close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

34.Расчет и проектирование аккумуляторов теплоты на фазовых переходах (капсульного типа)

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана
Н.А. Россихин
РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ
АККУМУЛЯТОРОВ ТЕПЛОТЫ
НА ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДАХ
(КАПСУЛЬНОГО ТИПА)
Методические указания
к выполнению курсовой работы
по дисциплине «Теплообменные аппараты»
Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2010
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 621.565.94
ББК 31.38
P76
Рецензент М. Д. Диев
P76
Россихин Н. А.
Расчет и проектирование аккумуляторов теплоты на фазовых переходах (капсульного типа) : метод. указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Теплообменные аппараты» / Н. А. Россихин. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана,
2010. – 35, [5] с. : ил.
Изложены основные понятия аккумуляции теплоты, описаны наиболее важные физические эффекты и приложения, а также принципы
расчета и конструирования аккумуляторов теплоты на фазовых переходах.
Для студентов 4-го курса, специализирующихся по кафедре
«Теплофизика» (Э-6), выполняющих курсовое проектирование по
дисциплине «Теплообменные аппараты».
Методические указания рекомендованы учебно-методической комиссией научно-учебного комплекса «Энергомашиностроение».
УДК 621.565.94
ББК 31.38
c МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1. НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
АККУМУЛЯТОРОВ ТЕПЛОТЫ
Аккумулированием тепловой энергии, или аккумулированием
теплоты, называется процесс накопления тепловой энергии в период ее поступления для последующего использования. 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 таким процессам 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 выделением — поглощением теплоты. Отмеченные процессы реализуются в специальных устройствах — аккумуляторах теплоты
(АТ).
Применяются АТ в тех областях хозяйства, где имеет место неравномерное поступление тепловой энергии. Они позволяют снижать энергозатраты благодаря использованию альтернативных источников энергии или повышению эффективности работы имеющегося энергетического оборудования.
В АТ протекают следующие процессы [1—3]:
• тепловое аккумулирование энергии твердыми и жидкими телами за счет изменения температуры вещества (теплоемкостное
аккумулирование);
• тепловое аккумулирование энергии посредством использования теплоты фазового перехода;
• термохимическое аккумулирование тепловой энергии и др.
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Теплоемкостное аккумулирование основано 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, до которой нагреваются
ТАМ, и его удельной теплоемкости. Этот способ аккумулирования
теплоты является наиболее простым и давно применяется, например при отоплении печами, которые выполняются достаточно массивными и накапливают во время нагрева теплоту, затем постепенно расходуемую на обогрев помещения. С точки зрения величины
удельной теплоемкости, т. е. способности аккумулировать теплоту
в расчете на 1 кг массы, одним из самых хороших ТАМ 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 фазопереходный материал (ФМ). Реализация этого
способа по сравнению с предыдущим оказывается более сложной
из-за необходимости усложнения конструкции. Однако в АТ на
фазовых переходах (АФП) на единицу объема запасается гораздо
большее количество теплоты. При этом процесс зарядки и разрядки может быть осуществлен в узком диапазоне значений температуры, что очень важно при работе АТ в условиях небольших
температурных напоров.
Термохимическое аккумулирование тепловой энергии основано
на использовании обратимых химических реакций. Оно позволяет
запасать тепловой энергии на единицу массы больше, чем в первых
двух случаях, но оказывается более сложным в реализации.
В качестве одного из примеров применения АТ можно указать
использование теплоемкостного графитового АТ в системе электрообогрева для запасания тепловой энергии в ночное время при
отпуске электроэнергии по более низкому тарифу. При этом температура графитовой матрицы достигает 1500 о С. Химические АТ
не нашли широкого промышленного применения.
В настоящее время наиболее широко применяются АФП.
Основными сферами использования АФП являются:
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
• энергетика, в том числе альтернативная (солнечная энергетика, теплоэлектростанции, где АФП используются в качестве резервных накопителей теплоты);
• строительство (системы отопления и охлаждения воздуха,
стеновые панели c улучшенной тепловой эффективностью благодаря включению в их состав ФМ);
• системы утилизации сбросового тепла и др.
Перечислим некоторые приложения АФП.
Стеновые панели с использованием ФМ, как правило, состоят
из смеси бетона с парафином или бетона с включенными в него
небольшими капсулами, содержащими ФМ. Панели с ФМ применяются в качестве ограждающих конструкций зданий и поглощают излишнюю теплоту в дневное время, отдавая ее в ночное,
когда отсутствует солнечная радиация. Эффективность применения таких стеновых панелей 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 теплоты, накопленной в светлое
время суток (рис. 1). На рисунке видно, что при размещении ТАМ в
теплице его нагрев осуществляется прямым солнечным излучением (рис. 1, а). При другой компоновке (рис. 1, б) АФП расположен
под теплицей, что приводит к необходимости применения вентилятора для обеспечения теплообмена между ТАМ и воздухом в
теплице.
Для стран с жарким климатом разработаны кухонные плиты,
функционирующие 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.
В системе вентиляции АФП применяют для сглаживания перепадов температуры в дневное и ночное время. Шарообразные
капсулы с ТАМ располагаются в воздуховоде вентиляционной
системы. При этом воздух поступает из солнечного коллектора,
встроенного в кровлю здания. В дневное время происходят зарядка
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1. Схемы пленочных теплиц с АФП [1д]:
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)
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.
Кроме того, АФП применяют для облегчения пуска двигателя и
обогрева салона автомобиля в холодное время. Теплота запасается
во время работы двигателя и может храниться в течение нескольких суток. Для этого АФП помещают в сосуд Дьюара (термос),
обеспечивающий наилучшую теплоизоляцию.
6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Благодаря основным достоинствам — большому количеству запасаемой теплоты и способности к термостабилизации при относительной простоте конструкции — АФП находят все новые области применения.
