с течением времени. Его приращение можно определить с использованием условия Стефана: d Dф = (2 (Tf - Tф) / (Rf + Rw + Rф(Dф)) ⋅ π D2 /(ρQф) d τ (2.13) В начальный момент времени считаем: Dф0 = Dc (2.14) При необходимости начальное положение границы раздела фаз можно считать произвольным (Dф0 < Dc). Этот случай соответствует разрядке частично заряженного АФП. С заменой dDф на ΔDф уравнение (2.14) может быть использовано для пошагового расчета положения границы раздела: Dф i+1 = Dф i + (2 (Tf - Tф) / (Rf + Rw + Rф(Dф)) ⋅ π D2 /(ρf Qф) Δτ (2.15) В этом уравнении Dфi является средним диаметром, поскольку форма границы раздела фаз мало отличается от сферической. Необходимо также использовать балансовое соотношение: Q = ρf V f cpf dTf = A(L) (Tf - Tф) / R (2.16) Уравнение (2.16) может быть проинтегрировано и приведено к удобной формуле для АФП капсульного типа, однородно заполненного ТАМ, с постоянной площадью поперечного сечения [12]: A(L) − с p ⋅с f ⋅Vf ⋅R Tf вых = Tф − (Tф − Tf вх ) ⋅ e (2.17) где A(L) = 6 Af (1-ε) l / D . (2.18) Время полного расплавления или затвердевания ТАМ может быть определено по положению межфазной границы. В этом случае Dф = 0. В то же время в некоторых из рассмотренных ниже вариантов упрощающих допущений поверхность фазового перехода фиксируется. В этом случае время полного плавления или затвердевания ТАМ может быть посчитано по формуле, выведенной из условия теплового баланса для теплоносителя и ТАМ: τполн = Qф (1-ε) ρж VАФП / (ρf Vf cpf | Tf вх ср – Tf вых ср | ) / 3600 (2.19) 19 Tf вх ср , Tf вых ср ≈ Tф – средние за рассматриваемый период температуры на входе и выходе АФП. На основе этих же соображений можно получить формулу для оценки среднего положения границы раздела фаз в любой момент времени при Tf вх = const: Dф = [ 1 – ρf V f cpf ⋅ ⎢Tf вых - Tf вх ⎢τ / (ρтв Qф)]⋅ D3 . (2.20) На основе приведенных здесь формул может быть построен алгоритм поверочного расчета АФП, позволяющий получать основные характеристики теплообмена. С учетом упрощений, использованных при выводе приведенных формул, алгоритм теплового расчета АФП строится на следующих допущениях: - рассматривается одномерный теплообмен (T(x,y,z,τ ) = T(x,τ )); - тепловой поток через поверхность шара является однородным; - плавление и затвердевание происходит при одинаковой постоянной температуре; - пренебрегаем изменением термических свойств; - все шары одинаково заполнены ТАМ; - не учитывается изменение объема ТАМ при фазовом переходе (выбирается его среднее значение за время процесса). Для построения методик расчета процессов плавления и затвердевания внутри капсулы кроме отмеченных могут быть использованы дополнительные упрощающие допущения, представляющие собой некую иерархическую структуру относительно снижения точности. Перечислим следующие возможные варианты, использование которых приводит к приемлемым результатам: 1) При затвердевании (режим разрядки) поверхность перемещается в соответствии с условием Стефана для среднего положения границы раздела фаз (одномерная задача Стефана); 2) При плавлении (режим зарядки) твердая часть тонет, для расчета потоков к ней используются соответствующие критериальные уравнения контактного теплообмена. Контактным теплообменом называется задача стефановского типа с тонущей твердой фазой; 3) Потоки теплоты от поверхности раздела фаз в процессе затвердевания ТАМ определяются в предположении, что поверхность раздела фаз не перемещается и занимает положение, соответствующее среднему за весь процесс разрядки. Среднее положение определяем, считая, что сфера радиуса D = const делит внутренний объем ТАЭ сферической формы пополам. Соответственно, расчет производится по формуле: Dф = DС 1,260 4) Пренебрегаем термическим сопротивлением прослойки расплава ТАМ в процессе зарядки АФП; 5) Пренебрегаем термическим сопротивлением затвердевшей корки ТАМ в процессе разрядки АФП. Рассматриваемые модели 1 – 5 расположены в порядке упрощения и, соответственно, уменьшения точности результата при их использовании. 20 Использование более грубых упрощающих допущений приводит к некоторой потере точности, но позволяет вести расчеты более оперативно и с использованием более простых вычислительных программ. В частности, может быть использована простая и общедоступная среда программирования. ПРИМЕЧАНИЕ 1. При расчете цикла зарядки-разрядки АФП могут использоваться разные комбинации упрощающих допущений для процессов зарядки и разрядки. В частности, в [12] используются условия п.