Allahverdyan, N. L. Tepelné energetické akumulátory a jejich aplikace / N. L. Allahverdyan. — Text: bezprostřední // Mladý vědec. – 2016. – č. 8 (112). — s. 174-176. — URL: https://moluch.ru/archive/112/28496/ (datum přístupu: 05.04.2024).

Otázky úspor energie a energetické účinnosti jsou každým rokem na celém světě stále více zajímavé. Akumulace energie umožňuje šetřit energii a poskytnout rezervu pro případ náhlého odstavení hlavního zdroje energie. Jsou zvažovány typy skladování energie a způsoby jejich aplikace ve všech moderních sférách lidské činnosti.

Klíčová slova: akumulace, akumulace tepla, energetická účinnost, úspora energie, vytápění.

Energetika je jedním z předních odvětví moderní ekonomiky. V současné době je jednou z klíčových oblastí rozvoje moderní ekonomiky energetická účinnost.

Tepelné akumulace je chemický nebo fyzikální proces, který umožňuje akumulaci tepla v tepelném akumulátoru. Tepelný akumulátor se skládá ze zásobníku, akumulačního média (pracovní kapaliny), nabíjecích zařízení a pomocných zařízení. Jednou z možností, jak ušetřit energii, je používání tzv. energetických akumulátorů (tepelných akumulátorů). Takové instalace mohou šetřit energii a poskytnout rezervu v případě náhlého odstavení topného systému.

Hlavním cílem akumulace energie je překonat a vyhladit nesrovnalosti mezi dodávkou energie spotřebiteli a jeho skutečnými potřebami. Dalším důležitým cílem akumulace energie je vyrovnat produkci energie, to znamená snížit dodávky během špiček a vyplnit mezery, když se spotřebuje málo energie.

Tepelná akumulační zařízení (akumulátory) zpravidla fungují na principu akumulace – uvolňování vnitřní energie. Toho je dosaženo chemickými nebo fyzikálními procesy uvnitř baterie. Například v důsledku zahřívání, ochlazování kapalných nebo pevných těles, tání a dalších vratných reakcí. [1–2]

Otázku ekonomické proveditelnosti nelze ignorovat, protože skladování energie může výrazně snížit spotřebitelské náklady. Jednoduchý příklad akumulační buňky je na obrázku 1.

Kolem kanálu je umístěna látka akumulující teplo, kterou prochází chladicí kapalina. Během nabíjení je teplota chladicí kapaliny na vstupu do zásobníku větší než teplota na jejím výstupu. Horká chladicí kapalina, která proudí kanálem a ochlazuje, předává energii materiálu akumulujícímu teplo.

Rýže. 1. Návrhové schéma akumulačního zařízení s jednofázovým tepelně akumulačním materiálem

K akumulaci energie dochází vlivem tepelné kapacity, zvyšuje se teplota materiálu. Při vypouštění je teplota chladicí kapaliny na vstupu do akumulační nádrže nižší než teplota na jejím výstupu. Studená chladicí kapalina, která proudí kanálem, se ohřívá v důsledku ochlazování materiálu akumulujícího teplo. Teplota materiálu klesá. [3]

Na základě akumulačního média lze stanovit následující klasifikaci akumulátorů tepla:

– přímá akumulace (výměna tepla a akumulace probíhá ve stejném prostředí)

– nepřímá akumulace (pouze výměna tepla, proces může probíhat s fázovým přechodem nebo bez něj)

– sorpce (na základě schopnosti některých látek absorbovat plyny za uvolňování tepla)

Dnes existuje velké množství různých typů akumulátorů energie: parní, kapalné, s elektrickým topným tělesem, pneumatické, s posuvným tlakem, s konstantním tlakem.

Aplikace tepelných akumulátorů vrůzná průmyslová odvětví

Nejběžnější a nejznámější příklad tepelného akumulačního zařízení v bydlení a komunální služby domácnost je zásobníkový ohřívač vody. Taková instalace našla široké uplatnění v domech, bytech, chatách, ale i v průmyslových objektech, veřejných centrech atd. atd. Konstrukce takových ohřívačů vody je jak velmi jednoduchá, tak i cenově výhodná.

ČTĚTE VÍCE
Kolik stojí Cassiopeia?

Ale v oblasti bydlení a komunálních služeb jsou hlavními spotřebiteli tepelné energie systémy vytápění budov. V případě prostorového vytápění se akumulace používá pomocí tepla fázového přechodu (zamrzání vody při 0 °C). V zemích, kde jsou náklady na chlazení v létě velmi vysoké a srovnatelné s náklady na vytápění v létě, je vhodné používat zásobníky ledu. To vám umožní získat dvojnásobný účinek topného systému. O možnostech využití akumulačních zařízení v bydlení a komunálních službách se aktivně diskutuje v Evropě a USA.

Dalším moderním příkladem tepelného akumulačního zařízení je solární palivový motor. Používá se především v letectví a kosmické technice. Činnost solárního tepelného motoru je zajištěna přiváděním energie pomocí externího koncentračního systému na absorpční plochu přijímače motoru. Pracovní kapalina motoru proudí uvnitř přijímače a zahřívá se. Poté, co vstoupí do konvenční trysky, expanduje a vytváří tah [3–5].

Termodynamický cyklus solárního tepelného motoru je znázorněn na obrázku 2.

Rýže. 2. Ideální termodynamický cyklus solárního tepelného motoru

Oblasti použití solárních tepelných motorů:

– přesun družic z nízkých oběžných drah Země na geostacionární dráhy

– úklid vesmírného odpadu

– lety na oběžnou dráhu jiných planet Sluneční soustavy, včetně dráhy Marsu (motory o výkonu 1–5 MW);

– udržování drah dlouhodobých orbitálních stanic (motory o výkonu 10–20 kW).

Akumulační baterie jsou také široce používány stavba lodí. Osobní malotonážní plavidla provádějící přepravu na námořních a jezerních tratích mají zpravidla dieselové pohonné systémy. V tomto případě je hlavním cílem jejich práce poskytovat palubním spotřebitelům tepelnou energii v požadované kvalitě a v dostatečném množství. Vzhledem k tomu, že spouštění lodního dieselového motoru musí v některých případech probíhat při teplotě ne nižší než +15–20 stupňů Celsia, je proto nezbytné zahřívání dieselového motoru na nízké teploty. K tomuto účelu lze použít různé instalace, například přídavné kotle a lednice voda-voda. K ohřevu baterie je vhodné využít dříve naakumulovaného tepla samotného vznětového motoru. Tím se eliminuje další spotřeba paliv a maziv. Úspory závisí na provozních podmínkách a mohou se pohybovat od stovek kilogramů až po několik tun.

Použití akumulačního zařízení tepelné energie umožňuje snížit nejen spotřebu paliv a maziv, ale i celkové množství škodlivých látek vypouštěných do životního prostředí při provozu nafty.

Silnice a vozidla s akumulátory tepla. Tepelné akumulace ve vozidlech je speciálním případem akumulace energie pro poskytování dodatečné energie, kde kromě dočasného nesouladu existuje také místní nesoulad mezi dodávkou a spotřebou energie. Určujícím faktorem pro použití baterie ve vozidlech je její objem a hmotnost. Tepelné a pneumatické akumulátory ve vozidlech se používají spolu s elektromechanickými, setrvačníkovými akumulátory kinetické energie a palivovými akumulátory.

V průmyslových instalacích Pro krátkodobou akumulaci energie se hojně využívají polovodičové regenerátory a parní akumulátory (horká voda). Můžeme také použít akumulační nádrže, které pracují na vodní energii normálního nebo vysokého tlaku. Hlavním úkolem akumulátorů energie v průmyslu není ani tak přímá úspora energie, jako spíše snížení externí spotřeby energie, zejména v případě zařízení s kombinovanou výrobou elektřiny a tepla. [3–8]

ČTĚTE VÍCE
Co se vyrábí z acai?

Systémy skladování tepelné energie našly široké uplatnění v elektrárnách, průmyslu, bydlení a komunálních službách a vozidlech. Zájem o ně roste jak v západních zemích, tak v Rusku. Vzhledem k tomu, že otázky energetické účinnosti a úspory energie zůstávají vždy aktuální, najdou základní principy skladování energie své uplatnění v budoucích technologiích.

  1. Beckman G, Gilly P.V. Skladování tepelné energie. – M.: Mir, 1987. – 269 s.
  2. Levenberg V.D. Akumulace tepla. – K.: Technologie, 1991.
  3. Kukolev M.I.. Základy projektování akumulačních zařízení tepelné energie – Petrozavodsk, 2001.
  4. Sotniková, O. A. Tepelné akumulátory tepelných zařízení soustav zásobování teplem / Časopis ABOK. – 2003. – č. 5.
  5. Alad’ev I. T., Rzaev A. I., Filatov L. L. Akumulátory tepla s fázovým přechodem pro solární elektrárny se sodíkovým chladivem // Akumulace energie a způsoby zvýšení účinnosti elektráren a úspory energie: Mater. Všechno je unie. vědecko-technické setkání. Část 2. – M.: ENIN, 1986. – S. 157–163.
  6. Andryushchenko A.I. Základy termodynamiky cyklů tepelných elektráren: učebnice. příspěvek. – M.: Vyšší škola, 1985. – 320 s.
  7. Astakhov Yu. N., Venikov V. A., Ter-Ghazaryan A. G. Zařízení pro ukládání energie v elektrických systémech. – M.: Vyšší škola, 1989. – 160 s.
  8. Vikanta R. Přenos tepla při tavení a tuhnutí kovů // Moderní strojírenství. Řada A. – 1989. – č. 6. – S. 119–139.

Základní pojmy (vygenerováno automaticky): akumulace tepla, bydlení a komunální služby, akumulace energie, akumulace, solární tepelný motor, materiál akumulující teplo, tepelná energie, akumulace tepla, akumulace tepla, fázový přechod.

Přítomnost zásobníku tepla (solárního tepelného akumulátoru) hraje v systému, který využívá solární energii k vytápění, mimořádně důležitou roli.

Solární akumulátor tepla vyrobený ze sudů na vodu

Obsah

  • Proč potřebujete tepelný akumulátor?
  • Tepelná hmota budovy
  • Způsoby zvýšení tepelné setrvačnosti budovy
  • Ochrana tepelné izolace

Proč potřebujete tepelný akumulátor?

Budova jako solární kolektor potřebuje prostředky akumulace tepla, aby nedocházelo k případnému přehřívání prostor za slunečného počasí a v době nepřítomnosti slunce akumulovalo určité množství tepla pro další využití.

Snad nejúčinnějším akumulátorem tepla jsou stěny, stropy, střechy a příčky, které stavbu tvoří. Jak víte, všechny materiály, které pohlcují teplo, ho ukládají, když se zahřívají. Pokud se okolní teplota sníží, nahromaděné teplo se uvolní do okolí a samotné materiály se ochladí.

Pro budovu je tento fenomén obzvláště důležitý. Tepelná energie ze slunečního záření neustále proniká stěnami, střechou a okny budovy po celý den. Krátkovlnné záření je absorbováno stěnami, stropy a předměty v místnosti poté, co toto záření pronikne přes sklo. Při nárazu na jakoukoli překážku se přicházející záření promění v teplo, jehož většinu pohltí.

Pokud se předměty a materiály uvnitř budovy v důsledku tohoto efektu zahřejí nad okolní teplotu, začnou naopak uvolňovat teplo a přenášet ho na chladnější předměty a materiály v budově.

Vnitřní vzduch je jedním z materiály, který se nejrychleji zahřeje a pomáhá předávat přebytečné sluneční teplo jiným materiálům.

Solární zisk tepla okny: 1 – teplo ze slunce, 1000 kJ; 2 – dvojité zasklení; 3 – ztráty navenek, 500 kJ; přijato 4 – 800 kJ; 5 – zčernalý beton nebo cihla; 6 – písek, zemina nebo beton; 7 – tuhá konstrukční izolace; 8 – hydroizolační vrstva; 9 – země

ČTĚTE VÍCE
Jaký květ má křen?

Pokud se však stavební materiály již zahřály na teplotu vzduchu nebo nemohou absorbovat teplo se stejnou intenzitou, pak se vzduch, který se stále zahřívá, nakonec přehřeje a vytváří nepohodlí pro lidi v místnosti. Teplota materiálů v budově zase dále stoupá, tedy dochází k další akumulaci tepla. Čím větší je tepelná akumulační schopnost předmětů a materiálů v budově, tím déle bude trvat ohřátí vzduchu na nepříjemnou úroveň.

Po západu slunce, za chladného počasí, může budova začít rychle ztrácet teplo. Ale i když budova ztrácí velmi málo tepla, toto teplo musí být stále nahrazeno, aby se udržela příjemná teplota.

U budov, které během dne neukládají solární teplo, musí být toto zpětné získávání tepla pro vytápění zajištěno jinými prostředky, jako jsou kamna na dřevo nebo jiná kamna, ohřívače vzduchu, teplo vytvářené osvětlením, stroji a lidmi. Pokud však budova obsahuje dostatečné množství teplo akumulujícího materiálu a pokud sluneční paprsky mohou pronikat do budovy a během dne ji ohřívat, pak bude taková budova sluncem vyhřívána i po západu.

Tepelná hmota budovy

Zahřáté materiály ztratí své nahromaděné teplo a při ochlazování ho předávají vnitřnímu vzduchu. V závislosti na množství slunečního tepla vstupujícího do budovy a na úrovni tepelných ztrát akumulovaných materiály budovy v závislosti na řadě faktorů, jako je množství izolace, požadovaná úroveň teploty v místnosti, teplota venkovního vzduchu, budova může zůstat v komfortních podmínkách po mnoho hodin a možná i dnů bez dodatečného tepla z jiných zdrojů.

Vliv snížení teploty venkovního vzduchu na změnu teploty vzduchu uvnitř budov různých typů při absenci dodatečných zdrojů tepelné energie: 1 – vzduch uvnitř masivní budovy, zasypaný a částečně pokrytý zeminou; 2 – vzduch uvnitř masivní budovy s vnější izolací; 3 – vzduch lehké budovy s dřevěným rámem; 4 – venkovní vzduch

Je třeba poznamenat, že lehká budova, například s dřevěným rámem, se vyznačuje poměrně rychlou změnou teploty vnitřního vzduchu, i když je budova dobře izolovaná.

Těžká, masivní konstrukce z betonu, cihel nebo kamene a dobře izolovaná si udrží teplotu po delší dobu. Pro snížení tepelných ztrát musí být izolace v takové budově na vnější straně, akumulující tepelnou energii masivní stěny, tedy umístěné mezi stěnou a venkovním vzduchem.

Pevné materiály, které dokážou akumulovat velké množství tepla, jsou špatnými izolanty, a aby bylo možné využít jejich schopnosti akumulovat teplo, musí být umístěny v tepelné bariéře (izolaci), která odděluje vnitřek budovy od vnějšího prostředí.

Teplota vnitřního vzduchu v budově, která má nejen velkou tepelnou akumulační schopnost, ale je také zabudována do svahu nebo pokryta zeminou, se mění jen velmi málo. Mezi betonové nebo kamenné zdi a vrstvu zeminy se vkládá tuhá izolace desek, jako je polystyren nebo uretan. Jedna nebo více stěn může být otevřených prvkům, ale teplota klesá velmi pomalu a ustálí se na úrovni blízké teplotě země.

ČTĚTE VÍCE
Proč kanadský javor?

V létě platí opačné podmínky. Pokud je budova zastíněna tak, aby do budovy pronikalo málo sluneční energie, pak bude tepelný zisk dán především prostupem tepla stěnami, střechou a okny, tedy dojde k opačnému procesu tepelných ztrát.

V noci, kdy je venkovní vzduch chladnější než přes den, bude vstup tohoto vzduchu do budovy, buď přirozenou cirkulací přes otvory, jako jsou větrací otvory nebo okna, nebo násilím přes ventilátory, vzduch ochlazovat, a proto všechny materiály a objektů v budově. A jelikož jim bude na začátku teplého dne zima, než se zahřejí, dokážou absorbovat a ukládat více tepla, čímž ochlazují vzduch v místnosti.

Pokud se tedy tyto předměty ráno ochladí, bude nějakou dobu trvat, než se zahřejí natolik, že vyžadují klimatizaci.

Vliv zvýšení teploty venkovního vzduchu na teplotu vzduchu uvnitř budov různých typů při absenci dodatečného zdroje energie pro chlazení prostor: 1 – venkovní vzduch; 2 – vzduch uvnitř lehké budovy s dřevěným rámem; 3 – vzduch uvnitř masivní budovy s vnější izolací; 4 – vzduch uvnitř masivní budovy, zasypaný a částečně pokrytý zeminou

Lehká budova při prudkém zvýšení venkovní teploty rychle reaguje na změny venkovní teploty a i přes dobrou izolaci její vnitřní teplota poměrně rychle stoupá.

Na druhou stranu masivní budovy svou vyšší akumulační schopností reagují na zvýšení teploty v menší míře.

Budova připevněná k hliněnému svahu nebo pokrytá vrstvou zeminy ještě méně reaguje na změny teploty venkovního vzduchu a při správném návrhu se nikdy příliš neohřeje.

Pokud se nepoužívají žádné další zdroje tepla, jako jsou kamna a krby, teplota vzduchu v lehkých budovách se značně liší, zatímco v budovách izolovaných zeminou zůstává téměř konstantní.

Vliv kolísání venkovní teploty vzduchu na teplotu vzduchu uvnitř budov různých typů při absenci dodatečného zdroje energie pro vytápění nebo chlazení prostor: 1 – venkovní vzduch; 2 – vzduch uvnitř lehké budovy s dřevěným rámem; 3 – vzduch uvnitř masivní budovy s vnější izolací; 4 – vzduch uvnitř masivní budovy, zasypaný a částečně pokrytý zeminou

Racionální využití přírodních klimatických podmínek v kombinaci s mohutností stavby snižuje potřebu energie. Masivnost budovy zase pomáhá vyrovnat zatížení topných a chladicích zařízení. Pokud budova nereaguje rychle na změny venkovní teploty, pak zařízení pro dodávku tepla nevyžaduje příliš mnoho energie k pokrytí této zátěže a může pracovat stabilněji.

Takže jedním extrémním případem je lehká, slabě izolovaná budova s ​​dřevěným rámem. Za chladného slunečného dne v takové budově nemusí být kamna vůbec zapnutá. V noci však možná budete muset spustit pec na plný výkon, abyste si udrželi příjemnou teplotu.

Druhým extrémem je, že masivní, zeminou pokrytá budova může být udržována na průměrné teplotě několik dní, možná 10 dní nebo dokonce dva týdny, s proměnlivými venkovními teplotami. Pro takovou budovu stačí mít relativně malý topný systém, který bude pracovat v konstantním režimu a poskytne příjemnou teplotu v místnosti.

