ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО АККУМУЛЯТОРА

Теп ловой аккумулятор состоит из теплоносителя, или теплоза­пасающего материала, контейнера, в котором он хранится, теп­ловой изоляции, обусловливающей минимальную утечку «запа­сенной» теплоты, и устройства для подвода теплоты к теплоно­сителю.

Теплоноситель должен иметь большую удельную теплоем­кость; большую теплоту плавления при температуре плавления более высокой, чем максимальная температура рабочего тела в двигателе; низкое давление паров при рабочей температуре дви­гателя; высокую плотность для обеспечения компактности теп­лового аккумулятора; химическую стабильность во всем диапа­зоне рабочих температур; достаточно высокую механическую и термическую прочность; совместимость с материалом контейнера и поверхности теплопередачи; низкую стоимость. Кроме того, теплоноситель должен быть практически нетоксичным и допу­скать большое число циклов перезарядки. В природе не суще­ствует материала, который обладал бы всеми перечисленными выше свойствами, однако, возможно создание искусственных материалов, в разной степени удовлетворяющих указанным тре­бованиям.

Тепловые аккумуляторы могут быть двух типов: с теплоно­сителем в твердом состоянии и с теплоносителем в жидком со­стоянии.

На рис. 81 показана массовая и объемная энергоемкость не­которых материалов, которые могут быть использованы в каче­стве теплоносителя. За нижнюю границу температурного ин­тервала была принята температура 538° С, так как при этой температуре двигатель Стирлинга имеет еще достаточно высо­кий термический к. п. д.

Верхняя граница температурного интервала для отдельных материалов ограничивалась степенью изученности их теплофи­зических характеристик при этой температуре. Следует заме­тить, что практические ограничения по совместимости материа­ла теплоносителя и материалов контейнера и изоляции могут существенно менять границы рабочего интервала температур. Тем не менее, приведенная иа рис. 81 гистограмма позволяет оценить относительный потенциал по удельной массовой и объ­емной энергоемкости каждого из приведенных материалов.

Четыре вещества — ІлН, 1ЛР, ЫаР и представляют со­

Бой жидкие соли. Гидрат лития ЬіН ‘имеет наибольшую удель­ную массовую энергоемкость. Однако эта соль разлагается при

Сравнительно ипзкой температуре, лишь незначительно превос­ходящей ее температуру плавления (690° С). Фторид лития ЫР сравним по удельной, массовой и объемной энергоемкости с гид­ратом лития ЫН и имеет высокую температуру плавления (847° С), что делает его более пригодным для использования в качестве теплоносителя.

Другие материалы — твердые вещества, они запасают тепло­вую энергию без фазовых переходов, и поэтому их температура по мере отдачи теплоты понижается. Для одинаковых количеств и конечной температуры теплоносителя это приводит к умень­шению количества используемой теплоты по сравнению с жид­кими теплоносителями.

Хотя допустимая верхняя рабочая граница температуры для указанных на рис. 81 твердых материалов более высокая, чем для корродирующих жидких (расплавов солей), тем не менее трудности в подборе надежной и высокоэффективной изоляции, работающей при этих температурах в течение длительного сро­ка, делают такие рабочие температуры труднореализуемым п. Эти трудности усугубляются циклическим изменением темпера­туры (1800—700—1800° С) теплозапасающих материалов.

Применение твердых материалов в тепловом аккумуляторе целесообразно при верхней границе рабочих темлератур свыше 1200° С, Однако в настоящее время практически трудно обес­печить надежную работу двигателя при такой температуре. Ве­щества с изменением агрегатного состояния при нагревании и с достаточно высокой м а с совой и объемной энергоемкостью име­ют верхнюю границу рабочих температур около 1000—1100° С, при которых возможна надежная работа двигателя. Кроме то­го, при использовании жидкого теплоносителя упрощается пере-

:*1 запасенной теплоты во внутренний контур двигателя. На­гревательные трубки двигателя можно поместить непосредствен­но в расплаве теплоносителя, что обусловливает достаточно эф­фективную передачу теплоты от жидкого теплоносителя рабо­чему телу.

