АККУМУЛЯТОРЫ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

Любой материал, который быстро воспринимает тепло и за­тем сохраняет его в течение достаточно долгого времени, может быть использован в качестве аккумулирующей среды. Суще­ствует много таких веществ, но в системе с двигателем Стир­линга энергию следует запасать и хранить в интервале темпе­ратур 600—1000°С, причем для всех практических целей акку­мулирующий материал должен обладать высокой массовой и объемной способностью аккумулировать энергию. Такие усло­вия существенно сужают возможности выбора. Энергия, отби­раемая от аккумулирующей установки, используется затем в качестве источника тепла для двигателя. Для передачи тепла от аккумулирующей установки к нагревателю двигателя Стир­линга можно использовать непосредственно процесс теплопро­водности, для чего трубы нагревателя следует погрузить в ак­кумулирующую среду. Такой метод удобен, но, к сожалению,

АККУМУЛЯТОРЫ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

Сщмгакие

(жидкости, газа.мЕшалла и т.п.)

Рис. 5.1. Схема двигателя Стирлинга с аккумулятором тепловой энергии.

Он связан с конструкционными трудностями. Поэтому часто для соединения аккумулятора с нагревателем используют проме­жуточный теплопередающий аппарат, такой, как тепловая труба. Как только теплосодержание или температура аккумули­рующего материала становятся ниже рабочих значений, опреде­ляемых рабочими характеристиками двигателя Стирлинга, ак­кумулятор перезаряжается от первичного источника тепла. Aks кумулятор при этом является тепловым эквивалентом обычной электрической батареи, и поэтому его часто называют тепловым аккумулятором или термобатареей. Схема рассматриваемой си­стемы приведена на рис. 5.1.

Тепловую энергию можно запасти в виде теплосодержания или скрытой теплоты фазового перехода. В первом случае при отборе тепла температура аккумулирующей среды, а следова­тельно, и труб нагревателя понижается. При этом характери­стики двигателя ухудшаются. В системе аккумулирования с ис­пользованием скрытой теплоты фазового перехода при передаче энергии не обязательно происходит снижение температуры, т. е. такая система имеет определенные преимущества. Тем не ме­нее, если теплоемкость материала аккумулятора достаточно вы­сока, то аккумулирование, основанное на теплосодержании, практически более оправданно, поскольку фазовые переходы со­провождаются большими изменениями объема, а это налагает особые конструкционные ограничения на аккумулирующую установку.

Ниже перечислены требуемые свойства аккумулирующих ма­териалов (по-видимому, нет такого вещества, которое отвечало бы всем этим требованиям):

1) высокая удельная теплоемкость;

2) высокая плотность;

3) химическая стойкость;

4) совместимость с существующими материалами (металла­ми) аккумулирующей емкости;

5) нетоксичность;

6) невоспламеняемость;

7) быстрая перезарядка (высокая эффективность зарядки);

8) низкая стоимость;

9) наличие готового материала (возможность его получе­ния) .

Большинство указанных свойств понятно само по себе, за исключением, возможно, эффективности зарядки, которая была •определена следующим образом [4]:

, /Накопленное тепло Л, г

Эффективность зарядки = [ Подведенное теплоРем, (51>

Зарядки

Этот коэффициент приобретает различную степень важности в зависимости от применения. В соответствии с приведенными требованиями рассмотрены различные смеси, и в результате установлено, что наилучшими аккумулирующими материалами являются соединения лития [4—6]. Из многих его соединений лучшие показатели оказались у фторида лития LiF и у смеси солей фторидов лития и магния LiF—MgF2. Рассмотрение воз­можных материалов для термоаккумулирующих установок, а таюке их достоинств и недостатков выходит за рамки данной книги. Соответствующие данные можно найти в литературе, на­пример в уже упомянутой работе [7]. Нас же более интересует сама система аккумулятор тепловой энергии — двигатель Стир­линга.