Использование АФП разного назначения связано с определенными диапазонами температуры. По интервалу рабочих температур их можно разделить на четыре группы:
1) АФП для производства холода (Т < 20 о С);
2) низкотемпературные АФП (20 о С 6 Т < 200 о С);
3) среднетемпературные АФП (200о С 6 Т < 500 о С);
4) высокотемпературные АФП (Т > 500 о С).
Наиболее широкое применение нашли низкотемпературные
АФП (системы жизнеобеспечения человека, экологически чистые
способы производства энергии, оптимизация потребления энергии).
Средне- и высокотемпературные АФП пока не нашли широкого
распространения в промышленности. Применение среднетемпературных АФП связано в основном с энергетическими установками
и системами утилизации теплоты. Известны разработки по применению высокотемпературных АФП в металлургии и энергетике.
По временно́му фактору использования различают АТ краткосрочного (суточные) и долгосрочного действия. Время цикла
работы АТ краткосрочного действия не превышает 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 различного количества теплоты. Кроме того, АТ долгосрочного действия должны быть хорошо теплоизолированы вследствие необходимости длительного хранения запасенной теплоты.
ФМ находят применение не только в АФП, но и в ряде других
приложений:
• в системах теплозащиты;
• в системах термостабилизации;
• для хранения продуктов питания и медицинских тканей.
При создании устройств теплозащиты и термостабилизации
преследуются противоположные цели: в первом случае энергия
аккумулируется для дальнейшего использования, во втором — для
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
сброса в окружающую среду при наступлении более благоприятных условий.
В системах теплозащиты ФМ используются для предохранения
электронной аппаратуры от тепловых воздействий или перегрузок
сети. Например, разработана система теплозащиты искусственного
спутника в виде оболочки из ФМ. При облете Земли он периодически оказывается то на освещенной стороне, то на затененной. При
воздействии солнечной радиации ФМ плавится, забирая тепловую
энергию, в результате чего не происходит чрезмерного разогрева
приборного отсека.
Ряд проектов связан с применением ФМ 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.
Для хранения пищевых продуктов и медицинских тканей и органов разрабатываются различные типы контейнеров, подбираются
вещества, подходящие для того или иного приложения.
В последнее время появилось принципиально новое направление в применении ФМ — создание жидких фазоменяющих
суспензий, состоящих из микрокапсул с ТАМ, взвешенных в жидкости. Такие суспензии могут аккумулировать теплоту вследствие
фазового перехода и одновременно являются теплоносителями с
особыми свойствами.
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 в задачах стефановского типа [4, 5], основной особенностью которых является наличие поверхности фазового перехода, разделяющей жидкую и твердую фазы (рис. 2). В зависимости
от того, переходит твердая фаза в жидкую или наоборот, процесс
протекает с поглощением или выделением теплоты. Эта теплота
называется скрытой теплотой фазового перехода. Она затрачивается на разрушение кристаллической решетки при плавлении и
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 2. Схема плавления ТАМ в емкости или капсуле
выделяется при кристаллизации. Удельная (на 1 кг массы) теплота
фазового перехода для данного вещества при заданных условиях
протекания процесса является величиной постоянной:
Qф = Qф /m,
(1)
где Qф — скрытая теплота фазового перехода; m — масса.
Если процесс осуществляется при постоянном давлении, то
величина Qф равна энтальпии фазового перехода ΔHф .
Температура Тф , при которой происходит фазовый переход,
называется температурой фазового перехода. Если фазовый переход в неорганических веществах происходит при постоянном
давлении, то температура Тф является постоянной. Значения величин ΔHф и Тф для различных веществ можно найти в химических
справочниках или справочниках физических величин.
На основе уравнения теплового баланса для поверхности раздела фаз может быть выведено условие Стефана [6]:
∂sn
∂TТАМ ∂TТАМ ρтв Qр
= λж
− λтв
,
(2)
∂τ
∂n n→+0
∂n n→−0
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где ρтв — плотность твердой фазы; sn — перемещение границы
раздела фаз в направлении нормали; τ — время; λж , λтв — теплопроводность жидкой и твердой фаз; TТАМ — температурное поле.
Соотношение (2) позволяет рассчитать 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 задачи стефановского типа включают в себя уравнения теплообмена в фазах, условия на
внешних границах и поверхности раздела фаз. Кроме условия (2)
в подавляющем большинстве задач указанного типа используется условие постоянства температуры на межфазной границе (при
постоянном давлении p = const):
TТАМ = Тф = const.
(3)
В смесях и ряде органических веществ фазовый переход протекает в фиксированном для данного вещества интервале температур. В этом случае вместо условия Стефана (2) и соотношения (3)
используется температурная зависимость удельной теплоемкости
c, которая в области фазового перехода имеет один или несколько
пиков (рис. 3):
(4)
с = с(TТАМ ).
Рис. 3. Зависимость теплоемкости парафина от температуры
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Условие (4) нужно использовать при расчете процессов в таких
органических веществах, как алифатические углеводороды, воски,
а также в смесях (например, парафинах).
Соотношения (1) — (4) относятся к области фазового перехода,
которая при выполнении условия (3) представляет собой поверхность, а при выполнении условия (4) — слой. При использовании
условия (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 фазе. Например, в классической
задаче Стефана предполагаются отсутствие конвекции в жидкой
фазе и протекание фазового перехода при температуре T = const.
Теплообмен при этом рассчитывают с привлечением уравнения
теплопроводности. Во многих случаях эти допущения приводят к
неверным результатам.
Процессы затвердевания отличаются от процессов плавления
наличием дополнительных физических эффектов. При достаточно
интенсивном охлаждении может начаться так называемая объемная кристаллизация [7], при которой затвердевание происходит во
всем объеме вещества. Поскольку в АФП процессы протекают достаточно медленно, объемной кристаллизации в них не происходит.
Другой особенностью, не имеющей места при плавлении, является наличие эффекта переохлаждения жидкости, заключающегося 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 условие постоянства рабочей температуры. Чтобы этого
избежать, разрабатывают специальные меры, связанные с созданием центров кристаллизации в начальный момент процесса или
c выбором для теплоаккумулирования веществ, у которых эффект
переохлаждения отсутствует (таких, например, как парафины).
Задачи стефановского типа могут отличаться друг от друга наличием ряда и других физических эффектов. Среди них одним из
важнейших с точки зрения проектирования АФП является изменение плотности при фазовом переходе: ρтв 6= ρж .
11
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Это условие характерно для органических веществ. У парафинов, например, плотность твердой фазы почти на 10 % больше, чем
жидкой. В силу того что в процессах, характерных для АФП, граница раздела фаз перемещается медленно, изменение объема при фазовом переходе практически не влияет на движение жидкой фазы.
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 ФМ.
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 или находящейся в свободном состоянии твердой фазы. Во втором 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 параграфе основные физические свойства ФМ в той или иной степени должны учитываться при проектировании АФП (подробнее см. [4—7]).
3. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ КОНСТРУКЦИЙ
АККУМУЛЯТОРОВ ТЕПЛОТЫ НА ФАЗОВЫХ
ПЕРЕХОДАХ
Конструкция АФП должна разрабатываться с учетом условий
его функционирования и компоновки в системе, для которой он
предназначается.
Основой любого АФП является ТАМ, однако из-за различия
способов подвода теплоты к ТАМ конструкции могут сильно различаться. 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,
12
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
при использовании в теплице по схеме, представленной на рис. 1, а.
В то же время попытки отказаться от промежуточного теплоносителя могут приводить к усложнению конструкции. В этом отношении можно отметить следующие типы конструкций 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 конструкции, поэтому желательно обходиться без дополнительных агрегатов и избегать использования
подвижных частей.
Рассмотрим более подробно особенности АФП с промежуточным теплоносителем. Основными типами таких АФП являются
кожухотрубный (рис. 4, а) и капсульный (рис. 4, 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 (см. рис. 4, а), через
стенки которых происходит теплообмен между теплоносителем и
ТАМ. В другом случае теплоноситель проходит между капсулами
с ТАМ, расположенными в корпусе АФП (см. рис. 4, б).
При использовании таких конструкций АФП преследуют цель
улучшить теплообмен между теплоносителем и ТАМ, при этом
улучшение теплопередачи достигается увеличением числа труб
внутри ТАМ (см. рис. 4, а) и уменьшением размеров капсул с соответствующим увеличением их числа (см. рис. 4, 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 на рис. 4 конструкциях 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 и ТАМ. Преимуществом в данном случае является снижение
материалоемкости конструкции.
13
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4. Типы АФП:
а – кожухотрубный; б – капсульный (1 – корпус; 2 – ТАМ; 3 – теплоноситель; 4 –
входной патрубок; 5 – выходной патрубок; 6 – трубная доска; 7 – ограничительная
сетка)
14
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Предложен АФП рулонного типа [2д]. В этой конструкции ТАМ
располагается между двумя медными листами, свернутыми в спираль. В свободном пространстве конструкции перемещается теплоноситель. Конструкция сочетает в себе признаки кожухотрубного
и капсульного АФП.
Cостоит АФП из теплоаккумулирующих элементов (ТАЭ). Так
называется отдельная часть конструкции с ТАМ, находящаяся в
тепловом контакте с теплоносителем. В капсульном АФП ТАЭ
являются капсулы, заполненные ТАМ. В кожухотрубном — это
часть ТАМ, окружающая трубку с проходящим по ней теплоносителем. В этом случае ТАЭ можно назвать ячейками, поскольку они
представляют собой призмы, соприкасающиеся боковыми гранями
(см. рис. 4, а). Разбиение АФП на ТАЭ удобно для описания процессов теплообмена в ТАМ.
В дальнейшем будут рассматриваться только АФП капсульного
типа, основными достоинствами которых являются простота конструкции и возможность гибкого выбора компоновочных решений,
поскольку капсулами с ТАМ могут заполняться контейнеры произвольной формы.
Таким образом, АФП капсульного типа — емкость, заполненная ТАЭ, представляющими собой сферические, цилиндрические
или другой формы капсулы с ТАМ. Оболочка капсул может быть
жесткой или мягкой, выполненной, например, 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.
Форма, а также способы компоновки и закрепления капсул
могут быть произвольными. Их можно размещать, например, в
сетчатых контейнерах, которые располагаются внутри АФП (см.
рис. 4, б). 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. Окончательно этот вопрос решает конструктор, ориентируясь на достижение надежности, простоты и низкой
стоимости конструкции.
Сами капсулы могут быть изготовлены различными способами. Можно, например, использовать технологию изготовления
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
шариков для пинг-понга. Можно выполнять капсулы склеенными
из частей.
При выборе типа и способа крепления ТАЭ (капсул) нужно
следить за тем, чтобы между ними было свободное пространство, достаточное для прохождения теплоносителя. Это необходимо для обеспечения между капсулами и теплоносителем теплообмена нужной интенсивности.
При выборе размеров АФП следует учитывать, что на интенсивность теплообмена существенно влияют размеры ТАЭ и скорость движения теплоносителя.
Уменьшение скорости движения теплоносителя приводит к таким последствиям:
• уменьшению гидравлического сопротивления (гидравлических потерь) в АФП;
• уменьшению коэффициента теплоотдачи между поверхностью капсул и теплоносителем;
• увеличению площади поперечного сечения АФП.
Увеличение скорости движения теплоносителя приводит к следующему:
• увеличению гидродинамического (гидравлического) сопротивления (гидравлических потерь) в АФП;
• увеличению коэффициента теплоотдачи между поверхностью
капсул и теплоносителем;
• уменьшению площади поперечного сечения АФП.
Уменьшение размеров ТАЭ приводит:
• к увеличению интенсивности теплосъема с поверхности ТАЭ;
• к удорожанию АФП.
Увеличение размеров ТАЭ приводит:
• к уменьшению интенсивности теплосъема с поверхности
ТАЭ;
• к удешевлению АФП.