В случае применения твердого теплозапасающего материала теплопередача от него к нагревателю двигателя осуществля­ется промежуточным теплоносителем, теплофизические свойства которого в конечном итоге определяют эффективность теплопе­редачи. В го же время при использовании промежуточного теп­лоносителя (обычно газа) требуется развитая теплообменная поверхность как со стороны нагревателя двигателя, так и со стороны теплозапасающего материала. Поэтому в тепловом ак­кумуляторе твердый теплозапасающий материал может быть применен только в виде высокопористой массы, имеющей боль­шую теплообменную поверхность. Вследствие этого действитель­ная объемная энергоемкость твердого теплозапасающего мате­риала будет в несколько раз меньше, чем приведенная на рис. 81 объемная энергоемкость твердого материала в состоянии монолита. Положительным качеством твердых теплозапасаю­щих материалов является то, что они не вызывают коррозий материала контейнера, трубопроводов и нагревателя двигателя. В настоящее время наиболее подходящими теплозапасающими материалами для двигателей Стирлинга являются в твердой фазе —окись алюминия А1203, а в жидкой — фторид лития £лР. Из этих теплозапасающих материалов в тепловых аккуму­ляторах чаще применяется фторид лития в жидкой фазе.

Проведенные испытания на совместимость фторида лития с рядом материалов при высоких температурах показали, что сплав марки хастеллой С (17% Сг, 17% Мо, 2% Мп) оказался наилучшим по коррозионной стойкости при длительном контак­те с фторидом лития (свыше 4000 ч), причем температура из­менялась циклически (цикл около 3 ч) с 427 до 900°С, что наи­более полно соответствует реальным условиям работы тепло­вого аккумулятора. В случае применения фторида лития в ка­честве теплозапасающего материала трудно обеспечить надеж­ную теплопередачу во время зарядки и разрядки теплового* аккумулятора.

Проблема теплопередачи от постороннего источника к фто­риду лития осложняется из-за того, что иР меняет фазовое со­стояние во время зарядки и разрядкн. При застывании объем лития уменьшается почти на 50%, что вызывает образование раковин в застывшем расплаве. Наибольшее отрицательное воз­действие на эффективность двигателя оказывают раковины, об­разующиеся на теплопередающих поверхностях. Если раковины образуются на теплопередающих поверхностях нагревающих элементов при зарядке теплового аккумулятора, то элементы перегреваются Н Разрушаются.

Кроме отрицательного воздействия на процесс теплопереда­чи, раковины вызывают значительные механические напряже­ния в деталях контейнера. Структура раковин, как было уста­новлено экспериментально, зависит в основном от скорости теп­лопередачи. Так, при медленном внутреннем охлаждении рас­плава образуются большие раковины, в случае быстрого охлаж­дения застывающий расплав не содержит больших раковин.

На рис. 82 приведены объемная и массовая энергоемкость различных энергетических систем типа аккумулятор энергии — преобразующее устройство [9]. Как по объемной, так и по мае — совой энергоемкости система тепловой аккумулятор—двига­тель Стирлинга (с Г]*=0,36) в несколько раз превосходит дру­гие системы, в том числе и наиболее перспективную: электриче­ские серебряноцинковые батареи — электродвигатель. Кроме того, время увеличения емкости теплового аккумулятора на 1 кВт • ч в десятки раз меньше, чем у любых электрических ак­кумуляторных батарей с ограниченной плотностью зарядного тока.

В зависимости от того, в какой фазе — твердой или жидкой используется теплозапасающий материал в тепловом аккумуля­торе, возможны различные конструктивные схемы системы теп­ловой аккумулятор — двигатель Стирлинга.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО АККУМУЛЯТОРА

І501П

Рис, 83. Энергетическая система тепловой акку­мулятор с твердым теп­лозапасающим материа­лом—двигатель Стирлин­га: /

Штриховые стрелку — за­рядка теплового аккуму­лятора; сплошные стрел­ки — разрядка :

—1— 1

1 — г — ^

—————————

—-————————————————

1

1

В 5

На рис. 83 изображена схема системы с твердым теплозапа­сающим материалом в виде окиси алюминия АІ2О3. Воздухо­дувка I через подогреватель 2 подает воздух в камеру сгора­ния 3, объединенную с контейнером теплового аккумулятора 4. При зарядке теплового аккумулятора и одновременной работе двигателя 6 продукты сгорания с высокой температурой цирку­лируют по двум контурам: одна часть через нагревательный контур двигателя и неработающую высокотемпературную воз­духодувку 5 поступает в сборный канал и после прохождения предварительного подогревателя 2 выбрасывается в атмосферу; другая — проходит через пористую массу теплозапасающего материала, отдает ей свое тепло, а затем через сборный канал и предварительный подогреватель также выбрасывается в ат­мосферу. После того как температура массы теплозапасающего материала достигнет определенной величины (1500° С, как пока­зано на графике вверху) воздуходувка / отключается, и работа камеры сгорания 3 прекращается, а система клапанов отсоеди­няет воздушно-газовые коммуникации от атмосферы. Одновре­менно включается высокотемпературная воздуходувка 5 и про­дукты сгорания, оставшиеся в тепловом аккумуляторе и нагре­вательном контуре двигателя, циркулируют теперь по замкну­тому контуру: тепловой аккумулятор — нагревательный контур двигателя. По мере снижения температуры теплозапасающего материала количество теплоты, передаваемой в контур двига­теля, уменьшается. Чтобы в этом случае сохранить постоянным’ количество теплоты, вводимой в двигатель, увеличивают часто­ту вращения воздуходувки 5, вследствие чего возрастает секунд­ный расход циркулирующего газа в замкнутом контуре.

Схема с использованием в качестве теплозапасающего ма­териала жидкого расплава соли ЫГ при температуре более вы­сокой, тем температура плавления, показана на рис. 84. Вместо

Высокотемпературной воздуходувки для поддержания циркуля­ции расплава 1лР в замкнутом контуре тепловой аккумулятор 4 нагреватель двигателя 5 используется высокотемператур­ной циркуляционный насос 6. В систему замкнутого контура фторид лития заливают в расплавленном состоянии при темпе­ратуре более высокой, чем температура его плавления. При па­дении температуры расплава соли 1ЛР до температуры плавле — ни^ включается в работу воздуходувка 1 и камера сгорания 3, вследствие чего повышается температура расплава до необхо­димой, затем камера сгорания вновь отключается. Воздух по­дается в камеру сгорания через подогреватель 2. Таким обра­зом, при работе системы тепловой аккумулятор—двигатель Стирлиига по этой схеме скрытая теплота плавления фторида лития не используется, что, с одной стороны, несколько ухуд­шает массовую и объемную энергоемкости системы, но, с дру­гой стороны, обеспечивает надежную работу, так как при этом не образуется раковии.

Прямую теплопередачу от расплава ЫР в нагревательный контур двигателя наиболее просто осуществить, помещая нагре­вательные трубки двигателя непосредственно в резервуар с рас­плавом. В этом случае массовые и объемные характеристики си­стемы по энергоемкости улучшаются, так как используется скрытая теплота плавления (или затвердевания) теплозапаса­ющего материала. Недостаток такой системы — меньшая надеж­ность вследствие образования раковин на поверхностях тепло­передачи. Кроме того, для обеспечения продолжительного функ­ционирования системы необходимо большое количество теплоза­пасающего материала, что при отсутствии циркуляционного на­соса представляет — собой проблему для передачи теплоты от всей массы этого материала к нагревательным трубкам головки дви-

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО АККУМУЛЯТОРА

Рис. 84. Энергетическая система тепловой акку­мулятор с жидким тепло­запасающим материа­лом—двигатель Стирлин­га

Рис. 85. Схема энергетической уста­новки, и которой тепловой аккуму­лятор соединен с двигателем Стир­линга при помощи тепловой трубы:

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО АККУМУЛЯТОРА/ — контейнеры с расплавом соли ЫР; 2 — слой пористого материала; 3 — отсечной клапан тепловой тру­бы; 4 — двигатель Стирлинга; 5 — тепловая изоляция; о — теплоноси­тель в тепловой трубе—жидкий нат­рий; 7 — электро нагревающее уст­ройство; штриховые стрелки — теп­ловой поток при зарядке теплового аккумулятора; сплошные стрелки— тепловой поток при разрядке тепло­вого аккумулятора

5’ателя, длина которых ограничивается выбранными конструктив­ными параметрами последнего. Тем не менее эта система в сочетании с обычной камерой сгорания, работающей на газо­образном или жидком топливе, может быть использована для городского транспорта (пассажирские автобусы, небольшие гру­зовые фургоны и т. д.), так как силовая установка в этом слу­чае обладает минимальной токсичностью и низким уровнем шума.

Наиболее слабым звеном в системе тепловой аккумулятор двигатель Стирлинга с жидким теплозапасающим материалом является циркуляционный насос. Пока нет достаточно надежных насосов для перекачки жидкого металла при температуре 900— 1000° С. Поэтому несомненный интерес вызывает применение в системах с жидким теплозапасающим материалом тепловых труб. Отсылая читателя для ознакомления с конструкцией и принципом работы тепловых труб к специальной литературе [30], отметим те специфические особенности, которые делают их пригодными для применения в системе тепловой аккумуля­тор — двигатель Стирлинга.

Помимо того что тепловые трубы могут передавать большое количество теплоты (в десятки и даже сотни раз большее, чем можно передать через медный трубопровод такого же сечения) при весьма малой разности температур, их можно еще рассмат­ривать и как преобразователи теплового потока. Большая по­верхность тепловой трубы позволяет использовать для ее нагре­ва тепловой поток малой плотностью. Теплота, полученная та­ким образом, может вновь передаваться тепловым потоком вы­сокой плотности к другой поверхности теплообмена. В этом случае тепловая труба в отношении плотности теплового пото­ка действует как трансформатор напряжения электрического тока.

На рис. 85 показана схема энергетической установки, в кото­рой тепловой аккумулятор соединен при помощи тепловой тру­бы с двигателем Стирлинга. Тепловой аккумулятор состоит из нескольких герметичных тонкостенных контейнеров, заполнен­
ных расплавом соли 1лЕ. Контейнеры помещены и корпус, 1и)-

ТОрЫЙ ОДНОВремеННО ЯВЛЯеТСЯ НаруЖНОЙ оболочкой ‘П’НЛОНОП

Трубы. При заполнении контейнеров расплавом соли УК жидкая соль практически занимает весь объем и только часть его мдд расплавленной солью заполняется инертным газом — аргоном; его давление выбирают так, чтобы при затвердении соли созда­валось наибольшее избыточное давление внутри контейнера, предотвращающее его разрушение. Через слой пористого мате­риала 2 теплоноситель тепловой трубы—натрий возвращается в жидком состоянии в зону испарения. Тепловой аккумулятор и двигатель 4 соединены между собой элементом тепловой тру­бы с отсечным клапаном 3.

Если дно наружного корпуса нагреть электрическим током, то натрий испаряется и конденсируется на контейнерах с ЫЙ с отдачей соответствующего количество теплоты. Жидкий нат­рий возвращается в нижнюю часть корпуса через пористый ма­териал 2. Этот процесс продолжается до тех пор, пока вся соль в контейнерах не будет расплавлена, что можно определить по изменению скорости повышения температуры. В этом случае тепловой аккумулятор считается заряженным, и электроподогре­вающее устройство 7 может быть отключено. Если требуется пустить двигатель, то клапан 3 открывают, и пары натрия начи­нают конденсироваться на трубках нагревателя двигателя, а сконденсировавшийся жидкий натрий течет обратно к внешней поверхности контейнеров, которые теперь становятся зоной ис­парения тепловой трубы.

Совершенно очевидно, что при применении теплового акку­мулятора в качестве источника теплоты возможно использова­ние различных видов энергии: энергии деления ядер в атомном реакторе н радиоактивного распада различных веществ; энер­гии солнечной радиации и от сгорания любых видов ископае­мых топлив, электроэнергии и т. д.

Добавить комментарий

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