Приведенная на рис. 5.1 система является реальной систе­мой, за исключением лишь того, что в ней еще должен цирку­лировать жидкий металл, являющийся теплоносителем. Как по­казано на рис. 5.1, аккумулирующая установка может заря­жаться от многих тепловых источников. В некоторых случаях удобно включать в состав системы зарядное устройство. В 60-е годы устройство для аккумулирования, основанное на теплосо­держании, было установлено на разработанный фирмой «Дже­нерал моторе» автомобиль «Кальвер» [8]. В качестве тепло — поглощающего материала использовалась окись алюминия, а в качестве теплоносителя — азот. Аккумулирующая установка заряжалась от горелки на природном газе. Хотя эта установка в техническом смысле оказалась удачной, имела превосходные характеристики и диапазон электрической тяги машины, но она была слишком большой по массе и дорогой, а поэтому и неконкурентоспособной в «золотой век» дешевых ископаемых топлив. Машина «Кальвер» продемонстрировала работоспособ­ность системы аккумулятор — двигатель Стирлинга, но выбор аккумулирующего материала, теплоносителя и зарядного устройства не соответствует достижениям современной техно­логии. Этот выбор был сделан в соответствии с состоянием тех­нологии того времени. В последующих разработках фирмы «Дженерал моторе» городского автобуса предусматривалось ис­пользование более совершенного аккумулирующего материала LiF, а также многослойной вакуумной изоляции бака и электри­ческой зарядки [9]. Последняя особенно актуальна сейчас, в век электричества.

Проект автобуса начал разрабатываться в 70-х годах, и, следовательно, результаты несколько устарели. Тем не менее интересно сравнить систему аккумулятор — двигатель Стирлин­га с эквивалентной системой с электрической батареей, посколь­ку обе системы за последнее десятилетие претерпели аналогич­ные технологические изменения. Такое сопоставление (табл. 5.1

Таблица 5.1. Характеристики городских автобусов с одинаковым сроком службы [9]

Характеристика

Тепловой аккумулятор — двигатель Стирлинга (1)

Электрические батареи — элек­трическая тяга (2)

Отношение

<1)Я2)

Дальность пробега, км Масса системы тяги, кг Масса при полной нагрузке, кг Объем системы тяги, м3

75 4301 15 185 2,52

75 16 430 27315 7,65

0,26 0,56 0,33

Таблица 5.2. Характеристики городских автобусов с одинаковой массой [9]

Характеристика

Тепловой аккумулятор — двигатель Стирлинга (1)

Электрические батареи —элек­трическая тяга (2)

Отношение (1) (2)

Масса при полной нагрузке, кг Масса системы тяги, кг Объем системы тяги, м3 Дальность пробега, км

15 605 2721 1,72 45

15 605 2721 1.27 22.8

1,35 1,97

И 5.2) остается актуальным н в наши дни. В табл. 5.1 сравни­ваются системы с одинаковым сроком службы; в табл. 5.2 — с одинаковой массой.

Особенно впечатляют данные для системы с двигателем Стирлинга. Такие установки могут быть общественным или лич­ным транспортом, и их можно заряжать накануне вечером или в периоды бездействия днем. Тогда, если не все станции за­рядки работают на жидком топливе, зависимость от этого топ­лива снижается. Нет оснований считать такой вид транспорта предназначенным для передвижения только в пределах города, так как новые аккумулирующие материалы позволяют увели­чить длительность пробегов. Способность к аккумулированию электрической энергии весьма важна при подводных работах, например на подводных устройствах для разведки нефти, к ко­торым в настоящее время энергия подводится от электрических батарей или от внешних источников питания по кабелям. Можно считать поэтому, что такие зарядные устройства уже суще­ствуют, поскольку из 47 океанских разведочных погружных устройств [10] 44 питаются от батарей. В таких устройствах можно применять двигатели Стирлинга как с термоаккумулиро­ванием, так и без него. Эти методы будут рассмотрены далее.