При проведении теплогидравлического расчета для получения
требуемых характеристик АФП нужно варьировать размеры капсул
и скорость. При этом предпочтительнее, чтобы скорость потока
теплоносителя в АФП была небольшой, порядка 1. . . 3 м/с. При
варьировании размеров ТАЭ нужно оставить их, по возможности,
бо́льшими, поскольку АФП с капсулами большего размера будет
при прочих равных условиях проще в изготовлении и, как следствие, дешевле.
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для уменьшения гидравлических потерь необходимо проточную часть выполнять 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. 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 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 бывают круглого, квадратного или прямоугольного сечения и выполняются из листового металла с использованием сварки. К корпусу АФП они могут быть приварены или присоединены болтами с помощью фланцевого соединения. Корпус
АФП цилиндрической формы может быть изготовлен из стандартной трубы достаточно большого диаметра. Также для изготовления
корпуса можно использовать листовой металл.
Отметим, что корпус АФП должен быть герметичным. Это
обусловливает повышенное внимание к качеству сварных швов.
В разъемных соединениях нужно обязательно использовать прокладки. В ряде случаев применения АФП может возникнуть необходимость в использовании теплоизоляции.
Для разработки рациональной конструкции в процессе проектирования следует обращать внимание на ряд моментов.
1. Необходимо следить за тем, чтобы конструкция изделия допускала возможность сборки и разборки.
2. Технология изготовления изделия должна быть ориентирована на минимум затрат с использованием дешевых и доступных
материалов. Так может быть обеспечена низкая стоимость изделия.
3. Нужно стремиться к изготовлению наиболее легкой конструкции, что позволит сэкономить материал. Предпочтительнее
будет конструкция корпуса АФП, выполненная из труб и листового проката, соединенных между собой с помощью электродуговой
сварки и болтами.
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4. СВОЙСТВА ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩИХ
МАТЕРИАЛОВ И ТРЕБОВАНИЯ К НИМ
Одним из важных этапов при проектировании АФП является
выбор ТАМ. От удачного решения этого вопроса зависит стоимость и надежность аккумулятора.
При разработке АФП необходимо руководствоваться следующими основными требованиями к выбору ТАМ:
• соответствие температуры фазового перехода рабочей температуре теплоносителя в режимах зарядки и разрядки;
• возможно более высокое значение удельной энтальпии фазового перехода;
• низкий коэффициент объемного расширения и по возможности меньшая разница плотности жидкой и твердой фаз;
• химическая совместимость с конструкционными материалами;
• стабильность состава и теплофизических свойств при эксплуатации АФП в условиях термоциклирования;
• доступность и низкая стоимость;
• отсутствие или малое проявление в выбранном ТАМ эффекта
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 расплав ТАМ был совместим с используемыми материалами и в процессе эксплуатации 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 (ΔН ф ∼ 103 кДж/кг), что является положительным
фактором для использования их в АФП. Значения температуры
плавления у солей фтора лежат в диапазоне 900 . . . 1100 о С.
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В качестве ТАМ для среднетемпературных АФП могут использоваться, например, NaNO3 , ZnCl2 , B2 O3 или легкоплавкие металлы и сплавы.
Применяемые в низкотемпературных АФП ТАМ относятся в
основном к двум классам веществ — кристаллогидраты солей и
органические вещества (в первую очередь парафины). Существенным недостатком кристаллогидратов является нестабильность
свойств в процессе плавления или затвердевания и склонность к
химическим превращениям.
В настоящее время наиболее пригодными для применения в
низкотемпературных АФП считаются парафины, представляющие
собой смесь алифатических углеводородов ряда Cn H2n+2 , также
называемые предельными углеводородами. Могут применяться и
другие органические материалы, например воски или материалы с
близкими свойствами.
Перечислим 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 парафинов в качестве теплоносителей
при прямом контакте с ТАМ;
• низкая электропроводность, из-за которой парафины относят
к хорошим электроизоляторам.
Химические свойства:
• химически инертны почти ко всем материалам;
• парафины долговечны и стабильны при циклическом изменении агрегатного состояния;
• парафины воспламеняемы, однако температура воспламенения у них намного выше 250 о С;
• стабильность при нагреве примерно до 250 о С;
• парафины не кипят, т. е. нет опасности возникновения высокого давления пара даже при высоких рабочих температурах.
Экологическая безопасность:
• экологически безвредные продукты, которые не оказывают
неблагоприятного воздействия на сельскохозяйственные поля, жи19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
вотных и микроорганизмы, являются безвредными для окружающей среды и стопроцентно регенерируемыми;
• не токсичны и не вредны для здоровья;
• очищенные парафины используются в качестве материалов,
контактирующих с продуктами.
По сравнению с кристаллогидратами парафины обладают
меньшей удельной теплотой плавления, но являются устойчивыми
по отношению к термоциклированию и химически инертны.
Низкое значение коэффициента вязкости парафинов в расплавленном состоянии способствует усилению конвекции, что приводит к более интенсивному теплообмену при плавлении.
Так как парафины химически инертны по отношению почти ко
всем материалам, они являются коррозионно-стойкими (в автомобилестроении используются для консервации).
В процессе работы АФП в парафинах 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 , в твердом — от 800 до 900 кг/м3 .
Перечисленные свойства парафинов делают их материалами, в
высокой степени пригодными для различных приложений, связанных с низкотемпературным аккумулированием теплоты.
Еще одно качество парафинов, делающее их привлекательными
для целей теплового аккумулирования — 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 одинаковой.
К недостаткам парафинов, использующихся в качестве ТАМ,
относятся:
• низкий
коэффициент теплопроводности
(примерно
0,15 Вт/(м ∙ К)), что приводит к усложнению и удорожанию АФП,
работающих на парафинах;
• изменение плотности при фазовом переходе, которое приводит к необходимости компенсации изменения объема (например,
создание полостей в ТАЭ или применение других способов).
В качестве теплоносителя в АФП могут использоваться вода,
воздух или другие жидкости и газы. Требования к ним такие же,
как к теплоносителям в теплообменных аппаратах [8].
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Данные о теплофизических свойствах теплоаккумулирующих
веществ можно найти в справочной литературе [9, 10].
5. КОНСТРУКТОРСКИЙ РАСЧЕТ
АККУМУЛЯТОРОВ ТЕПЛОТЫ
После выбора и уточнения схемы теплоаккумуляционной установки необходимо провести расчеты, которые позволят определить ее размеры и функциональную пригодность. На стадии конструкторского расчета определяют максимально необходимую
запасаемую теплоту, выбирают ТАМ, рассчитывают объем АФП
и определяют его габаритные размеры. Далее для расчета интенсивности теплообмена между ТАЭ и теплоносителем используют поверочную методику, позволяющую для выбранных размеров
АФП и ТАЭ при заданных температуре на входе и расходе, известных теплофизических свойствах теплоносителя и ТАМ рассчитать
теплообмен между теплоносителем и ТАМ, температуру на выходе
из АФП.
Рассмотрим последовательность конструкторского расчета
подробнее.
1. Определение количества поступающей и необходимой потребителю теплоты по условиям работы АТ.
Количество поступающей теплоты рассчитывают по специфическим методикам с учетом источника теплоты конкретного типа.
Подходы к расчету оказываются различными при использовании
солнечной энергии, сбросового тепла, создании запасов теплоты
для покрытия пиковых нагрузок и др. В аккумуляторах холода важен противоположный процесс.
Нужно отметить, что не всегда количества поступающей теплоты достаточно для покрытия нужд потребителя. В этом случае
недостающую часть берут из другого источника, в том числе с
использованием оборудования другого типа.
2. Выбор ТАМ.
Из веществ, пригодных для теплоаккумуляции, выбирают то,
которое имеет температуру фазового перехода, близкую к рабочей.
Без этого невозможно обеспечить требуемые параметры АФП. При
этом выбранное вещество должно наиболее полно соответствовать
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
требованиям к ТАМ (см. § 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 физико-химические
свойства вещества не должны изменятся при термоциклировании,
вещество должно быть коррозионно-стойким и устойчивым к переохлаждению при кристаллизации.
3. Определение необходимого количества ТАМ.
Размеры АФП определяются максимально необходимым запасом тепловой энергии. Требуемый запас выбирают исходя из принятой стратегии конструирования: обеспечение надежности; возможность компенсации непредвиденных перебоев в поступлении
энергии другими способами; наличие (или планирование создания)
резервных источников; ограничения по стоимости и т. д.; особенности конкретного проекта.
Учет всех факторов даст возможность выбрать приемлемый коэффициент запаса по тепловой энергии. Выбор слишком большого
требуемого запаса приведет к ухудшению стоимостных показателей.
Количество ТАМ в АФП находят по формуле
m = kQ
Qз
,
Qф
(5)
где kQ — коэффициент запаса; Qз — требуемый запас теплоты.
Для теплоемкостного АТ количество ТАМ определяют по формуле
Qз
m = kQ
,
(6)
cр | ΔTТАМ |
где cp — массовая теплоемкость при постоянном давлении; ρ —
плотность ТАМ; ΔTТАМ — повышение температуры ТАМ при зарядке.
Для обеспечения теплопередачи в АФП необходимо создать перепад температур между теплоносителем и поверхностью фазового перехода. Перепад температур ΔTТАМ приводит к отклонению
от изотермичности процессов в АФП. Кроме того, в ряде случаев
после завершения фазового перехода в АФП он работает в режиме
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
теплоемкостного АТ, что приводит к некоторому увеличению запасенной теплоты. Однако во многих случаях эта добавка не вносит
существенного вклада, хотя при необходимости может быть учтена
в тепловом балансе.
Значение коэффициента запаса (kQ ) выбирают из условий нерегулярности и неравномерности поступления теплоты с учетом
целевого назначения АТ. В ряде случаев это значение должно быть
весьма большим, что отразится на стоимостных показателях АФП.
4. Определение размеров АФП.
По общему объему ТАЭ (он равен сумме объемов ТАМ, оболочки и компенсационной полости ТАЭ) с учетом пространства
между ними определяют объем рабочей части АФП. Исходя из
особенностей размещения АФП выбирают размеры его рабочей
части и размеры подводного и отводного патрубков (диффузора
и конфузора). Площадь поперечного сечения аккумулятора следует выбирать достаточно большой для уменьшения скорости потока теплоносителя и соответственно снижения гидродинамических
потерь.
5. Обеспечение необходимой интенсивности теплообмена в
АФП (как при зарядке, так и при разрядке).
Выбирают недостающие параметры: диаметр ТАЭ и другие параметры, такие как, например, расход теплоносителя, если он не
известен по условиям задания, и проводят теплогидравлический
расчет АФП с использованием поверочной методики. Поверочная
методика строится на основе уравнения теплового баланса с применением критериальных зависимостей теплообмена и гидродинамики теплоносителя.
При проведении расчета необходимо учесть следующее:
• если температура на выходе из АФП не попадает в заданный интервал, то необходимо выбрать ТАЭ меньшего диаметра и
провести расчет заново;
• если температура за АФП удовлетворяет заданным условиям,
то нужно провести вариантные расчеты и определить максимально
возможный диаметр ТАЭ;
• если невозможно обеспечить требуемую температуру на выходе, следует вернуться к п. 4 и изменить размеры АФП или даже
вернуться к п. 1 и выбрать другой ТАМ.
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Могут быть также проведены вариантные расчеты и выбран
другой ТАМ и новые размеры АФП, чтобы обеспечить гидродинамические потери ниже заданного уровня. При таком подходе
проводят частичную оптимизацию АФП (уменьшение стоимости
ТАЭ и снижение гидродинамических потерь).
Для расчета АФП, применяемых в конкретных системах, имеются свои особенности, которые выражаются в привлечении тех
или иных заданных параметров.
6. ВЫБОР И РАСЧЕТ ТОЛЩИНЫ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ
Применение и расчет теплоизоляции необходимы в ряде случаев, когда заряженный АФП в отдельные периоды находится в
условиях пониженной температуры. Это может приводить к значительным теплопотерям. В периоды работы АФП, когда внешняя
температура превышает рабочую, происходит дополнительный теплоприток (который определять не обязательно), в результате чего
получают некоторый запас по параметрам АФП. Надо иметь в виду,
что теплоизолировать следует не только корпус АФП, но и ту часть
тракта теплоносителя, которая находится в области с пониженной
температурой.
Расчет потерь через теплоизоляцию выполняют по формуле
(рис. 5)
1
,
(7)
k=
Rк
где Rк — термическое сопротивление теплоизолированного корпуса,
1
1
1
1
Rк =
+
+
+
.
(8)
λм
λт
αк
αо
Здесь λм — коэффициент теплопроводности материала корпуса
АФП и отводного канала; λт — коэффициент теплопроводности
теплоизоляционного материала; αк — средний коэффициент теплоотдачи внутри корпуса между теплоносителем и корпусом АФП и
теплоносителем и внутренней стенкой отводного канала; αо — коэффициент теплоотдачи со стороны окружающего воздуха.
Тепловые потери Qпот , Дж, через корпус АФП рассчитывают
по формуле
Qпот = 86 400kAк (Тф − То )τраз ,
(9)
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5. Схема теплопотерь в теплоизолированном ТАМ
где Aк — площадь поверхности теплоизолированной части корпуса
АФП, м2 ; Tф — температура фазового перехода; Tо — температура
окружающей среды; τраз — время разрядки АФП, сут.
Коэффициент теплоотдачи αк в формуле (8) определяют 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 αк увеличивают на неопределенную величину. В этом случае его можно считать равным бесконечности,
т. е. задавать на внешней поверхности теплоизоляции температуру
окружающей среды, что обеспечит запас по толщине теплоизоляции. Такое же условие можно принять для внутренней поверхности
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
АФП и тракта теплоносителя, поскольку коэффициент теплоотдачи при этом обычно достаточно большой, что тоже приведет к
уменьшению тепловых потерь.
Общие тепловые потери оценивают за период τх использования АФП в условиях холода. Относительная величина
ηпот =
Qпот
Qз
(10)
не должна превышать 10. . . 20 % от максимально запасаемой теплоты.
Соответственно на величину тепловых потерь Qпот должна
быть увеличена масса ТАМ. Более точно допустимый процент потерь может быть оценен в результате стоимостного анализа затрат
на изготовление АФП и теплоизоляции с учетом расходов на прокачку теплоносителя.
В настоящее время продолжают разрабатывать большое число теплоизоляционных материалов для нужд строительства и др.
К ним относятся органическая вата, сыпучие, вспенивающиеся материалы (различные марки пенополиуретанов). Выбирать теплоизоляционный материал нужно исходя из его стоимости и условия
обеспечения необходимого уровня тепловых потерь. Предпочтение следует отдавать более дешевым материалам. Например, пенополиуретаны позволяют создать теплоизоляционный слой нужной толщины и качества, а также обеспечить его герметичность.
Однако они дороги и их лучше применять в сочетании с более
дешевыми теплоизоляционными материалами.
В Интернете можно найти большой объем сведений по теплоизоляционным материалам, их теплоизоляционным свойствам и
стоимости.
7. ПОВЕРОЧНЫЙ ТЕПЛОГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
АККУМУЛЯТОРОВ ТЕПЛОТЫ НА ФАЗОВЫХ
ПЕРЕХОДАХ КАПСУЛЬНОГО ТИПА
Поверочный расчет проводят после выбора основных размеров и рабочих параметров устройства для их уточнения. В случае
удовлетворения полученных значений проектному заданию теплогидравлический расчет заканчивают и пригодность конструкции
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
исследуют по другим критериям — прочностным, стоимостным
и пр. Для этого проводят соответствующие расчеты, разрабатывают технологию 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, изменив некоторые из выбранных параметров. В первую очередь к ним
относятся скорость движения теплоносителя и размеры ТАЭ.
Предлагаемая здесь методика предназначена для проведения
поверочного расчета АФП капсульного типа с ТАЭ сферической
формы и является видоизменением методики, предложенной в [11].
На рис. 4, б была приведена схема такого АФП, представляющего
собой емкость, заполненную ТАЭ, между которыми движется теплоноситель. Каждый ТАЭ состоит из оболочки сферической формы и залитого в нее 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 ТАЭ и теплообмена
между ними могут рассматриваться с привлечением модели пористого тела. В этом случае материал считается сплошной средой,
внутренняя структура которой описывается усредненными характеристиками, такими, как пористость и т. д.
Пористостью (порозностью) заполнения ТАЭ называется отношение объема ΔV пространства между ТАЭ к объему VАФП ,
который они заполняют:
ΔV
.
(11)
VАФП
При описании процессов течения в пористых средах используются также величина ϕV , являющаяся отношением площади поверхности A теплообмена всех ТАЭ к объему VАФП , который они
заполняют:
A
ϕV =
.
(12)
VАФП
Расчет АФП основан на использовании соотношений для теплового потока от теплоносителя к ТАМ, находящемуся в капсулах:
R = Rп + Rоб + Rф ,
(13)
ε=
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где Rп — термическое сопротивление между потоком теплоносителя и внешней поверхностью капсулы ТАЭ; Rоб — термическое
сопротивление оболочки ТАЭ; Rф — термическое сопротивление
между внутренней поверхностью оболочки ТАЭ и поверхностью
фазового перехода.
Термическое сопротивление для потока теплоносителя рассчитывают исходя из формулы [11]
2,06 Re−0,575
D
,
(14)
ε Pr2/3
где D — внешний диаметр капсулы.
Здесь
wD
ReD =
(15)
ν
(w — скорость потока теплоносителя через поперечное сечение
АФП в отсутствие шаров; ν — коэффициент кинематической вязкости);
νcp ρ
Pr =
(16)
λ
(ρ — плотность теплоносителя; λ — коэффициент теплопроводности теплоносителя). При этом число Нуссельта
St =
Nu = St ReD Pr .
(17)
Отсюда коэффициент теплоотдачи от потока к ТАЭ
α=
Тогда
Nuλ
.
D
(18)
1
.
(19)
α
Здесь пористая среда образуется шаровыми капсулами, заполняющими емкость АФП. Соотношение (14) выполняется при условии 0,3 < ε < 0,5.
Термическое сопротивление сферической оболочки ТАЭ [12]
D2 1
1
1
−
Rоб =
,
(20)
4 λоб Dоб D
Rп =
где λоб — коэффициент теплопроводности оболочки; Dоб — внутренний диаметр оболочки.
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В некоторых случаях значение Rоб можно принять равным
нулю.
В режиме зарядки АФП термическим сопротивлением прослойки расплава ТАМ можно пренебречь вследствие интенсивности процесса естественной конвекции в расплавленной части и
контакта нижней части твердой фазы с дном капсулы:
Rф = 0.
(21)
Режим разрядки АФП. В режимах разрядки, реализуемых в
АФП, перемещение поверхности раздела фаз оказывается достаточно медленным. В этом случае температурное поле в затвердевшем слое ТАМ близкo к стационарному, соответствующему положению границы раздела в данный момент времени. Такой режим
называется квазистационарным. В этом случае для сферического
слоя затвердевшего ТАМ получают зависимость
D2 1
1
1
−
,
(22)
Rф =
4 λтв Dф Dоб
где Dф — средний диаметр поверхности фазового перехода.
В этом случае расплавленная часть считается прогретой, ее
температура равна температуре фазового перехода. Если учитывается перегрев ТАМ по сравнению с температурой фазового перехода, то в (22) нужно включить выражение для потока, движущегося
к поверхности раздела фаз из внутренней расплавленной части
ТАМ. Этот поток теплоты обычно невелик и оказывает заметное
влияние на процесс только в начальные его моменты.
Поверхность теплообмена при работе АФП перемещается, в
результате чего средний радиус границы раздела фаз меняется с
течением времени. Его приращение можно определить, используя
условие Стефана:
dDф = −
D2 |T (x) − Tф |
dτ,
ρж Qф Dф2 (Rп + Rоб + Rф )
(23)
где x — координата, совпадающая с осью АФП (см. рис. 5); Tф —
температура фазового перехода; L — длина АФП с ТАЭ.
Необходимо также использовать балансовое соотношение
(24)
Q = ρV cp dT = A0 (x)(T − Tф )/R dx,
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
где Q — поток теплоты от теплоносителя к ТАМ; A0 (L) — производная.
Для АФП капсульного типа, однородно заполненного ТАМ, с
постоянной площадью поперечного сечения уравнение (24) может
быть проинтегрировано и приведено к удобной форме [11]:
A(L)
− с ρV R
p
,
T вых = Tф − (T ф − T вх )e
(25)
где T вх , T вых — температура на входе в АФП и на выходе из него;
L
(26)
D
(Aп — площадь поперечного сечения корпуса АФП).
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 раплавления или
затвердевания ТАМ может быть рассчитано по формуле, выведенной из условия теплового баланса для теплоносителя и ТАМ:
A(L) = 6Aп (1 − ε)
τполн =
(1− ε) ρж VАФП Qф
,
3600 ρV cp |Tвх.ср − Tвых.ср |
(27)
где Tвых.ср ≈ Tф — средние за рассматриваемый период температуры соответственно на входе и выходе АФП.
Аналогично можно получить формулу для оценки среднего
положения границы раздела фаз в любой момент времени при
Tвх = const:
ρV cp |Tвх − Tвых | 1/3
τ
D.
(28)
Dф = 1 −
(1− ε) ρж VАФП Qф
На основе формул (11)—(28) может быть построен алгоритм
поверочного расчета АФП, позволяющий получать основные характеристики теплообмена. С учетом упрощений, использованных
при выводе указанных формул, алгоритм теплового расчета АФП
строится на следующих допущениях:
• рассматривается одномерный теплообмен (T (x, y, z, τ) =
= T (x, τ));
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
• тепловой поток через поверхность шара является однородным;
• расплавление и затвердевание происходят при одинаковой
постоянной температуре;
• пренебрегают изменением термических свойств;
• все капсулы одинаково заполнены ТАМ;
• не учитывается изменение объема ТАМ при фазовом переходе (берется его среднее за время процесса значение);
• 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 определяют, считая, что сфера радиуса D = const делит
внутренний объем ТАЭ сферической формы пополам. Соответственно, расчет выполняют по формуле
Dф =
Dоб
;
1,260
• пренебрегают термическим сопротивлением прослойки расплава ТАМ в процессе зарядки АФП.
Рассмотрим гидравлическое сопротивление АФП и расчет пористости заполнения ТАЭ.
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 общая оценка затрат на прокачку среды может быть произведена
только с учетом гидродинамических потерь в системе АФП + тракт.
При этом следует учитывать, что теплоноситель может циркулировать по одному или нескольким контурам, которые могут быть
разными для режимов зарядки и разрядки.
Суммарные потери давления определяются потерями давления
во всех элементах тракта. В простейшем случае, если тракт не разветвленный, его гидродинамическое сопротивление равно сумме
сопротивлений составляющих элементов. В более сложных случаях нужно пользоваться методиками расчета гидравлических сетей.
Потери давления имеют место на протяженных участках трубопровода, в местах поворота потока, на уступах в тракте или при
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
существенном изменении площади поперечного сечения канала.
Для их расчета используют коэффициенты гидродинамического
сопротивления. Коэффициент гидродинамического сопротивления
на участке тракта (в частности, по длине емкости, заполненной
ТАЭ) определяют как коэффициент ξ в следующей формуле [13,
14]:
Δp = ξρw2 /2L/Dг ,
(29)
где Δp — перепад давления на входе в пористый слой и выходе из
него; Dг — гидравлический диаметр или другой размер поперечного сечения канала.
