Применение управляемых теплоаккумулирующих устройств в солнечных водонагревательных установках

Богданович Галина Александровна; Жуков Валентин Алексеевич; Слесаренко Ирина Борисовна

ТЕХНОЛОГИИ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

УДК 621.311.25

Г.А. Богданович, В.А. Жуков, И.Б. Слесаренко

БОГДАНОВИЧ ГАЛИНА АЛЕКСАНДРОВНА - кандидат экономических наук, директор регионального Центра эффективности и энергосбережения (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток).

ЖУКОВ ВАЛЕНТИН АЛЕКСЕЕВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры электроэнергетики и электротехники Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток).

E-mail: [email protected]

СЛЕСАРЕНКО ИРИНА БОРИСОВНА - кандидат технических наук, доцент кафедры товароведения и экспертизы товаров Школы экономики и менеджмента (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток).

E-mail: [email protected]

ПРИМЕНЕНИЕ УПРАВЛЯЕМЫХ ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ В СОЛНЕЧНЫХ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ

Рассмотрен один из способов аккумулирования тепловой нагрузки на базе использования теплового аккумулятора с плавящимся теплоаккумулирующим материалом (ТАМ). Отбор тепловой энергии от аккумулятора осуществляется с помощью управляемой тепловой трубы. Отпуск тепловой энергии потребителю может производиться по графику с одновременной архивацией и индикацией количества запасенной тепловой энергии. Предлагаемый способ позволяет повысить энергоэффективность эксплуатации энергетической установки.

Ключевые слова: теплоаккумулирующие материалы (ТАМ), тепловая труба, ультразвук, теплоаккумулятор с плавящимся ТАМ, парафин.

Application of thermal storage controlled devices in solar water heating equipments.

Galina A. Bogdanovich, Valentin A. Jukov, Irina B. Slesarenko (Far Eastern Federal University, Vladivostok).

The article deals with one of the means of accumulating thermal energy using a heat accumulator with heat-saving consumable material (HCM). Thermal energy is taken from the accumulator through the controlled heat pipe. Thermal energy may be delivered to the consumer according to a schedule, the amount of stored heat being simultaneously archived and displayed. The method proposed here enables one to improve the efficiency of power plant operation.

Key words: heat-saving consumable material (HCM), heat pipe, ultra-sound, heat accumulator with consumable paraffin.

Применение теплоаккумулирующих материалов для целей аккумулирования и утилизации теплоты в часы пиковой тепловой нагрузки в настоящее время можно рассматривать как один из действенных способов повышения эффективности теплогенерирующей установки [2].

В настоящее время известно большое многообразие видов и конструкций тепловых аккумуляторов, которые имеют различные технические и конструктивные решения:

- жидкостные аккумуляторы тепла;

- термохимические аккумуляторы;

- тепловые аккумуляторы с электронагревательным элементом;

- тепловые аккумуляторы с твердым ТАМ;

- тепловые аккумуляторы с плавящимся ТАМ.

Конструктивно теплоаккумуляторы реализуются с подвижными и неподвижными элементами ТАМ. Использование неподвижных элементов упрощает конструкцию, но требует большой массы ТАМ. Температура теплоносителя на выходе аккумуляторов такой конструкции изменяется с течением времени, что требует дополнительного устройства поддержания постоянных параметров.

Использование подвижных элементов предполагает применение тепловых аккумуляторов в виде вращающегося регенератора (тепловое колесо). По конструкции такие аккумуляторы выполняются в виде вращающегося диска или барабана и изготовляются из материалов высокой пористости и с высокими значениями теплоемкости. По мере того как диск (или барабан) медленно вращается, тепло передается ему нагретой средой (горячий воздух). При дальнейшем вращении диска (или барабана) он отдает свое тепло более холодному поступающему воздуху. Данный аккумулятор обладает высоким кпд теплопередачи (до 80%). Тепловое колесо рекомендуется использовать для обогрева помещений, утилизации тепла технологических процессов при низких и средних температурах окружающей среды.

При использовании теплоты плавления некоторых веществ для аккумулирования теплоты обеспечивается высокая плотность запасаемой энергии, небольшие перепады температур на выходе из теплового аккумулятора. Недостатки таких ТАМ: в расплавленном состоянии обладают повышенной коррозией, изменяют объем при плавлении и относительно дороги.

^_____о

При небольших рабочих температурах (до 120 С), что характерно для

о

теплогенерирующей установки СВНУ (до 95 С), рекомендуется применение кристаллогидратов неорганических солей.

Самым технологическим и дорогим элементом в конструкции теплового аккумулятора является теплообменная поверхность вследствие низких коэффициентов теплопроводности большинства плавящихся ТАМ. Известно, что лучшим вариантом теплообменной поверхности является ее отсутствие, т.е. непосредственный контакт теплоаккумулирующего

материала и теплоносителя. Очевидно, что в этом случае необходимо подбирать как теплоаккумулирующие материалы, так и теплоносители по признакам, обеспечивающим работоспособность конструкций.

Для регулирования отбора тепловой энергии, накопленной в теплоаккумуляторе, подаваемой потребителю, тепловая труба в зависимости от заданного расхода осуществляет ее отпуск (см. рисунок). В зоне испарения подводится тепло, посредством которого происходит испарение рабочей жидкости (дистиллированная вода с раствором солей СаСОз).

Управление отпуском тепла производится посредством электрического напряжения, подаваемого на сетчатые мембраны 8 тепловой трубы, и изменением количества паров, проходящих через капиллярно-пористый материал (КПМ). Управляющее знако-переменное электрическое напряжение формируется в устройстве 6 (источник напряжения). В зоне 5 происходит испарение (отбор тепла), в зоне 7 - конденсация паров (передача тепла).

Управляющее воздействие для источника переменного напряжения 6 формируется вычислительным устройством, в структуру которого включен программатор отпуска тепловой энергии. Микропроцессор вычислительного устройства фиксирует температуру в реперных точках с помощью датчиков 1, измеряющих температуру в зоне теплоаккумулирующего материала (ТАМ). С помощью датчиков температур 1, 2 и расходомеров 3, 4 микропроцессор осуществляет измерение запасенной и отданной тепловой энергии потребителю по выражению: Qaк = т • Ср • (^ - ), где т - масса ТАМ, кг; Ср -

о

удельная теплоемкость ТАМ, Дж/(кг- С); ^ - температуры ТАМ до и после накопления тепловой энергии теплоаккумулятором.

Микропроцессоры позволяют выводить на дисплей информацию о количестве запасенной и отданной тепловой энергии, а также осуществлять архивацию режимов работы теплоаккумулятора.

Зона конденсации(передача тепла) I Сетчатая мембрана |

Капиллярно пористый материал (КПМ)

т т ▼ Т т т

Сетчатая мембрана Зона испарения (отбор тепла)

Функциональная схема теплоаккумулятора с регулируемым отбором тепла

7

6

11

(-)

+

5

Принцип работы управляемой тепловой трубы заключается в воздействии электрического поля, создаваемого системой сетчатых мембран, на паровую фазу рабочей жидкости в зоне испарения и конденсации. Сетчатая мембрана по конструкции представляет двухэлектродную систему. В режиме управляемого отбора тепловой энергии на электроде сетчатой мембраны в зоне конденсации устанавливается потенциал электрического поля (+), а в зоне испарения - (-). Пары рабочей жидкости, пройдя электроды сетчатой мембраны, в зоне испарения заряжаются отрицательно, проходят в зону конденсации в полном объеме. При обратной полярности в зоне конденсации (-) электрическое поле препятствует прохождению паров рабочей жидкости. Такому регулированию можно провести аналогию режиму работы электронной трехэлектродной лампы.

Ультразвуковое устройство, состоящее из источника ультразвука (генератор) 9 и приемника 10 ультразвука, вводит в микропроцессор вычислительного устройства коррекцию значения удельной теплоемкости Ср ТАМ, так как в процессе накопления и отдачи тепловой энергии имеет место изменение фазового состояния ТАМ. Кроме коррекции удельной теплоемкости ультразвуковое устройство способствует гомогенности при фазовых преобразованиях ТАМ, что способствует повышению его удельной теплоемкости.

Достоинства схемной реализации следующие:

- наличие управляемой тепловой трубы для регулирования отбора тепловой энергии от теплоаккумулирующего материала в широких пределах за счет использования электрического поля, создаваемого электродной системой сетчатых мембран и источником знакопеременного напряжения;

- управление передачей тепловой энергии потребителям, осуществляемое с помощью программного устройства с последующей архивацией режимов работы;

- наличие визуального контроля запасенной и отдаваемой тепловой энергии и режимов работы теплоаккумулятора;

- наличие ультразвукового устройства, позволяющее корректировать вычисления тепловой энергии в зависимости от фазового состояния ТАМ;

- наличие ультразвукового устройства, позволяющее гомогенизировать структуру ТАМ для повышения его теплоемкости.

Вычислительное устройство (программатор, микропроцессор) может быть реализовано на приборах российского производства фирмы «OWEN».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пат. 114130 Российская Федерация. Тепловой аккумулятор с регулируемым отбором тепла / Г.А. Богданович, В.А. Жуков, И.Б. Слесаренко. Заявл. 12.05.2011, опубл. 10.03.2012. Бюл. № 7.

2. Физический энциклопедический словарь М.: Советская энциклопедия, 1984.

Application of thermal storage controlled devices in solar water heating equipments

Текст научной работы на тему «Применение управляемых теплоаккумулирующих устройств в солнечных водонагревательных установках»