п. 4) и 5). ПРИМЕЧАНИЕ 2. Обозначения в методических указаниях отличаются от обозначений работы [12]. Гидравлическое сопротивление АФП и расчет пористости По окончании теплового расчета нужно провести гидравлический расчет, позволяющий определить потери давления при прохождении теплоносителя через АФП. Поскольку АФП с проточным теплоносителем оказывается включенным в гидравлический тракт, то возникает необходимость в оценке гидродинамических потерь во всей системе (АФП + тракт). Поскольку теплоноситель циркулирует по одному или нескольким контурам в системе, куда включен АФП, то для оценки ее общей эффективности необходимо рассчитать потери по всему тракту. Для этого рассчитывают потери давления на отдельных участках и находят суммарные величины. Потери давления возникают на длине тракта и в местах поворота потока, на уступах или при существенном изменении площади поперечного сечения канала. Потери давления определяются с использованием коэффициентов гидродинамического сопротивления. Коэффициент гидродинамического сопротивления на участке тракта (в частности по длине емкости, заполненной ТАЭ) определяется как коэффициент в формуле [14, 15]: Δp = Δp = ξ ρf w2 / 2 L Г /DГ . DГ – гидравлический диаметр или другой размер поперечного сечения канала. Коэффициент ξ определяется по справочным данным для каждого конкретного случая, например, каналов цилиндрической формы (прямоугольных, круглых труб и т.д.), участков пористого тела и т.д. В отличие от них различают местные сопротивления. Это повороты потока, уступы, резкие изменения проходного, в частности диффузорные участки, сетки и т.д. В этом случае коэффициент сопротивления входит в следующую формулу [14, 15]: Δp = ξ ρf w2 / 2 . Следует отметить, что в конфузорных участках потери оказываются очень малыми и ими можно пренебречь. В АФП наибольшие потери давления получаются в результате прохождения теплоносителя через пористый слой, состоящий из ТАЭ. Результатом гидравлического расчета является определение суммарных потерь давления во всем тракте (имеется в виду вся система или АФП в отдельности). При последовательном соединении гидравлических сопротивлений потери давления в тракте определяются по формуле: Δp = Σ Δpi . Для расчета разветвленной сети нужно применять более сложные соотношения. По этой величине могут быть оценены затраты мощности на прокачку теплоносителя: 21 Ne = Vf Δp / ηвент . При проектировании тракта, по которому перемещается воздух, необходимо стремиться к уменьшению гидродинамического сопротивления, что достигается соответствующим выбором параметров потока теплоносителя и конструкцией составляющих его элементов. Вот некоторые рекомендации в этом направлении: во-первых, необходимо выбирать умеренные скорости в тракте от 1 до 10 м/с , но не более 20 м/с ; во-вторых, предусматривать, по возможности, плавные обводы контура проточной части избегать уступов; в-третьих, диффузор должен имеет небольшой угол раскрытия. Учет этих особенностей позволит спроектировать тракт хорошего гидродинамического качества. Если в результате гидравлического расчета получается чрезмерно большое гидродинамическое сопротивление, то необходимо изменить параметры тракта и провести расчеты сначала. Детали расчета с использованием справочных экспериментальных данных см. [14, 15]. Там же имеются данные по гидродинамическим сопротивлениям для расчета гидродинамического сопротивления всего тракта, по которому движется теплоноситель. Кроме того, в [14, 15] содержатся сведения по пористостям различных материалов. Расчет пористости засыпки произвольных тел производится с использованием формулы (2.1) и представляет собой геометрическую задачу той или иной степени сложности. Для примера посчитаем пористость упаковки соосных цилиндров (рис 2.2). ε = ΔVf / V = (D2 - πD2/4)/ D2 = (4-π)/4 . При этом можно сказать, что рассматривается укладка кругов на плоскости. Следует отметить, что укладки могут быть разной плотности. На рис. 2.2 б показана плотная упаковка. Такую упаковку стремятся занять цилиндры под действием силы тяжести. Однако из-за трения между ними и возможного влияния конфигурации емкости при хаотической засыпке такая упаковка не достигается и может быть обеспечена только при аккуратной укладке ТАЭ вручную. Пористость такой упаковки наименьшая. Более «рыхлой» является упаковка, показанная на рис. 2.2 б. Данные по засыпкам шаров можно найти в [14]. 22 Литература 1. Бекман Г., Гилли П. Тепловое аккумулирование энергии. М., Мир, 1987. 2. Kreith F., Kreider J.F. Principles of Solar Engineering. - Washington, London, 1978, 778 p.p. 3. Левенберг В.Д., Ткач М.Р, Гольстрем В.А. Аккумулирование тепла. - К.: «Тэхника», 1991. – 112 с. 4. Рубинштейн Л.И. Проблема Стефана. - Рига: Звайзгне, 1970. - 232 с. 5. Карташов Э.М. Аналитические методы в теории теплопроводности твердых тел. - М.: "Высшая школа", 1985. - 480 с. 6. Россихин Н.А. Лекции о задаче Стефана. – Рукопись. 7. Эккерт Э.Р., Дрейк Р.М. Теория тепло- и массообмена. - М.Л.: Госэнергоиздат, 1961. - 521 с. 8. Б.Я. Любов. Теория кристаллизации в больших объемах. М., “Наука” Главная редакция физико-математической литературы, 1975. - 256 с. 9. Физические величины. Справочник/Под ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З. - М., «Энергоатомиздат», 1991. – 1232 с. 10. Справочник химика/Под ред. Никольского Б.П. -Л.: 1967. -622 с. 11. Теплообменные аппараты и системы охлаждения газотурбинных и комбинированных установок/ Под ред. Леонтьева А.И. - М.: Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2004. - 592 с. 12. Arkar C. Enhanced solar assisted system using sphere encapsulated PCM thermal heat storage//IEA, ECES IA Annex 17, Advanced Thermal Energy Storage Techniques- Feasibility Studies and Demonstration Projects. 2nd Workshop, Ljubljana, 2002. * 13. Теория тепломассообмена/Под ред. Леонтьева А.И. - М.: Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана, 1997. - 683 с. 14. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. Справочное пособие. - М.: Энергоатомиздат, 1990. -368 с. 15. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям/Под ред. Штейнберга М.О. - М., «Машиностроение», 1992. – 672 с. Дополнительная литература 1 доп. Métivaud V., Ventola L., Calvet T., Cuevas-Diarte M.A., Mondieig D. Thermal Insulation Of Buildings Using Phase Change Materials//IEA, ECES IA Annex 17, Advanced thermal energy storage through phase change materials and chemical reactions – feasibility studies and demonstration projects. 6th Workshop, 8 - 9 June 2004, Arvika, Sweden. * 2 доп. Солнечные теплицы. Разместил: mensh на 28/07/2003, http://www.mensh.ru/ modules.php?name=News&file=article&sid=103 3 доп. Zhou X., Zhu Y.-X., Zhang Y.-P., Guan P. Optimal Design of PCM Suit Based on Human Thermal Response Experiment//IEA, ECES IA Annex 17, Advanced Thermal Energy Storage TechniquesFeasibility Studies and Demonstration Projects. 7th Expert Meeting and Workshop of Annex. Beijing. - China, 2004. * 4 доп. Neuschütz M. High performance latent heat battery for cars//IEA, ECES IA Annex 10, Phase Change Materials And Chemical Reactions for Thermal Energy Storage. 3rd Workshop. - Helsinki, Finland, 1999. * 5 доп. Domanski R., Banaszek J., Rebow M. Experimental and Theoretical Investigation of Spiral PCM Thermal Energy Storage Unit //IEA, ECES IA Annex 10, Phase Change Materials And Chemical Reactions for Thermal Energy Storage. 6th Workshop. - Stockholm, Sweden, 2000. * * Интернет-адрес статей: http://www.ket.kth.se 23 Рисунки 24 а б Рис. 1.1. Включение ТАМ (парафина) в стеновую панель а – материал панели без ТАМ б – поры материала заполнены ТАМ 25 а - система обогрева с расположением аккумулятора теплоты внутри теплицы 1 - светопрозрачная изоляция; 2 - опорная стенка; 3 - северная стена; 4 теплоизоляция; 5 – аккумулятор теплоты; 6 - ящики с рассадой; 7 - защищенный грунт; 8 - теплоизолированный фундамент. б - пленочная теплица с аккумулятором теплоты в грунте 1 - теплица; 2 - аккумулятор; 3, 4 - каналы; 5, 6 - трубы; 7 - вентилятор Рис. 1.2. Схемы пленочных теплиц с АФП [18]. 26 Рис. 1.3. Размещение сферических ТАЭ в АФП 27 ТАМ Вакуумная изоляция Охлаждающий контур Рис. 1.4. Автомобильный АФП [3 доп.] Уровень заполнения ТАМ Граница плавления Рис. 1.5. Схема плавления ТАМ в емкости (капсуле) 28 с(T) кДж/кг К 6,50 6,00 5,50 5,00 4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 250 Т, К 300 350 400 Рис. 1.6. Кривая теплоемкости парафина 29 5 6 2 1 4 3 а) кожухотрубный АФП 5 7 2 1 4 3 б) капсульный АФП Рис.1.7. Схемы АФП 1 – корпус; 2 – ТАМ; 3 – теплоноситель; 4 – входной патрубок; 5 – выходной патрубок; 6 – трубная доска; 7 – ограничительная сетка 30 Рис. 1.8. АФП в форме рулона [5 доп.] λМ λТ αf αо Рис. 1.9. Схема теплопотерь в теплоизолиролванном ТАМ 31 D l Рис. 2.1. Схема расчета АФП капсульного типа [12] 32 а) 2-мерный аналог кубической упаковки б) 2-мерный аналог тетраэдрической упаковки Рис. 2.1. Типы упаковки сферических ТАЭ в АФП 33
