Тепловые аккумуляторы фазового перехода это

Аккумуляторы фазового перехода вещества

Использование теплоты плавления некоторых веществ для аккумулирования теплоты обеспечивает высокую плотность запасаемой энергии, небольшие перепады температур и стабильную температуру на выходе из теплового аккумулятора. Однако большинство ТАМ в расплавленном состоянии являются коррозионно-активными веществами, в большинстве своем имеют низкий коэффициент теплопроводности, изменяют объем при плавлении и относительно дороги. В настоящее время известен достаточно широкий спектр веществ, обеспечивающих температуру аккумуляции от 0 до 1400 °C. Следует отметить, что широкое применение тепловых аккумуляторов с плавящимся ТАМ сдерживается, прежде всего, соображениями экономичности создаваемых установок.

При небольших рабочих температурах (до 120 °C) рекомендуется применение кристаллогидратов неорганических солей (Табл.8), что связано в первую очередь с использованием в качестве ТАМ природных веществ. Для реального применения рассматриваются только вещества, не разлагающиеся при плавлении либо растворяющиеся в избыточной воде, входящей в состав ТАМ.

Таблица 8. Основные свойства ТАМ на основе кристаллогидратов

ТАМ	, К	, кДж/кг	Удельная теплоемкость,	Плотность,	Коэффициент
теплопроводности,	вязкости,
Полиэтилен- гликол­ь	293-298	2,26	−	0,16	11,5
Октадекан	2,18	−	0,15	3,9
Парафин 46-48	2,08	−	0,34
Нафталин	−	−	−	−	0,8
Ацетамин	−	−	−	−	−

Использование органических веществ (Табл.9) практически полностью снимает вопросы коррозионного разрушения корпуса, обеспечивает высокие плотности запасаемой энергии, достаточно хорошие технико-экономические показатели. Однако в процессе работы теплового аккумулятора с органическими ТАМ происходит снижение теплоты плавления вследствие разрушения длинных цепочек молекул полимеров, а из-за низкого коэффициента теплопроводности требуется создание и применение развитых поверхностей теплообмена, что, в свою очередь, накладывает конструктивные ограничения на использование ТА.

Таблица 9. Основные свойства плавящихся органических ТАМ

Перспективно использовать смеси и сплавы органических и неорганических веществ, позволяющие обеспечивать необходимые значения температур плавления и большие сроки службы. Известно, что лучшим вариантом теплообменной поверхности является ее полное отсутствие, т. е. непосредственный контакт теплоаккумулирующего материала и теплоносителя. Следовательно, необходимо подбирать как ТАМ, так и теплоносители по признакам, обеспечивающим работоспособность конструкций.

Теплоаккумулирующие материалы в этом случае должны отвечать следующим требованиям:

— кристаллизоваться отдельными кристаллами;

— иметь большую разность плотностей твердой и жидкой фаз;

— быть химически стабильными;

— не образовывать эмульсий с теплоносителем.

Теплоносители подбираются по следующим признакам:

— химическая стабильность в смеси с ТАМ;

— большая разница плотностей по отношению к ТАМ;

— малая способность к вспениванию;

— и ряд других требований, вытекающих из особенностей конструкции [54,55].

Основные конструктивные исполнения тепловых аккумуляторов фазового перехода представлены на Рис. 27.

Рис.27. Основные типы тепловых аккумуляторов фазового перехода: а – капсульный; б – кожухотрубный; в, г – со скребковым удалением ТАМ; д – с ультразвуковым удалением ТАМ; е, ж – с прямым контактом и прокачкой ТАМ; з, и – с испарительно-конвективным переносом тепла; 1 – жидкий ТАМ; 2 – твердый ТАМ; 3 – поверхность теплообмена; 4 – корпус теплового аккумулятора; 5 – теплоноситель; 6 – граница раздела фаз; 7 – частицы твердого ТАМ; 8 – промежуточный теплообменник; 9 – паровое и жидкостное пространства для теплоносителя.

Дата добавления: 2017-12-07 ; просмотров: 2610 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Аккумулирование тепла с использованием фазового перехода

Под аккумулированием на основе теплоты фазового перехода в большинстве случаев понимают аккумулирование теплоты плавления. Часто как дополнение к теплоте фазового перехода используется теплота нагрева (внутренняя энергия) жидкости или твердой фазы. Это увеличивает емкость аккумулятора, но лишает возможности использования преимуществ теплоснабжения при постоянной температуре.

Технические решения. Системы аккумулирования тепловой энергии, основанные на использовании теплоты фазового перехода, активно исследуются, но многие из них в настоящее время находятся еще на стадии разработки и внедрения. Их главными преимуществами являются высокая тепловая емкость, постоянная рабочая температура и низкое давление; недостатками — невысокая стабильность большинства ТАМов с фазовым переходом и усложнение конструкции теплового аккумулятора, необходимость решения проблемы теплообмена с аккумулирующей средой.

В последнее время в тепловом аккумулировании в интервале температур до 100 °С для теплоаккумулирующих материалов с фазовым переходом не было предложено никаких новых веществ, кроме кристаллогидратов. Однако в состав кристаллогидратов входит вода и поэтому они недостаточно стабильны; максимальным для кристаллогидратов являются 50 рабочих циклов заряд—разряд. При дальнейшей эксплуатации изменяются их физико-химические и теплофизические характеристики, что приводит к выходу из строя теплового аккумулятора, в котором они применяются .

Аккумуляторы на основе теплоты фазового перехода относятся к системам с постоянным давлением и массой; изменения объема ТАМов с фазовым переходом, которые происходят в процессе проведения циклов плавление—затвердение, как правило, достаточно незначительны.

Эффективная аккумулирующая среда на основе фазового перехода должна иметь следующие свойства:

• высокую энтальпию фазового перехода и плотность;
• удобную для эксплуатационных условий температуру плавления;
• высокую теплоемкость в твердой и жидкой фазах;
• высокую теплопроводность в твердой и жидкой фазах;
• отсутствие тенденции к расслоению теплоаккумулирующего материала и температурную стабильность;
• отсутствие возможности переохлаждения при затвердении и перегрева при плавлении;
• низкое термическое расширение и незначительное изменение объема при плавлении;
• слабую химическую активность, что позволяет использовать недорогие конструкционные материалы для изготовления тепловых аккумуляторов и вспомогательного оборудования;
• безопасность (отсутствием отравляющих паров, а также опасных реакций с рабочей или теплообменной средой);
• большие ресурсы работы. Теплоаккумулирующие материалы, способные накапливать тепло за счет фазовых переходов и их основные теплофизические и энергетические характеристики. Основные теплофизические и энергетические характеристики ТАМов-кристаллогидратов приведены в соответствующей таблице.

Употребляемое в таблицах понятие «удельная энергия» — это удельный показатель энергоемкости на единицу массы или объема, который учитывает теплоту фазового перехода и теплоту, накопленную за счет теплоемкости в процессе нагрева до температуры плавления. В качестве теплоаккумулирующих материалов с фазовым переходом используются как моносоставные, так и полисоставные (в том числе бинарные) материалы.

Применение бинарных систем обеспечивает некоторые преимущества:

• точку плавления можно выбирать изменением количественного соотношения солей в смеси;
• высокая плотность энергии может быть достигнута даже при низких температурах плавления;
• дорогостоящие вещества с высокими теплоаккумулирующими свойствами могут быть использованы в смеси с дешевыми, при этом тепловая емкость остается почти неизменной. Бинарные системы при их использовании в аккумуляторах должны плавиться и затвердевать аналогично гомогенному чистому веществу. Этому условию отвечают два типа специальных составов смесей — эвтектическая и дистектическая. Эвтектический состав смеси ТАМов представлен нижней точкой на диаграммах плавления; дистектический состав представляет собой смесь, которая ведет себя почти как чистое вещество.

Результаты анализа известных теплоаккумулирующих материалов показывают, что наиболее эффективными для применения в ТА с невысокой рабочей температурой являются: парафин — вследствие высокой энтальпии и неагрессивности, вода — из-за низкой стоимости и высокой теплоемкости, тяжелый бетон — благодаря конструкционным свойствам и хорошей теплопроводности. Низкотемпературное аккумулирование. Аккумулирование с использованием энергии фазового перехода (замораживание воды при О °С) является очень эффективным методом низкотемпературного аккумулирования. Во многих государствах разработаны и применяются различные системы аккумулирования с замораживанием воды. Аккумулирование энергии посредством использования льда особенно выгодно в климатических зонах, где нагрузки на охлаждение в летнее время можно сравнить с нагрузками обогрева зимой, что предполагает годовое циклирование, т. е. эффективное двойное использование системы аккумулирования.

Источник

ТЕПЛОВОЙ АККУМУЛЯТОР ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА Российский патент 2000 года по МПК F02N17/00

Описание патента на изобретение RU2150603C1

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к устройствам для разогрева двигателей внутреннего сгорания (ДВС), и может использоваться в эксплуатации строительных, дорожных, лесозаготовительных машин, автомобилей, тепловозов и других мобильных машин в условиях отрицательных температур окружающего воздуха.

Известен тепловой аккумулятор фазового перехода (ТАФП), утилизирующий и аккумулирующий тепловую энергию отработавших газов ДВС [1], который состоит из наружного и внутреннего корпусов, между которыми расположен слой теплоизоляции. Внутри теплоаккумулирующего ядра, представляющего собой замкнутую полость, ограниченную внутренним корпусом, расположены газовый теплообменник, соединенный с системой выхлопа отработавших газов, жидкостный теплообменник, соединенный с зарубашечным пространством ДВС, и теплоаккумулирующий материал (ТАМ). Для компенсации увеличения объема ТАМ при его плавлении полость теплоаккумулирующего ядра заполняется ТАМ на 75-85%, а для защиты конструкции от избыточных давлений, возникающих вследствие теплового расширения ТАМ, предусмотрены специальные меры — изготовление внутреннего корпуса из толстостенного металла и применение пояса жесткости.

Утилизация и аккумулирование теплоты обеспечивается за счет того, что отработавшие газы работающего ДВС проходят через газовый теплообменник и нагревают ТАМ, вызывая фазовое превращение ТАМ из твердого состояния в жидкое, при этом теплоизоляция препятствует рассеиванию тепловой энергии в окружающую среду.

Использование накопленной теплоты для разогрева ДВС перед пуском в условиях отрицательных температур осуществляется за счет прохождения по жидкостному теплообменнику охлаждающей жидкости, что вызывает кристаллизацию ТАМ, сопровождающуюся выделением теплоты фазового перехода, переносимой теплоносителем в зарубашечное пространство двигателя.

Недостатком указанного устройства является существенная разница в объемах ТАМ в жидком и твердом состояниях. Например, при использовании в качестве ТАМ солей последние могут увеличивать свой объем при плавлении более чем на 25% [2], что вынуждает существенно усиливать конструкцию устройства.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, сводится к замене ТАМ, позволяющей избежать существенной разницы в объемах ТАМ, находящегося в твердой и жидкой фазах, что позволяет упростить конструкцию устройства и уменьшить его массу за счет отказа от усиления конструкции.

Задача решается благодаря тому, что ТАФП, утилизирующий и аккумулирующий тепловую энергию отработавших газов ДВС, состоит из наружного и внутреннего корпусов, между которыми установлен слой тепловой изоляции (например, минеральная, шлаковая вата или вакуум). В замкнутой полости, ограниченной внутренним корпусом, расположены два теплообменника — газовый и жидкостный, первый из которых соединен с системой выхлопа отработавших газов ДВС, а второй — с зарубашечным пространством ДВС; между теплообменниками находится ТАМ, способный претерпевать полиморфное превращение.

Утилизация и аккумулирование теплоты обеспечивается за счет того, что отработавшие газы работающего ДВС проходят через газовый теплообменник и нагревают ТАМ, а слой теплоизоляции препятствует рассеиванию теплового потока в окружающую среду. При этом ТАМ претерпевает полиморфное превращение в твердой фазе, которое не вызывает существенного изменения его объема в рабочем интервале температур. При работе в режиме отдачи накопленной теплоты в жидкостный теплообменник подается жидкий теплоноситель (вода, тосол, антифриз), который нагревается за счет теплообмена с ТАМ, при этом последний претерпевает обратимое полиморфное превращение в твердой фазе и отдает определенное количество теплоты, достаточное для разогрева ДВС.

Примером такого ТАМ может быть фторид бериллия BeF₂.

При температуре фазового перехода, равной 130 o C, тетрагональная кристаллическая решетка фторида бериллия превращается в кубическую, при этом выделяется энергия в виде теплоты фазового перехода, равная 5,3 кДж/моль. Плотность фторида бериллия при 25 o C — 1,99 г/см 3 [3].

Новым в заявляемом изобретении является использование в качестве ТАМ вещества, которое при нагревании отработавшими газами ДВС претерпевает полиморфное превращение с поглощением теплоты фазового перехода, а при охлаждении жидким теплоносителем — обратимое полиморфное превращение с выделением теплоты фазового перехода, например фторид бериллия.

Указанный новый признак не выявлен из существующего уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию «изобретательский уровень».

Предлагаемый ТАФП представлен на чертеже.

Он состоит из наружного 1 и внутреннего 2 корпусов, между которыми установлен слой тепловой изоляции 3 (минеральная вата). Внутри корпуса 2 размещено теплоаккумулирующее ядро, представляющее собой замкнутую полость, которая заполнена ТАМ 4 и через которую проходят трубы газового 5 и жидкостного 6 теплообменников.

На поверхности труб 5 и 6 закреплены ребра 7.

Для ликвидации между корпусами 1, 2 и трубами 5, 6 «тепловых мостов» установлены втулки 8 из материала с небольшим коэффициентом теплопроводности.

ТАФП работает следующим образом.

Зарядка аккумулятора тепловой энергией осуществляется пропусканием потока отработавших газов ДВС мобильной машины через трубу 5.

В процессе теплообмена отработавших газов с ТАМ 4 последний нагревается в твердой фазе до температуры полиморфного превращения, испытывает полиморфное превращение с поглощением теплоты фазового перехода, а затем продолжает нагреваться в твердой фазе до некоторой температуры, при которой наступает тепловое равновесие в системе тепловой аккумулятор — окружающая среда.

В период безгаражного хранения мобильной машины, когда ее ДВС заглушен, ТАМ 4 сохраняется при температуре, превышающей температуру полиморфного превращения за счет тепловой изоляции 3.

Для функционирования ТАФП с целью предпускового разогрева ДВС в трубу 6 подается жидкий теплоноситель (вода, тосол, антифриз), который нагревается за счет теплообмена с ТАМ 4. Последний отдает количество теплоты ΔQ, рассчитываемое по формуле

где m_т — масса теплоаккумулирующего материала;
T_о, T_ф, T_к — температуры теплоаккумулирующего материала соответственно начальная, полиморфного превращения и конечная;
r_ф — удельная теплота полиморфного превращения;
C₁(T), C₂(T) — удельные массовые теплоемкости теплоаккумулирующего материала в интервалах температур соответственно [T_о; T_ф] и [T_ф; T_к].

За счет организации циркуляции жидкого теплоносителя по замкнутому контуру жидкостный теплообменник ТАФП — зарубашечное пространство ДВС происходит предпусковой разогрев последнего.

Подтверждением достижения поставленной задачи является следующее: применение в качестве ТАМ вещества, претерпевающего обратимые полиморфные превращения с выделением (поглощением) теплоты фазового перехода без существенного изменения объема в рабочем интервале температур позволяет упростить конструкцию ТАФП, не применяя при этом специальных поясов жесткости, а также уменьшить массу его металлоконструкции за счет того, что не требуется предусматривать увеличение прочности корпуса теплоаккумулирующего ядра вследствие тепловых расширений. Вышесказанное позволяет сделать вывод о соответствии заявленного изобретения критерию «промышленная применимость».

Библиография:
1. Гулин С.Д., Шульгин В.В., Яковлев С.А. Система разогрева двигателя с помощью теплового аккумулятора. // Лесная промышленность. — 1996. — N 3. — С. 20, 21.

2. Данилин В.Н. Физическая химия тепловых аккумуляторов: Учебное пособие. — Краснодар: КПИ, 1981. — 91 с.

3. Свойства неорганических соединений. Справочник /Ефимов А.И. и др. — Л.: Химия, 1983. — 392 с.

Похожие патенты RU2150603C1

название	год	авторы	номер документа
СИСТЕМА ПОДОГРЕВА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ	1999	Шульгин В.В. Гулин С.Д. Мелентьев А.Г. Никифоров Г.И. Золотарев Г.М.	RU2170851C1
ТЕПЛОВОЙ АККУМУЛЯТОР ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА	2000	Шульгин В.В. Гулин С.Д. Никифоров Г.И. Кинев Ю.Г. Крапивко О.В. Золотарев Г.М.	RU2187049C1
СИСТЕМА ПОДОГРЕВА ГОРОДСКОГО АВТОБУСА	2001	Шульгин В.В. Николаенко Г.А. Кулыгин Д.А. Гулин С.Д. Никифоров Г.И. Золотарев Г.М.	RU2230929C2
СИСТЕМА ПОДДЕРЖАНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ	2012	Кузнецов Александр Вадимович Селиванов Николай Иванович Зыков Сергей Александрович Шестов Алексей Михайлович	RU2488015C1
СИСТЕМА ПОДДЕРЖАНИЯ ОПТИМАЛЬНОГО ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ	2014	Кузнецов Александр Вадимович Селиванов Николай Иванович Зыков Сергей Александрович Шестов Алексей Михайлович	RU2573435C2
КАТАЛИТИЧЕСКИЙ НЕЙТРАЛИЗАТОР	2001	Ложкин В.Н. Шульгин В.В. Гулин С.Д. Золотарев Г.М.	RU2204027C1
СПОСОБ ПРЕДПУСКОВОГО РАЗОГРЕВА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ	1998	Гулин С.Д. Шульгин В.В. Гулин В.С. Агафонов А.Н.	RU2150020C1
ТЕПЛОВОЙ АККУМУЛЯТОР ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА С САМОРЕГУЛИРУЕМЫМ УСТРОЙСТВОМ ЭЛЕКТРОПОДОГРЕВА	2012	Бублий Сергей Анатольевич Бублий Инна Анатольевна Котровский Александр Валентинович Котровская Ирина Олеговна Котровский Александр Александрович Савчук Роман Васильевич Фролов Александр Леонидович	RU2506503C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ И НАКОПЛЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ	1999	Гулин С.Д. Гулин В.С. Агафонов А.Н. Шульгин В.В. Мартемьянов О.Л. Терехин А.Н.	RU2174655C2
СИСТЕМА ПОДОГРЕВА УСТАНОВКИ С ТЕПЛОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ	2016	Косой Александр Семенович Монин Сергей Викторович Кузенков Александр Николаевич Синкевич Михаил Всеволодович Цыганков Вадим Владимирович	RU2641775C1

Реферат патента 2000 года ТЕПЛОВОЙ АККУМУЛЯТОР ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к устройствам для разогрева двигателя внутреннего сгорания (ДВС) мобильных машин в условиях отрицательных температур окружающего воздуха. Тепловой аккумулятор фазового перехода (ТАФП), утилизирующий и аккумулирующий тепловую энергию отработавших газов ДВС, состоит из наружного и внутреннего корпусов, между которыми установлен слой тепловой изоляции, например минеральная вата. В замкнутой полости, ограниченной внутренним корпусом, находится теплоаккумулирующий материал (ТАМ), способный претерпевать обратимое полиморфное превращение. Теплоаккумулирующий материал пронизан двумя теплообменниками: газовым, соединенным с системой выхлопа ДВС, и жидкостным, соединенным с зарубашечным пространством двигателя. Применение в качестве ТАМ вещества, способного претерпевать обратимые полиморфные превращения с поглощением (выделением) теплоты фазового перехода без существенного изменения объема в рабочем интервале температур (например, BeF₂), позволяет упростить конструкцию ТАФП и снизить его массовые показатели. 1 ил.

Формула изобретения RU 2 150 603 C1

Тепловой аккумулятор фазового перехода, состоящий из наружного и внутреннего корпусов, между которыми установлен слой тепловой изоляции, пространство внутреннего корпуса заполнено теплоаккумулирующим материалом, способным претерпевать фазовые превращения с поглощением (выделением) теплоты фазового перехода, сквозь которой проходят газовый и жидкостный теплообменники, отличающийся тем, что пространство внутреннего корпуса заполнено теплоаккумулирующим материалом, фазовое превращение которого сводится к обратимому полиморфному превращению, например фторид, бериллия Be F₂.

Источник