1.2 Рідинні теплові акумулятори

До числа найбільш простих і надійних обладнань акумулювання тепла, безсумнівно, ставляться рідинні ТА, що пов'язане зі сполученням функцій теплоаккумулирующего матеріалу теплоносія. Внаслідок цього акумулятори такого типу особливо широко застосовуються для побутових цілей, у схемах різних електростанцій (АЕС, АТЭЦ, сонячні й ін.). У цей час застосовуються кілька основних конструктивних виконань рідинних ТА. Двокорпусної ТА характеризується роздільним зберіганням гарячого й холодного ТАМ. У процесі зарядки один корпус заповнюється гарячим ТАМ, а іншої – спорожняється. При роботі гарячий ТАМ подається споживачеві й, відробивши, попадає в корпус холодного ТАМ. Основною гідністю такого виконання ТА є изотермичность кожного з корпусів і, як наслідок, відсутність у них термічних напруг і втрат, енергії на нагрівання — охолодження. Очевидно також, що об'єм корпусів використовується нераціонально й майже вдвічі перевищує об'єм ТАМ. Такий принциповий розв'язок доцільний при великій різниці температур гарячого й холодного ТАМ, особливо у випадках використання сольових ТАМ і рідких металів.

Рис. 2. Основні типи рідинних акумуляторів тепла (магістралі показані в режимі розряду): а — двоконтурний; б — багатокорпусний; в — вытеснительный; з — з ковзною температурою ТАМ; 1 — гарячий ТАМ; 2 — холодний ТАМ; 3– споживач; 4 — єдиний корпус; 5 — рівень рідини; 6 — проміжний теплоносій.

З метою більш раціонального використання об'єму акумулятора запропонований багатокорпусний варіант, у якому використовується кілька корпусів з гарячим ТАМ і один порожній (холодний). У міру розрядки заповнюється спочатку цей корпус, а потім вивільнювані гарячі в міру їх спорожнювання. Це приводить до появи термічних напруг і втрат на нагрівання у всіх корпусах, крім одного.

Найбільше раціонально використовується об'єм теплового акумулятора у випадку застосування єдиного корпуса, заповненого на початку процесу гарячим ТАМ.

У процесі роботи гарячий ТАМ забирається з верхньої частини ТА, а відпрацьований холодний ТАМ подається в нижню частину ТА. Такий тип рідинного акумулятора називається вытеснительным. Внаслідок різниці плотностей гарячої й холодної рідин може забезпечуватися мале перемішування рідини (ефект «термоклина»), ефективність використання вытеснительных ТА знижується внаслідок втрат тепла на перемішування й теплопровідності між об'ємами гарячого й холодного ТАМ, нагрівши корпусів і т.п.

Теплові акумулятори такого типу застосовуються для рідин, що мають великий коефіцієнт лінійного розширення.

При особливих властивостях ТАМ або недоцільності для споживача використання ТАМ у якості теплоносія застосовуються теплові акумулятори з ковзною температурою (мал. 2, г).

У цьому випадку проміжний теплообмінник може розміщатися як у корпусі ТА, так і поза ним. У процесі заряду відбувається нагрівання ТА з використанням або проміжного теплоносія, або електроенергії, а в процесі остигання проводиться відвід тепла в проміжному теплообміннику. Одним з характерних прикладів такого ТА є «сонячний пруд», у якому відбір ТАМ небажаний внаслідок руйнування зворотного градієнта солоності води.

Конструктивне виконання рідинного теплового акумулятора багато в чому визначається властивостями теплоаккумулирующего матеріалу. У цей час найбільш широке застосовуються вода й водяні розчини солей, високотемпературні органічні й кремнийорганические теплоносії, розплави солей і металів.

У діапазоні робочих температур 0...100 ос вода є кращим рідким ТАМ як з комплексу теплофізичних властивостей, так і за економічними показниками. Подальше підвищення робочої температури води пов'язане з істотним ростом тиску, що ускладнює проектування корпуса, підвищує його вартість. З метою забезпечення низьких робочих тисків ТАМ використовуються різні високотемпературні теплоносії. При цьому виникають проблеми добору конструкційних матеріалів теплового акумулятора й системи в цілому, застосування спеціальних обладнань, що запобігають отвердіння ТАМ на всіх режимах експлуатації, герметизації ТА й ряд інших.

Крім цього, використання найпоширенішого вытеснительного типу ТА пов'язане з комплексом конструктивних і експлуатаційних заходів, що забезпечують мінімальні втрати енергії.

З метою зниження втрат від змішання гарячого й холодного об'ємів ТАМ використовуються різні обладнання, що забезпечують зниження швидкості потоку рідини, що виходить і вхідного в патрубок до декількох сантиметрів у секунду, і рівномірний розподіл ТАМ по всьому перетину акумулятора.

Таблиця 2 Теплофізичні властивості рідких ТАМ

ТАМ Температура, ДО Щільність кг\м3•103 Питома теплоємність кДж\кг•К коефіцієнт

застывания максимальна кипіння Теплопровідності, Вт\м•К В'язкості, •106 Па•с

Вода під тиском, 0,1 МПа: 273 373 373 1 4,19 0,67 5,5

тетрахлордифенил 266 613 1,44 2,1 0,17 1000

Дифенильная суміш 285 673 531 0,95 0,12-0,08

полиметилсилоксан 213 593 0,9 1,5 0,1-0,14 5-20

полиэтилсилоксан 203 563 0,9-1 1,6 0,13-0,16 3-40

літій 455 1600 1623 0,48 4,36 52-66 8-13

натрій 371 1150 1155 0,8 1,33 52-75 14-22

У житлових приміщеннях можна застосувати водяний акумулятор у якості добового. Добовий водяний акумулятор тепла встановлюється усередині будинку, у тому числі він може бути вбудований в одну з міжкімнатних перегородок. Акумулятор являє собою порожню стіну, у якій розміщені баки, заповнені водою. Через ці баки проходять димарі від печі, які підігрівають воду в баках. Джерелами нагрівання водяного акумулятора крім печі, можуть бути використані система повітряного сонячного опалення й система сонячного підігріву води.

Зовнішня теплоізоляція акумулятора - дерев'яна, цегельна або з газобетону, - служить для зниження температури обігрівальної поверхні приблизно до 40 ос. Теплоізоляція забезпечує повільне остигання бака-акумулятора для того, щоб температура в кімнаті підтримувалася в прийнятному діапазоні температур.