Расчет экономической эффективности теплового аккумулятора с применением ТАМФП

По проанализированным данным, приведенным в предыдущей главе, наиболее выгодным тепловым аккумулятором является, аккумулятор с применением парафина. Покупка необходимого материала для аккумулятора, а также монтаж комплектующих приводят к расходу в 25 тыс. рублей.

При отсутствии аккумулирования теплоты коллектора солнечной энергии в доме, необходимо использование сторонних приборов в качестве источника теплоты в ночное время суток.

Среднестатистический электрический обогреватель потребляет 2 кВт/ч. При указанной площади дома в 100 м2 необходимо использование двух подобных обогревателей.

При надлежащей тепловой изоляции дома, электрический отопительный прибор потребляет приблизительно 60 % от заявленной мощности, за счет использования в устройствах термостатов.

Необходимое время работы электрических обогревателей при отсутствии теплоаккумулирующего материала с использованием теплоты фазового перехода составляет минимум 8 часов в сутки.

А также, при учете стоимости электроэнергии для жилых помещений за чертой города в 2,83 рубля за кВт/ч, получаем следующее уравнение:

(2 + 2(кВт/ч)) * 0,6 (коэф.) * 8 (ч.) * 30 (дней) * 2,83 (руб.) = 1630 рублей в месяц.

Стоимость теплового аккумулятора с использованием парафина составляет 25000 рублей. Отсюда следует, что за 15,3 месяца данное устройство выходит на окупаемость, после чего мы имеем экономию денежных средств в размере 1630 рублей в месяц.

Разработка экспериментального теплового аккумулятора с ТАМФП

Исследованиями аккумулирования тепловой энергии занимались такие ученные как: Амерханов Р.А., Быстров В.П., Ковылянский Я.А., Колесников Б.П., Котенко Э.В., Матвеев В.М., Уэйр А., Шишкин Н.Д. и другие.

Было выявлено, что применение тепловых аккумуляторов перспективно в системах отопления, вентиляции, кондиционирования, особенно в системах солнечного теплоснабжения, а также в автономных теплоэнергетических комплексах различных объектов, использующих возобновляемые источники энергии, так как позволяет существенно сократить эксплуатационные затраты и снизить расчетную мощность оборудования [12].

Во множестве работ рассмотрены тепловые аккумуляторы с использованием теплоты фазового перехода. Аккумуляторы с данным теплоаккумулирующим материалом достаточно компактны ( в 4-5 раз меньше тепловых аккумуляторов с использующие воду) и позволяют организовать теплообмен при постоянной температуре, близкой к температуре фазового перехода. Такие тепловые аккумуляторы могут быть применены в автономных системах теплоснабжения с возобновляемыми источниками энергии, где необходимо поддерживать постоянную температуру круглосуточно.

Теплоаккумулирующие материалы фазового перехода, применяемые в тепловых аккумуляторах, должны характеризоваться температурой фазового перехода в пределах изменения параметров теплоносителя, большой удельной теплотой фазового перехода, большой плотностью, приемлемой теплопроводностью для достаточно эффективного теплообмена между веществом и теплоносителем, конгруэнтным плавлением (жидкая и твердая фазы вещества идентичны по химических свойствам), протеканием кристаллизации при достижении температуры фазового перехода без переохлаждения вещества.

Описание конструкции экспериментальных установок

Повышение эффективности теплогенерирующих установок за счет утилизации теплоты, ее аккумулирования и использования в системах теплоснабжения как «пиковой» тепловой нагрузки является актуальной проблемой, решение которой позволит создать новые технические установки по аккумулированию теплоты.

В работе предложены модели теплового аккумулятора на основе использования теплоаккумулирующего материала фазового перехода, а также на основе использования теплоаккумулирующего материала фазового перехода с добавлением высокотеплопроводных спиралевидных инклюзивов. (Рис. 1)

Модель установки состоит из корпуса – 1, сосуда для плавления (затвердевания) – 2, цифрового электротермометра – 3, теплоэлектронагревателя – 4, ТАМФП – 5, высокотеплопроводные спиралевидные инклюзивы – 6.

В качестве теплоаккумулирующего материала фазового перехода использовался технический парафин. Подогрев для плавления теплоаккумулирующего материала осуществляется за счет промежуточного теплоносителя (воды) и теплоэлектронагревателя. Охлаждение и затвердевание теплоаккумулирующего материала происходит при подаче в промежуточный теплоноситель охлаждающей воды. Температура теплоаккумулирующего материала, а также промежуточного теплоносителя осуществлялась с помощью электронных термометров. А для более чистого эксперимента использовалась мешалка, предназначенная для выравнивания температурного поля в промежуточном теплоносителе.

В     качестве     сосудов     для     плавления    и     затвердевания    теплоаккумулирующего    материала использовались емкости с относительно небольшой высотой.

Измерительные  схемы экспериментальных   тепловых             аккумуляторов В настоящее время существует множество теоретических работ, в которых рассматриваются различные методы решения задачи нестационарной теплопроводности с фазовым переходом, однако, имеется недостаток экспериментальных работ, обобщающих опытные данные для различных условий процессов, реализуемых в тепловых аккумуляторах и учитывающих влияние не только геометрии поверхности раздела фаз и изменение теплофизических свойств, но и конвективного характера теплообмена в жидкой фазе, а также включений из высокотеплопроводных материалов и ряд других факторов.

Весьма актуальной задачей представляется экспериментальное исследование процессов фазового перехода теплоаккумулирующих материалов в тепловых аккумуляторах. Кроме того, экспериментальные исследования необходимы для проверки допущений, использованных при аналитических исследованиях процессов плавления и застывания, и подтверждения полученных расчетных зависимостей.

Экспериментальные исследования теплообмена при плавлении и затвердевании слоев теплоаккумулирующих материалов фазового перехода проводились на экспериментальных установках для исследования процессов плавления и затвердевания в плоском слое.

Экспериментальные исследования проходили путем нагрева промежуточного теплоносителя до 70°С, по всему объему теплоносителя, а также с различным теплоаккумулирующим слоем: 30 мм, 20 мм, 25 мм, 10 мм. Замеры температуры теплоаккумулирующего материала производились каждые 10 минут, а также беспрерывно наблюдалась фаза перехода из твердого состояние в жидкое при зарядке теплового аккумулятора, и из жидкого состояния в твердое в режиме разрядки теплового аккумулятора.

В качестве теплоаккумулирующего материала использовался технический парафин с температурой плавления равной 48 °С.

Полученные экспериментальные данные показали хорошие теплофизические свойства используемого парафина. Однако, теплофизические свойства теплового аккумулятора можно улучшить применяя высокотеплопроводные инклюзивы взаимодействующие с теплоаккумулирующим материалом. В данной экспериментальной установке были применены инклюзивы, состоящие из спиралевидной углеродистой стали, которая хаотично размещена по всему объёму парафина. Примененный подход объясняется теплофизическими свойствами металлов, сталь имеет высокую теплоемкость и занимает больший объем в решетке инклюзива, а за счет удобства хаотичного размещения спиралевидных инклюзивов теплообмен протекает более интенсивно, что способствует более быстрому протеканию режима зарядки теплового аккумулятора. Экспериментальные данные теплового аккумулятора с применением технического парафина и с добавлением сталь – алюминиевой решетки (ТАМФП (САИ)) были занесены в табличную форму.

Результаты определения параметров экспериментальных тепловых аккумуляторов

Эксперименты показали на вполне удовлетворительно соответствие экспериментальных значений толщины расплавившегося и застывшего слоя теплоаккумулирующего материала фазового перехода с рассчитанными по формулам.

Для проведения экспериментов по изучению процессов фазового перехода теплоаккумулирующего материала с высокотеплопроводными инклюзивами на опытной установке в слой парафина устанавливалась решетка высотой, не превышающей толщину плоского слоя теплоаккумулирующего материала фазового перехода. Процессы расплавления и застывания производились аналогично экспериментам без применения высокотеплопроводных инклюзивов. Путем  заполнения пространства между нижней частью емкости с парафином и корпусом установки попеременно нагревающей и охлаждающей водой производилось соответственно плавление и затвердевание теплоаккумулирующего материала с установленными в его толще высокотеплопроводные инклюзивы.

Результаты экспериментов приведены на Рисунок 2. При рассмотрении графиков, а также табличных данных очевидно, что в результате применения высокотеплопроводных инклюзивов значительно сокращается время плавления теплоаккумулирующего материала фазового перехода, т.е. период зарядки теплового аккумулятора, что позволяет более эффективно аккумулировать тепловую энергию в системе теплоснабжения при использовании солнечного коллектора.

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования показали необходимость использования высокотеплопроводных инклюзивов, позволяющих даже при небольшом их объемном содержании, не превышающем  5 %, существенно сократить время зарядки тепловых аккумуляторов с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода.

Заключение

Эксперименты подтвердили полученные зависимости для определения толщины плоского слоя, времени процессов фазовых переходов и средней плотности теплового потока в процессе зарядке и разрядки тепловых аккумуляторов с теплоаккумулирующими материалами фазового перехода и показали необходимость и целесообразность использования высокотеплопроводных инклюзивов.

В результате применения высокотеплопроводных инклюзивов значительно сокращается время плавления теплоаккумулирующего материала фазового перехода, т.е. период зарядки теплового аккумулятора, что позволяет более эффективно аккумулировать тепловую энергию в системах теплоснабжения.

Установлено, что даже незначительное по объему содержание инклюзивов (5-10 %) способствует увеличению скорости плавления на 1.2 – 1.4 раза.

Объем теплового аккумулятора зависит от количества аккумулируемой теплоты, времени разрядки и теплофизических свойств теплоаккумулирующих материалов фазового перехода.

Полученные результаты обеспечивают совершенствование тепловых аккумуляторов с системах солнечных водонагревательных установок за счет применения оригинальных схемных решений и конструкций с использованием теплоаккумулирующих материалов фазового перехода и высокотеплопроводных металлических инклюзивов из различных материалов.

Список литературы

1         Васильев Ю.С, Хрисанов Н.И. Экология использования возобновляющихся энергоисточников. Л.: Изд-во ЛГУ, 1991. 343 с.

2         Двинянинов М.М. Влияние теплофизических эффектов на кристаллизацию и плавление высокочистых веществ в неравновесных и квазиравновесных условиях: Автореф. дис... канд. физ.-мат. наук: 01.04.07. Л.,1989.22 с.

3         Доброхотов В.И. Роль возобновляемых источников энергии в энергетической стратегии России // Теплоэнергетика. 2000. № 1. С.2-5.

4         Елистратов В.В. Аккумулирование солнечной энергии // Нетрадиционная энергетика и технология: Материалы Межд. конф. Ч. 1. Владивосток: ДВО РАН, 1975. С. 32.

5         Засядько И.Н., Кононенко Г.Н., Махмудов Р., Моисеев В.И. Теплофизические основы применения теплоаккумулирующих материалов с фазовым переходом // Республ. межведом, науч.- техн. сборник. "Строительные материалы, изделия и санитарная техника". - 1989. -Вып. 12. - С. 78 - 81.

6         Иванов М.Е. Математическое моделирование процессов теплообмена // Теоретические основы химической технологии. 1974. Т. 8. № 6. С. 880-888.

7         Ильин А.К. Возможности использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии в Астраханской области. Астрахань: АГТУ, Информационный бюллетень. Энергосбережение. 1999, №1. С. 17-34.

8         Ильин А.К., Ковалев О.П., Волков А.В. Солнечный водонагреватель. Патент РФ № 1814003. БИ . 1993, № 17. С. 58.

9         Ковылянский Я. А., Старостенко В. И., Старостенко Н. Н. Перспективы применения аккумуляторов фазового перехода // Энерг. стр-во, 1995, № 4. - С. 45-48.

10      Котенко Э.В. Разработка математической модели и методики расчета аккумуляторов теплоты на фазовом переходе: Автореф. дис... канд. техн. наук: 05.14.05. Воронеж, 1996.15 с.

11      Макаров М.В. Основы применения вычислительной техники для численного решения теплофизических задач: Учебное пособие по курсу Применение вычислит, техники и мат. моделирование/ Макаров М.Н., Мика В.И., Яньков Г.Г.; Под ред. A.M. Семенова. М.: Изд-во МЭИ, 1993. 73 с.

12     Матвеев      В.М.      Приближенный        расчет      теплопередачи      в      аккумуляторах      тепла      солнечных энергоустановок//Гелиотехника, 1971. №5. С. 43-45.

13      Меламед В.Г. Решение задачи Стефана в случае второй краевой задачи // Сер. Мат. М.: МГУ, 1959. № 1.