Фирма «Дженерал моторе» [5] провела исследования по применению термоаккумулирования в подводных устройствах. Были использованы контейнеры с солью лития с погруженными в них трубами нагревателя, которые обеспечивали непосред­ственный обогрев за счет теплопроводности. Неизвестно, была ли сооружена и испытана система в целом, но термоаккумули — рующая установка была не только сооружена, но и испытана. Для определения характеристик всей системы были использо­ваны данные о работе других двигателей Стирлинга этой фир­мы. Имеются сообщения об испытаниях по определению скоро­сти разрядки теплового аккумулятора при использовании различных теплоизолирующих материалов, но, к сожалению, не приведены данные о времени и эффективности зарядки. Иссле­дуемые фирмой «Дженерал моторе» системы оцениваются как по массовым, так и по объемным характеристикам. Последнее особенно важно при наличии ограничений на объем, например при использовании в военных целях или в космосе. Результаты расчетов на ЭВМ характеристик системы двигатель Стирлин­га— тепловой аккумулятор приведены на рис. 5.2, а экспери­ментальные данные по термоаккумулированию для такой си­стемы— на рис. 5.3. Из последнего графика следует, что при соответствующей теплоизоляции тепловая энергия может со­храняться в течение продолжительного времени на соответ­ствующем температурном уровне. В рассмотренном случае даже спустя 6 сут после зарядки аккумулятор сохранял 78 % перво-

25 Зак. 839

Начальной энергии. Отсюда следует, что при низкой скорости отвода тепла продолжительность работы может существенно

АККУМУЛЯТОРЫ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

Рис. 5.2. Расчетные характеристики системы двигатель Стирлинга — тепловой аккумулятор, разрабатываемой фирмой «Дженерал моторе» [5].

Батареями и система тепловой аккумулятор — двигатель Стир-

АККУМУЛЯТОРЫ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

Совершенно очевидны преимущества системы с двигателем Стир­линга. Еще одним требующим внимания фактором является создание системы жизнеобеспечения на борту таких океаногра­
фических погружных устройств. Для погружений на глубину более 60 м необходим обогрев всего внутреннего пространства погружного устройства, а при использовании автономной систе­мы жизнеобеспечения водолаза потребуется дополнительное тепло для поддержания внутри водолазного костюма подходя­щей рабочей температуры. В системе с батареями для этого нужна дополнительная энергия, в то время как в системе с дви-

100

АККУМУЛЯТОРЫ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

О 5=

Е о

100

Врсмя работы, ч

Рис. 5 4 Сравнение различных подводных энергетических установок мощ­ностью 50 кВт [5].

Гателем Стирлинга можно использовать тепло охладителя. Фир­мы «Юнайтед Стирлинг» и «Комекс», скорее всего, применяют аналогичную систему жизнеобеспечения водолазов.

В последнее время рассматриваются новые типы тепловых и электрических батарей и проводятся их испытания. Заинтере­сованные читатели могут найти информацию по этим вопросам в «Трудах конференции международного общества по преобра­зованию энергии в технике» за 1977—1981 гг. Имеющиеся вто­ричные источники энергии сравниваются в табл. 5.3 [11].

10

В одном из последних исследований автомобильной системы с двигателем Стирлинга и тепловым аккумулированием [7], имеющей дальность пробега 160 км при скорости 68 км/ч, сде­ланы выводы о том, что такая система сопоставима по стои­мости с лучшей системой с электрическими батареями и элек­троприводом и что она будет конкурентоспособна с двигателем

Таблица 5.3. Вторичные источники тепловой энергии (1 кВт-ч)


Масса по отношению к LiF

Масса, кг

Источник

Объем по Объем, л отношению к LiF

0,87 0,89 0,76 7,62

1,56 0,48 1,11 16,0

1,02 0,87 8,76

0.31 0,71 10,26

Фторид лития (LiF) Гидрид лития Гидроокись лития Серебряно-цинковые батареи


С принудительным зажиганием, если цена бензина возрастет до 0,82 долл./л.

Такие цены уже установлены во многих западных странах (но не в США). Поэтому использование теплового аккумули­рования представляется экономически и технически более оправ­данным для небольших погружных устройств и малогабарит­ных автомобилей. В то же время из опыта разработки тепловых аккумуляторов фирмой «Дженерал моторе» следует, что такие системы лучше подходят для более крупных энергосиловых установок, чем используемые на автомобилях, а именно для энергосиловых установок локомотивов и подводных лодок сред­него размера. Энергосиловая установка на основе системы с тепловым аккумулированием и двигателем Стирлинга мощ­ностью 1 МВт при емкости теплового аккумулятора 44 МВт-ч обеспечивает в 8,34 раза больше энергии для погружных устройств, чем электрическая система той же массы на свин — цово-кислотных батареях.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *