Тепловой аккумулятор на глауберовой соли: Тепловой аккумулятор на основе сульфата натрия

Содержание

Теплоаккумулятор со шнековым транспортером

ТЕПЛОАККУМУЛЯТОР СО ШНЕКОВЫМ ТРАНСПОРТЕРОМ

COMPACT HEAT ACCUMULATOR WITH A SCREW
CONVEYOR

Зубарев
А.О., Медяков А.А., Онучин Е.М., Семенов К.Д.

(МарГТУ,
г. Йошкар-Ола, РФ)

Zubarev A.O., Medyakov A.A., Onuchin
E.M., Semenov K.D.

(The Mari State Technical University)

Рассмотрены
вопросы по применению компактного теплоаккумулятора со шнековым транспортером
для обогрева парников и теплиц

The results of studying the processes of compact
heat accumulator with a screw conveyor for heating greenhouses and hothouses

Ключевые
слова:
теплоаккумулятор, обогрев, энергия фазового перехода

Key words: heat
accumulator, heating, energy of the phase transition

Важнейшей
проблемой современной энергетики является проблема аккумулирования,
обусловленная как неэффективным использованием энергии в период недогрузки
энергосистем, так и развитием гелиоэнергетики [1-5].

Компактный
теплоаккумулятор со шнековым транспортером предназначен для обогрева тепличных
и парниковых комплексов в холодное время суток тепловой энергией, запасенной в
теплое время суток. Количество запасаемой теплоты напрямую зависит от
количества и рода теплоаккумулирующего материала (ТАМ). Использование
в качестве аккумулятора теплоты жидкости — воды сталкивается с множеством
трудностей. Во-первых, емкости для накопления воды значительно велики и
объемны; во-вторых, постоянное изменение параметров аккумулятора в период
отбора теплоты (снижается температура термоаккумулирующего материала).

К
числу перспективных и наиболее интенсивно разрабатываемых в настоящее время
способов аккумулирования солнечной энергии относится тепловое аккумулирование
на основе фазовых переходов различных материалов. Эффективность этого способа
обусловлена тем, что для многих веществ значение энтальпии фазового перехода
значительно выше теплосодержания за счет теплоемкости. Одним из таких
материалов является мирабилит (глауберова соль) – Na2SO4·10h3O.

Также на выбор ТАМ оказывают
влияние и условия эксплуатации. Для наших климатических условий целесообразно
использовать низкотемпературный теплоаккумулирующий материал, например,
мирабилит (глауберова соль), который меняет свое фазовое состояние (плавится)
уже при 32,4 , а, следовательно,
при этой температуре происходит запас тепловой энергии в размере 251 кДж/кг
теплоаккумулирующего материала

В качестве
теплоаккумулирующего материала также могут использоваться и другие вещества.
Например, хлорид кальция имеет точку плавления 29, а тепловой эффект от фазового перехода
составляет 175,85 кДж/кг. Парафины же имеют температуру плавления порядка 50, что для осуществления фазового
перехода требует дополнительного подвода теплоты извне, а, следовательно, и
усложнения конструкции теплоаккумулятора.

В
процессе предварительного анализа существующих технических решений было
выявлено, что в технике наиболее широкое распространение получили
теплоаккумуляторы накапливающие энергию только за счет теплоемкости теплоаккумулирующего
материала (ТАМ).

Нами
предлагается такая конструкция теплоаккумулятора, в которой шнековый
транспортер, осуществляющий транспорт ТАМ по системе, одновременно выполняет
роль теплообменника, посредством которого происходит отдача теплоты. Передача
теплоты через шнековый теплообменник нагреваемой среде осуществляется путем
теплопроводности.

Тепловой поток, передаваемый через стенку шнекового теплообменника
определяется по уравнению:

, где

λ –
коэффициент теплопроводности стенки шнека; — температура ТАМ; — температура окружающей среды; — внутренний диаметр шнека; — наружный диаметр шнека; — длина шнека.

Рисунок 1 -
Шнековый теплообменник

На
схеме можно выделить основные компоненты конструкции: баки-аккумуляторы 1,2
соединены шнековым траспортером 3, приводимым в действие приводом 4. Размер
баков-аккумуляторов зависит от количества теплоты, которое необходимо запасти.

Использование в
конструкции теплоаккумулятора шнекового теплообменника позволяет упростить
конструкцию, уменьшить размеры установки и исключить «засорение» теплообменной
поверхности, контролировать скорость и полноту разряда теплоаккумулятора.

Предварительные
расчеты показывают перспективность использования таких теплоаккумуляторов для
частных хозяйств. Так, например, для снижения (повышения) температуры воздуха
на 10 градусов в теплице 3×6×3 м с учетом аккумулирования тепла в
грунте и материалом теплицы, необходимо около 25 кг мирабилита. Размещение соли
в теплице в специальных контейнерах может обеспечить снижение температурных
перегрузок в ночное время и в период максимальной солнечной активности.

Список
использованных источников

1.
Бекман Г., Гилли П. Тепловое аккумулирование энергии. — М.: Мир,
1987. — 272 с.

2.
Дибиров М.А., Мозговой А.Г. и др. Теплофизические свойства
теплоаккумулирующих материалов — ЖПХ. 1993. Т. 66. В. 6. — С.1210-1216.

3.
Медяков
А. А. Конструктивная проработка каталитического подогревателя барботажных сред
/ А. А. Медяков, Е. М. Онучин // Научному прогрессу – творчество молодых:
Матер. междунар. молод. научн. конф. – Йошкар-Ола: МарГТУ, 2011. – С. 38-39.

4.
Онучин
Е. М. Экспериментальный комплекс для исследования устройтсв для каталитического
обогрева и перемешивания субстрата / Онучин Е. М., Д. Н. Шамшуров, Д. В.
Костромин, Р. В. Яблонский, А. А. Медяков // Вузовская наука – региону: Матер.
9-ой всерос. научно-технич. конф.- Вологда: ВоГТУ, 2011. — С. 126-128.

5.
Ширнин, Ю.А.
Кинематика движения модульной лесной машины / Ю.А.Ширнин, Е.М.Онучин //
Лесн. вестник. – 2004. – №1. – С. 69–74.

Рациональное использование тепла: тепловые аккумуляторы

unsplash.com

Химик Артем Малахо о том, что такое тепловой аккумулятор и как с его помощью уменьшить экологическую нагрузку

Человечество активно использует энергию двух типов: тепловую и электрическую. Отличительным преимуществом электрической энергии является возможность создать большой потенциал. Как следствие, ее можно транспортировать и накапливать эффективнее, чем тепловую. Передача тепловой энергии осуществляется достаточно эффективно только на короткие расстояния — не более 15 километров, поскольку потери тепла на пути к потребителю очень большие.

В России тепловая энергия используется для систем централизованного отопления, которые в большинстве случаев подразумевают просто сжигание различных видов топлива и превращение их в тепло. При этом затраты на теплоснабжение в нашей стране очень велики и сопоставимы с затратами на электроэнергию. Поэтому одной из важнейших задач является рациональное использование тепла. В России наиболее эффективными системами являются системы одновременной генерации электричества и тепла на тепловых электростанциях. Высокотемпературное тепло, образующееся при сгорании топлива, используется и для отопления, и для получения электричества — КПД этих систем достаточно высок. Естественно, работают они преимущественно зимой, поскольку летом использование полезного тепла минимально. Реализация такой системы возможна при локализации электростанций вблизи больших городов.

В то же время в стране существует большое количество котельных, которые просто сжигают топливо и снабжают теплом здания и сооружения.

Решения для избыточного тепла

При этом существует проблема нерационального использования энергии остаточного тепла, которое образуется как при выработке электроэнергии, так и при сгорании топлива. Такое тепло имеет низкую температуру, его транспортировка и использование затруднены. К сожалению, универсального решения для этого нет, как и для тепла от выхлопных труб автомобилей. Создание эффективных систем преобразования низкопотенциального тепла в электричество могло бы позволить существенно снизить затраты на энергоснабжение, а также нагрузку на окружающую среду. В то же время эффективность существующих термоэлектрических преобразователей недостаточно высока. Другим способом могло бы быть накопление тепла для его использования в необходимое время. Если мы создадим аккумуляторы, способные накапливать тепло летом из воздуха и солнечного света, чтобы использовать его зимой, а зимой накапливать холод, чтобы использовать его летом, то это могло бы существенно сократить затраты на отопление и кондиционирование. К сожалению, эта проблема пока также не решена.

Рекомендуем по этой теме:

FAQ

Редокс-батареи: стационарная энергетика

Существуют различные типы тепловых аккумуляторов, но их эффективность на сегодняшний день невелика. То есть они эффективно справляются с циклами «день — ночь» или циклами на уровне недели, но их эффективность недостаточна для сезонных циклов (зима — лето). Нельзя сказать, что попыток создать такие устройства не было, однако существующие решения имеют большие размеры и требуют существенных вложений.

Аккумуляторы для тепла

Пока мне сложно представить, как будет устроен тепловой аккумулятор в прекрасном будущем, но на сегодняшний день подобные устройства работают следующим образом. Некое вещество или материал с высокой теплоемкостью, например вода, нагревается, в результате энергия аккумулируется. Есть материалы, которые мы просто нагреваем, как воду, а есть так называемые материалы с фазовым переходом. Дело в том, что при фазовом переходе — например, при замерзании воды или плавлении парафина в узком диапазоне температур — можно накопить больше энергии, чем при простом нагреве или охлаждении.

Также существуют аккумуляторы, которые позволяют, например, поглощать или выделять энергию в заданном диапазоне температур за счет реализации химической реакции, а не для одной конкретной температуры. В частности, глауберова соль претерпевает обратимые реакции дегидратации с поглощением тепла (при нагреве) и кристаллизации с его выделением при охлаждении при температуре 35 °C. Модификация состава позволяет проводить эти реакции при температуре около 23 °C — наиболее комфортной температуре для человека, что позволяет стабилизировать температуру при циклах «день — ночь». То тепло, которое мы хотим аккумулировать или утилизировать, обладает низким потенциалом. Чем меньше разница требуемой температуры и температуры теплоносителя, тем ниже потенциал. Чем ниже потенциал, тем тяжелее аккумулировать такую энергию.

Сейчас область наших научных интересов — это химические аккумуляторы тепла. То есть это попытка преобразовать тепло в химические вещества, которые обладают более высоким потенциалом, чем вода или парафин. Ими могут выступать различные соли, кристаллогидраты, оксиды, неорганические вещества. Они должны быть недорогими, доступными, нетоксичными и невзрывоопасными.

Процессы в тепловых аккумуляторах

Естественно, чем более емкий аккумулятор, тем сильнее он подвержен деградации. Скажем, в солевых аккумуляторах возникают различные процессы коагуляции — нарушения исходной структуры, которые ухудшают свойства. Также в этих аккумуляторах есть проблема теплопроводности. То есть они должны не только накапливать энергию, но и уметь эффективно ее отдавать. С другой стороны, так как потенциал проходящих процессов не так велик, как в электрических аккумуляторах, то, конечно, они намного менее подвержены деградации. Они намного устойчивее.

Нужно сказать, что в основе любого аккумулятора лежит либо физический, либо химический процесс. И именно его особенности определяют ту температуру, которую он накапливает и отдает. В частности, вода может накапливать и отдавать температуру эффективно в том диапазоне, в котором она сохраняет свои свойства. Например, если мы говорим о жидкой воде, которая может сама являться и аккумулятором, и теплоносителем, то это температуры выше замерзания, но ниже кипения. Если мы говорим о таком накопителе, как лед, — тогда в диапазоне его устойчивости и плавления. В случае химических накопителей важна температура реакции, которая определяет емкость аккумулятора. В накопителях на фазовых переходах важна температура плавления или кристаллизации вещества. Если мы научимся работать с низкоэффективной тепловой энергией, то сможем решить проблему загрязнения.

Утилизация тепловых устройств

Считается, что технологии альтернативной энергетики, которые создают и преобразуют тепловую и электрическую энергию, экологичнее существующих ТЭЦ. Но нужно понимать, что производство таких систем и цикл их утилизации тоже могут наносить вред окружающей среде. Например, промышленное производство солнечных панелей или ветрогенераторов осуществляется на промышленных предприятиях, которые также оказывают воздействие на окружающую среду. Кроме того, устройства альтернативной энергетики нужно правильно утилизировать. В случае с солнечными батареями, например, перерабатывать кремний, используемый в качестве основы. Существующие отопления и охлаждения используют низкопотенциальную энергию, поэтому использования токсичных или высокоэнергетических материалов не предполагается. Скажем, обычный радиатор отопления состоит из металла, который всегда можно переплавить. Кондиционеры, тепловые насосы и системы, как правило, состоят из металла и пластика, которые подвергаются вторичной переработке. В то же время в условиях ограничения запасов ископаемого топлива и негативного влияния глобального потепления надо приложить все усилия, чтобы максимально использовать образующуюся энергию и стараться не греть атмосферу неэффективно используемым теплом.

Источник: ПостНаука

Подготовка и тепловые свойства материалов с фазовым переходом на основе глауберовой соли для солнечных теплиц на Цинхай-Тибетском нагорье

Подготовка и термические свойства материалов с фазовым переходом на основе глауберовой соли для солнечных теплиц Цинхай-Тибетского нагорья

Цзян, Цзыпэн

;

Галстук, Шэннянь

Аннотация

В этой статье сообщается о приготовлении и характеристике эвтектических композитных материалов на основе глауберовой соли с фазовым переходом (G-PCM). ПКМ готовили с использованием декагидрата сульфата натрия промышленного качества (Na ₂ SO ₄ · 10H ₂ O) в качестве основного материала. Другие соли добавляли для получения ПКМ на основе эвтектических глауберовых солей с температурами фазового перехода 25°С, 15°С и 10°С. Модификация G-PCM была разработана с использованием того же экспериментального метода для выбора эффективных зародышеобразователей, загустителей и теплопроводников. Результаты показывают, что бура может быть эффективным зародышеобразователем, карбоксиметилцеллюлоза натрия является превосходным загустителем, а угольный порошок является хорошим теплопроводным агентом. Температура фазового перехода, скрытая теплота и теплопроводность трех различных ПКМ составляют 23,9∘С, 15,4 ∘С и 9,5 ∘С; 179,6, 129 и 116,2 Дж/г; и 1,02, 1,10 и 1,23 Вт/(м·К) соответственно. Эти PCM обладают подходящей температурой фазового перехода, высокой скрытой теплотой и хорошей теплопроводностью и могут использоваться в сельскохозяйственных солнечных теплицах Цинхай-Тибетского нагорья.

Публикация:

Международный журнал современной физики B

Дата публикации:

июль 2017 г.

DOI:

10.1142/S0217979217440854

Биб-код:

2017IJMPB..3144085J

Ключевые слова:

Материалы с фазовым переходом;

Глауберова соль;

накопитель тепловой энергии;

Солнечная теплица

Свойства и теплоаккумулирующие характеристики тел на основе глауберовой соли.

..: Ingenta Connect
Аккумулирование тепловой энергии (TES) считается одним из наиболее важных методов хранения энергии, и оно может уменьшить дисбаланс между подачей солнечного тепла и потребления и помочь сэкономить расходы. Материалы с фазовым переходом (PCM) — это материалы, сохраняющие и выделяющие скрытую теплоту во время
изменение фазы. Низкотемпературные ПКМ широко используются в тепличных исследованиях. Глауберова соль (NaSO ₄ •10H ₂ Композитные ПКМ на основе O) напрямую влияют на изменение температуры в теплице, а их температура фазового перехода подходит для применения в теплицах, но проблемы
при их применении существует переохлаждение фазового разделения и низкая теплопроводность. Связанные исследования показали, что бура является лучшим веществом, которое может уменьшить проблему переохлаждения, а КМЦ (R _n OCH ₂ COONa) эффективна для уменьшения их фазового разделения. В
Для повышения его теплопроводности в качестве теплоотвода был выбран графитовый материал. В этой статье мы изучили свойства материала для хранения энергии с фазовым переходом на основе глауберовой соли и его характеристики по накоплению тепла зимой в регионе Цинхай-Тибетского нагорья. Во-первых,
мы готовили композитные ПКМ на основе глауберовой соли в лаборатории, а затем измеряли их тепловые свойства методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК). Образцы помещали в кювету из оксида алюминия и нагревали от -10 до 40 °С со скоростью 1,0 °С/мин в атмосфере очищенного азота (50
мл/мин). Испытания на термоциклирование проводились в печи (Themo SCIENTIFIC HAAKE A 40) путем неоднократного нагревания и охлаждения образцов от 10 до 40 °C. Теплопроводность определяли методом переходного плоского источника (TPS) (Hot Disk, TPS 2200). Проверенная простая солнечная теплица
находился в городе Синин, провинция Цинхай (101°44′ в.д.36°43′ с.ш.). Его длина составляла 3,5 м, а ширина – 2,7 м. Стена включала гибкий пенопласт (полиуретан) толщиной 5 см и гипсовый кирпич толщиной 20 см, а также лист железа толщиной 0,1 см. Тестовый период длился с 20 декабря 2015 года по 4 февраля 2016 года.
изоляционный лист простой солнечной теплицы был свернут вверх и вниз на 9:00 утра и 17:00 каждый солнечный день соответственно. Температуры наружного и внутреннего воздуха и гипсовой стены, а также солнечная радиация измерялись непрерывно с интервалом времени 10 мин. Данные, собранные на
Для изучения теплоудерживающих свойств в теплице с ПКМ использовали типичный солнечный день. Когда температура была выше температуры замерзания и плавления ПКМ, ПКМ выделяли тепло и замерзали. В данной работе исследованы свойства о его переохлаждении, фазовом разделении, теплопроводности.
и цикл фазового перехода. Были построены две простые теплицы и проанализировано изменение температуры. Результаты показали, что при добавлении 4% буры (массовая доля) переохлаждение ПКМ практически исчезало; при добавлении 1,5% КМЦ разделения фаз не было; добавление 1% графитового порошка,
значительно улучшилась теплопроводность. Скрытая теплота ПКМ, измеренная методом ДСК, составила 127 кДж/кг.