Konstrukce masivních budov bohužel neodpovídá moderní teorii a praxi designu. Technologie a design se nyní soustředí na snahu udělat hodně s málem a stavební génius je ten, kdo dokáže v procesu uzavření prostoru použít co nejmenší množství materiálu.

ČTĚTE VÍCE
Co znamená Repelent?

Tento způsob uvažování se obvykle omezuje pouze na hodnocení použitých materiálů, bez zohlednění spotřebované energie nebo životnosti budovy. Vizuální vnímání hmotnosti budov je pro některé lidi důležitým estetickým hlediskem a nyní existuje tendence navrhovat a stavět konstrukce, které působí lehce.

Zvyšující se hmota může také zvýšit náklady na budovu. Autorita monolitického betonu mezi profesionálními staviteli stoupá a klesá. Postoj k tomuto materiálu je ovlivněn takovými faktory, jako je jeho cena, dostupnost, možnosti dodání, technologie pokládky a hmotnost.

Úkol zvýšení tepelné hmoty by se neměl zdát příliš obtížný. Jedním z řešení by zde mohla být instalace nádob na vodu uvnitř budovy (nejlépe před osluněné okno). Je však nepravděpodobné, že by tato metoda oslovila mnoho lidí.

K vyplnění dutin ve zdivu z betonových bloků lze použít písek, štěrk, beton nebo vodu (v plastových nádobách). Masivní krby, vnitřní betonové nebo cihlové příčky a dokonce i 50 nebo 75mm vrstva betonu nebo cihel na podlaze mohou výrazně zvýšit tepelnou setrvačnost budovy.

Způsoby zvýšení tepelné setrvačnosti budovy

Jedním ze způsobů, jak zvýšit tepelnou setrvačnost budovy, je instalace účinné tepelné izolace na vnější stranu budovy, což vyžaduje kreativní řešení konstrukčních problémů. Izolace byla obvykle umístěna uvnitř stěny (mezi vnější a vnitřní povrch) nebo uvnitř budovy. Nejtěžším úkolem při instalaci izolace na vnější stranu betonové nebo cihlové budovy je ochrana izolace před vlhkostí, deštěm, slunečním zářením a kontaktem s lidmi a zvířaty.

Stěnové konstrukce s různým umístěním tepelné izolace: a – tepelná izolace uvnitř stěny (mezi vnitřním a vnějším povrchem);

b – tepelná izolace uvnitř budovy; c – tepelná izolace mimo tepelnou hmotu budovy; 1 – obvyklé umístění izolace; 2 – vnitřní povrch; 3 – tepelná izolace; 4 – vnější povrch; 5 – stěna (beton, cihla, kámen)

Na posledním obrázku je schéma použití izolace ve formě tuhých polystyrenových desek pokrývajících vnější povrch monolitické betonové stěny. Většina této izolace je pokryta zeminou, nicméně ta část izolace, která kryje beton nad terénem, ​​musí být chráněna před možným poškozením, včetně vystavení slunečnímu záření (zejména ultrafialovým paprskům).

Designový detail s téměř souvislou vnější tepelně izolační ochranou: 1 – dekorace interiéru; 2 – vnější dokončovací vrstva (tenké desky); 3 – tepelná izolace ze skelných vláken; 4 – patro; 5 – betonová zeď; 6 – izolace tuhé desky; 7 – ochranný nátěr

Ochrana tepelné izolace

Pod úrovní terénu musí být izolace chráněna před vlhkostí, hmyzem a hlodavci. Polystyrenovou desku lze osadit do bednění před nalitím betonové směsi. V tomto případě je dosaženo velmi dobré adheze mezi oběma materiály. Ochrana izolace nad úrovní terénu je však za příplatek.

Jednou z možností takové ochrany je aplikovat ji na izolaci. cementování materiál (jako je malta na bázi skleněných vláken). Další metodou je upevnění tuhého plošného materiálu, jako je překližka odolná proti vlhkosti nebo azbestocementové desky.