Значение коэффициента ξ определяют по справочным данным
для каждого конкретного случая, например, для каналов цилиндрической формы (прямоугольных, круглых труб и т. д.), участков
пористого тела и пр.
Кроме потерь давления на протяженных участках тракта необходимо учитывать потери давления за счет местных сопротивлений (повороты потока, уступы, резкие изменения проходного,
в частности диффузорные участки, сетки и т. д.). В этом случае
коэффициент сопротивления ξ входит в формулу [13, 14]
Δp = ξρw2 /2.
Отметим, что в конфузорных участках потери давления оказываются очень малыми и ими можно пренебречь. В АФП наибольшие потери давления получаются в результате прохождения
теплоносителя через пористый слой ТАЭ.
Результатом гидравлического расчета является определение
суммарных потерь давления во всем тракте. При последовательном
соединении гидродинамических сопротивлений потери давления
в тракте определяют по формуле
Δp = ΣΔpi ,
где pi — потери давления на i-м участке тракта.
По величине суммарных потерь давления могут быть оценены
затраты мощности на прокачку теплоносителя:
Ne = V Δp/ηвент ,
где ηвент — КПД вентилятора, прокачивающего воздух в вентиляторной системе.
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
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:
• необходимо выбирать умеренные скорости в тракте (от 1 до
10 м/с, но не более 20 м/с);
• следует предусматривать, по возможности, плавные обводы
контура проточной части, избегать уступов;
• диффузор должен иметь небольшой угол раскрытия.
Учет отмеченных здесь особенностей течения теплоносителя в
каналах позволит спроектировать тракт с хорошими гидродинамическими качествами. Если в результате гидравлического расчета
получается чрезмерно большое значение гидродинамического сопротивления, то необходимо изменить параметры тракта и выполнить расчеты заново.
Детали расчета с использованием справочных данных представлены в [13, 14]. Там приведены данные по гидродинамическим
сопротивлениям для расчета гидродинамического сопротивления
всего тракта и АФП, а также содержатся сведения по пористостям
различных материалов.
Пористость засыпки тел произвольной формы рассчитывают
по формуле (11). Это геометрическая задача той или иной степени
сложности.
Рис. 6. Типы упаковки ТАЭ в АФП:
а – двумерный аналог кубической упаковки; б – двумерный аналог тетраэдрической
упаковки
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Для примера рассчитаем пористость упаковки соосных цилиндров (рис. 6, а):
ΔVАФП
πD2
4− π
2
ε=
D2 =
= D −
.
V
4
4
Можно сказать, что в примере рассматривается упаковка кругов на плоскости. Отметим, что упаковки могут быть разной плотности. На рис. 6, б показана плотная упаковка, которую стремятся
занять цилиндры под действием силы тяжести. Однако из-за трения между ними и возможного влияния конфигурации емкости
при хаотической засыпке такое распределение цилиндров не достигается и может быть обеспечено только при аккуратной укладке ТАЭ вручную. Пористость такой упаковки наименьшая. Более
«рыхлой» является упаковка, показанная на рис. 6, а. Данные по
засыпкам можно найти в [13].
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ЛИТЕРАТУРА
Основная
1. Бекман Г., Гилли П. Тепловое аккумулирование энергии: Пер.
с англ. М.: Мир, 1987.
2. Kreith F., Kreider J.F. Principles of Solar Engineering. Washington,
London, 1978. 778 p.
3. Левенберг В.Д., Ткач М.Р, Гольстрем В.А. Аккумулирование
теплоты. Киев: Техника, 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.: Высш. шк., 1985. 480 с.
6. Эккерт Э.Р., Дрейк Р.М. Теория тепло- и массообмена: Пер.
с англ. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1961. 521 с.
7. Любов Б.Я. Теория кристаллизации в больших объемах. М.:
Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1975. 256 с.
8. Теплообменные аппараты и системы охлаждения газотурбинных и комбинированных установок / Под ред. А.И. Леонтьева. М.:
Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. 592 с.
9. Физические величины: Справ. / Под ред. И.С. Григорьева,
Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.
10. Справочник химика / Под ред. Б.П. Никольского. Л.: Госхимиздат, 1967. 622 с.
11. 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.
12. Теория тепломассообмена / Под ред. А.И. Леонтьева. М.:
Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997. 683 с.
13. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справ. пособие. М.: Энергоатомиздат, 1990. 368 с.
14. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Под ред. М.О. Штейнберга. М.: Машиностроение, 1992. 672 с.
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Дополнительная
1д. Солнечные теплицы. Режим доступа: http://www.mensh.ru/
modules.php?name=News&file=article&sid=103
2д. 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. Режим доступа: http://www.ket.kth.se
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. Назначение и области применения аккумуляторов теплоты . . . . .
2. Особенности физических процессов плавления и затвердевания
3. Основные типы конструкций аккумуляторов теплоты на фазовых
переходах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4. Свойства теплоаккумулирующих материалов и требования к ним
5. Конструкторский расчет аккумуляторов теплоты. . . . . . . . . . . . . . . .
6. Выбор и расчет толщины теплоизоляции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7. Поверочный теплогидравлический расчет аккумуляторов теплоты
на фазовых переходах капсульного типа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
8
12
18
21
24
26
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Учебное издание
Россихин Николай Алексеевич
РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ АККУМУЛЯТОРОВ ТЕПЛОТЫ
НА ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДАХ (КАПСУЛЬНОГО ТИПА)
Редактор Е.К. Кошелева
Корректор Г.С. Беляева
Компьютерная верстка В.И. Товстоног
Подписано в печать 07.06.2010. Формат 60×84/16.
Усл. печ. л. 2,33. Тираж 100 экз. Изд. № 134
Заказ
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.
Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана.
105005, Москва, 2-я Бауманская ул., 5.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ДЛЯ ЗАМЕТОК
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ДЛЯ ЗАМЕТОК
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа