Теплоаккумулятор из трубы: Как сделать теплоаккумулятор для котлов отопления своими руками

Теплоаккумулятор (буферная емкость) своими руками

Теплоаккумулятор содержит большой объем воды (теплоносителя), поэтому может накапливать тепловую энергиюЮ и отдавать ее, когда котел не работает. Это позволяет значительно реже подходить к твердотопливному котлу, фактически раз в двое суток в межсезонье, если котел мощный и дом утепленный, а также дает возможность использовать по максимуму на благо отопления дешевый ночной тариф электроэнергии.

Идея установить буферную емкость (теплоаккумулятор) выглядит блестящей для всех умученных дежурством у котлов, но разбивается о ценник на теплоаккумуляторы. Оказывается, что увеличить комфорт не слишком то и дешево. Но может получится сделать теплоаккумулятор своими руками? Ведь на первый взгляд ничего сложного…

 

Как можно сделать теплоаккумулятор

Заводская конструкция теплоаккумулятора, как правило, – бочка, круглая в сечении. Объм обычно в пределах 500 – 2000 литров. Диаметр – до метра, высота до 2,5 метров. Размещается на ножках, с множеством вваренных штуцеров. Может содержать в себе 1 или 2 или больше спиральных теплообмеников, для подсоединения независимых контуров, например, солнечного коллектора, нагрева проточной воды…

Емкость утеплена слоем теплоизоляции, чтобы не перегревать воздух в котельной. В фирменных теплоаккумуляторах внутри организована сложное распределение потоков… Можно взглянуть на рекламу Buderus на видео…

 

Основа конструирования буферной емкости – как должны направляться потоки

Чтобы создать правильное направление потоков, подключение к буферной емкости выполняются следующим образом.

• Подача с котла – в верхней части.
• Подача из емкости на радиаторы – в верхней части, на уровне подачи котла
• Обратка с радиаторов – в нижней части.
• Обратка на котел – в нижней части, чуть ниже обратки с радиаторов.

При этом жидкость в теплоаккумуляторе обязательно должна двигаться сверху вниз, по кольцу контура котла, а также — от котла к радиаторам.

Отследить направление движения жидкости можно по температурным датчикам — обратка котла должна быть теплее, чем обратка радиаторов.

Важно соблюсти принцип:  – расход теплоносителя в контуре котла должен превышать расход в радиаторах, только тогда теплоаккумулятор сможет нормально работать. Это обычно обеспечивается большим гидравлическим сопротивлением контура потребителей, при одинаковых насосах.

Радиаторы получат горячий теплоноситель сразу, как он появится внутри теплоаккумулятора, забирая его своим насосом с верхней части, что обеспечивает оперативность управления всем отоплением и реагирование на суточные перепады температур.

Важнейший вопрос при установке теплоаккумулятора – защита котла от холодной обратки, выполняется обязательно, например с помощью трехходового клапана.

 

Основы конструирования буферной емкости

Гораздо предпочтительнее использовать большую готовую бочку или трубу, тогда будет намного меньше сварных швов, чем в самодельной прямоугольной конструкции.

• Ввариваются патрубки 3/4 дюйма для подключения контуров. Но контур твердотопливного котла, для реализации аварийного самотечного циркулирования, желательно создавать не менее 1дюйма, при этом подача от котла, где возможен перегрев, – стальная.
• Сливной патрубок, он же и очиститель шлама – в самой нижней части.
• В крышке рекомендуется создать патрубок большого диаметра для подключения автоматического воздухоотводчика или группы безопасности.

Сделать буферную емкость самостоятельно может лишь квалифицированный сварщик. Пример создания теплоаккумулятора из бочек, но явных ошибок схемотехники повторять не стоит…

Одно из пропагандируемых некоторыми специалистами решений – 4 дешевые бочки 200 литров, попарно соединенные патрубками большого диаметра…

 

Какой объем буферной емкости понадобится

Ключевой вопрос – какой объем теплоаккумулятора можно считать достаточным. Обычный режим работы – разогрев до +90 градусов и остывание до +60 градусов, пока работа радиаторов будет эффективной… В разнице 30 градусов заключается та энергия, которую можно накапливать и использовать.

Несложный тепловой расчет показывает, что одной тонны воды будет достаточно для обогрева среднеутепленного дома 100 м кв в самые пиковые морозы в течении 5 часов. А при средне-сезонной температуре – сутки.

На практике, емкость 1,2 тонны в хорошо утепленном небольшом доме позволяет не подходить к котлу 30 кВт на дровах в течении 2 суток… Ставить буферную емкость менее 0.8 тонны особого смысла нет…

 

Вопрос утепления

Не нужно спешить накладывать утеплитель до завершения полных испытаний с нагревом и под давлением. При нагреве свыше 60 градусов полистиролы начинают усиленно разлагаться, выделяя яд. Для буферной емкости лучше использовать неплотную минеральную вату толщиной 5 см, ее изоляцию от жилого пространства сделать фольгированным вспененным полиэтиленом проклеенным скотчем.

 

Буферная емкость из еврокуба

Недорого можно приобрести б/у полиэтиленовые емкости на тонну воды, находящиеся в металлической решетке. Их допустимый предел нагревания — +70 градусов, — выше начинает проявляться текучесть материала. Но среди достоинств  – предельная дешевизна изготовления, можно все сделать своими руками без привлечения сварщика… Что из этого получается, смотрите видео.

особенности сборки теплоаккумулятора для котла своими руками

Очень часто отопление строений загородного сектора осуществляют котлы, работающие на твёрдом топливе, так как другие энергоресурсы попросту недоступны или невыгодны с экономической стороны. Поэтому перед каждым отопительным сезоном домовладелец занят заготовкой топлива, объёмы которого бывают достаточно внушительными, всё зависит от площади отапливаемого строения, качества его утепления и климатических условий региона проживания.

Практически все твердотопливные котлы в полной мере обеспечивают создание комфортной температуры в помещении, если протапливаются дважды на протяжении 24 часов.

Если же произойдёт сдвиг времени розжига топлива в котле, то в доме сразу становится прохладно и некомфортно. Исключением можно считать отопительные устройства с длительным горением топлива, которые обеспечивают поддержание необходимой температуры в помещении на протяжении нескольких дней. Также такой результат можно получить, даже используя стандартный котёл на твёрдом топливе, если в отопление включить специальное устройство, которое способно аккумулировать излишки тепла, вырабатываемые агрегатом при горении одной закладки камеры сгорания. Под таким узлом подразумевается буферная ёмкость или как её называют накопительный теплоаккумулятор.

Что дает установка теплоаккумулятора?

Однажды установив теплоаккумулятор в основное отопление загородного дома, будут достигнуты следующие цели:

• протопка твердотопливного котла в удобное для домовладельца время;
• увеличение временного промежутка между закладкой очередной порции топлива;
• оптимизируется расход твёрдого топлива для обогрева помещения.

Совместив основное отопление с буферной аккумулирующей ёмкостью, появляется возможность в значительной степени снизить расходы энергоресурсов не в ущерб комфорту проживания жильцов. При этом экономия может быть значительно увеличена при установке дополнительных датчиков и терморегуляторов. Благодаря этому, когда температура в доме достигла заданных параметров, прекращается поступление теплоносителя в радиаторы.

Вырабатываемая тепловая энергия котлом, который продолжает работать, начинает накапливаться в теплоаккумуляторе. После того как теплоноситель остынет тепло из буферной ёмкости начинает передаваться обратно в отопительную систему мимо остывшего котла. При этом чем больше ёмкость теплоаккумулятора тем дольше отопление будет работать за счёт накопленного тепла.

Конструктивные особенности теплоаккумулятора

Конструкция буферной ёмкости изготавливается из листовой стали, напоминая собой форму цилиндра. При этом объём бака варьируется от сотни литров до нескольких десятков кубометров. Естественно, чем больше ёмкость, тем сложнее найти место для её размещения. Из-за внушительных габаритов накопительного бака возникают проблемы с его установкой в котельной или другом подсобном помещении.

Производителями выпускаются готовые теплоаккумуляторы, которые на прилавки магазинов поступают совместно с теплоизоляцией. По толщине качественный утеплитель должен быть не меньше 100 мм. Утеплённую ёмкость закрывают кожухом, сшитым из качественного коже заменителя. Благодаря качественной теплоизоляции теплоноситель в накопительном баке остывает намного медленней. По своей конструкции теплоаккумуляторы бывают следующих типов:

• без вмонтированного теплообменника;
• с несколькими или одним змеевиком;
• с вмонтированными бойлерами, меньшими по диаметру основной ёмкости, которые используются для обеспечения горячего водоснабжения в доме в автономном режиме.

Стальной корпус бака обустроен несколькими резьбовыми патрубками, используемыми для подсоединения аккумулирующего устройства к котлу и основной разводке отопления по комнатам.

Как быстро расходуется тепловая энергия?

На сегодняшний день точных данных по расходу тепла в теплоаккумулирующем устройстве не существует. В первую очередь, это обусловлено тем, что энергия, накопленная в буферном баке, расходуется в зависимости от следующих факторов:

• от размеров ёмкости;
• от степени потерь тепла в доме;
• от температурных показателей на улице;
• от заданного режима нагрева помещения.

Отопление загородных домов в режиме пассивной работы твердотопливного котла может длиться от пары часов до нескольких дней. При работе теплоаккумулятора основной отопительный агрегат простаивает вхолостую, а, значит, экономится топливо.

Собираем тепловой аккумулятор своими руками

Чтобы все сборочные работы по изготовлению буферной ёмкости своими руками прошли удачно, нужно подготовить следующие вещи:

• электрическая сварка;
• набор ключей, в том числе и газовый;
• паронитовые или силиконовые прокладки;
• соединительные муфты;
• листовой металл;
• взрывные клапаны.

Для того чтобы собрать теплоаккумулятор своими руками нужно придерживаться определённого порядка действий.

1. С помощью электросварки изготавливается герметический бак.
2. Врезаются патрубки в количестве 4 штук. Пара для подачи и пара для возврата теплоносителя.
3. Патрубки должны размещаться на противоположных сторонах бака при этом подающие концы располагаются в верхней части, а трубы обратки внизу теплоаккумулятора.
4. В верхней части устройства ввариваются муфты, в которых вмонтированы термодатчики и защитный клапан.
5. На завершающем этапе сборки выполняется теплоизоляция.
6. Выполняется подключение подающих труб к верхним патрубкам, а обратного трубопровода к нижним аналогам.
7. Аккумулирующее устройство подсоединяется к котлу.

Важно все расчёты по параметрам мощности аккумулирующего устройства и толщины бака выполнить до этапа сборки.

Варианты подключения теплоаккумулятора

Схема подключения буферной ёмкости своими руками напрямую зависит от циркуляции теплоносителя в отоплении. При естественном движении воды оборудование монтируется в максимальной близости непосредственно возле твердотопливного котла. В ситуации, когда используется циркуляционный насос место размещения теплового аккумулятора большой роли не играет.

Аккумулирующий прибор должен размещаться в помещении с температурными показателями не ниже 10° С. Плюс ко всему необходимо обеспечить доступ к соединительным патрубкам в случае возникновения поломки или проведения профилактических работ. Буферная ёмкость размещается непосредственно в котельной на одном уровне с твердотопливным котлом, но ни в коем случае не выше.

Работа теплоаккумулятора в системе отопления

Благодаря циркуляционному насосу, который обычно устанавливают на участке, соединяющем котёл с тепловым аккумулятором, обеспечивается подача теплоносителя в верхнюю часть буферной ёмкости. При этом из нижних патрубков холодная вода возвращается обратно в центральное обогревательное устройство.

Установка второго циркуляционного насоса выполняется между теплоаккумулятором и батареями, что обеспечивает подачу горячей воды по разводке отопительной системы до момента достижения заданных температурных параметров в обогреваемом помещении.

При остывании теплоносителя ниже минимального параметра происходит срабатывание термодатчиков, и насосы возобновляют подачу горячей воды в отопительную систему. При этом тепловая энергия будет аккумулироваться, когда насос на выходе буферной ёмкости бездействует.

Если не использовать тепловой аккумулятор, то теплоноситель перегревает комнаты в доме и домовладельцу приходится открывать форточки для снижения температуры в помещении. Проще говоря, работа котла происходит для нагрева улицы, что в настоящее время считается преступным расточительством.

После того как закладка топлива в котле полностью прогорит оборудование переходит в режим ожидания, а обогрев дома происходит посредством теплоаккумулятора, который отдаёт аккумулированное тепло в систему отопления. Остывший теплоноситель снова возвращается в буферную ёмкость, постепенно снижая температуру теплоносителя, находящегося, в баке-термосе.

Практические рекомендации специалистов

Исходя из опыта специалистов, которые неоднократно изготавливали тепловой аккумулятор для котла своими руками, были выделены некоторые рекомендации, упрощающие и удешевляющие сборку оборудования:

• Заводской змеевик можно заменить гофрированным шлангом из металла.
• Чтобы избавиться от работ со сварочным агрегатом, можно использовать ёмкости из огнеупорного пластика. Чтобы пластмассовые баки не утратили свою форму, их помещают в решетчатый каркас.
• Компактные теплоаккумулирующие устройства можно устанавливать в системе тёплых полов.
• Для больших помещений лучше использовать заводские устройства расчёт мощности, которых производился опытными специалистами.

В процессе выбора готового теплового аккумулятора для любых типов котлов желательно обратить внимание на наличие нужного количества патрубков. От этого напрямую зависит возможность подключения устройства в систему горячего водоснабжения или тёплых полов, а также использование альтернативных нагревательных устройств, таких как солнечные коллекторы.

Собрать теплоаккумулятор самостоятельно сможет практически каждый. Для этого не нужно покупать дорогостоящие запчасти. Простейшая модель состоит из материалов, которые могут пылиться в гараже или на даче. Но если есть сомнения в собственных силах, то всегда можно приобрести готовое изделие, тем более что цена теплоаккумулятора доступна людям с любым бюджетом.

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

Теплоаккумулятор своими руками — описание и изготовление!

Самостоятельное изготовление теплоаккумулятора под силу каждому человеку, имеющему навыки работы с элементарными слесарными и хозяйственными инструментами. Для сборки такого агрегата не придется покупать какие-либо дорогостоящие детали и материалы. Комплектующие для самой простой модели можно найти в гараже либо кладовой любого запасливого и хозяйственного человека.

Теплоаккумулятор

После изучения следующего руководства вы сможете самостоятельно изготовить теплоаккумулятор и подключить его к отопительной системе.

Устройство и особенности работы теплоаккумулятора

По своей конструкции типичный теплоаккумулятор является стальным баком с патрубками вверху и внизу, одновременно являющимися концами змеевика, изготовленного из медной трубки. Нижние патрубки соединяются с тепловым источником, верхние – с системой отопления. Внутри установки находится жидкость, которую потребитель может использовать для решения нужных ему задач.

Схема подключения

Принцип работы агрегата построен на высокой теплоемкости воды. В целом механизм действия теплоаккумулятора можно описать так:

• в боковые стенки емкости врезано две трубы. Через одну в бак поступает холодная вода от водопровода или из резервуаров, через вторую подогретый теплоноситель отводится в радиаторы отопления;
• верхний конец змеевика, установленного в баке, соединяется с патрубком холодной воды котла, нижний – с патрубком горячей;
• циркулируя через змеевик, горячая вода нагревает жидкость в баке. После выключения котла, вода в отопительных трубах начинает остывать, но продолжает циркулировать. При поступлении в теплоаккумулятор прохладная жидкость выталкивает накопленный там горячий теплоноситель в отопительную систему, благодаря чему обогрев помещений продолжается еще в течение некоторого времени (в зависимости от емкости накопителя) даже при выключенном котле.

Важно! Для обеспечения движения теплоносителя система укомплектовывается циркуляционным насосом.

Цены на теплоаккумуляторы для систем отопления

Теплоаккумуляторы для систем отопления

Ключевые функции теплонакопителей

Принцип работы теплоаккумулятора

Теплоаккумулятор имеет множество полезных функций, в числе которых:

• обеспечение пользователя горячей водой;
• нормализация температурного режима в обогреваемых помещениях;
• повышение показателей полезного действия отопительной системы с одновременным уменьшением расходов на обогрев;
• возможность объединения нескольких тепловых источников в единый контур;
• накопление лишней энергии, которую вырабатывает котел и т.д.

При всех своих преимуществах теплоаккумуляторы имеют всего 2 недостатка, а именно:

• ресурс накапливаемой теплой жидкости напрямую зависит от объема используемого бака, но при любых обстоятельствах он остается строго ограниченным и заканчивается довольно оперативно, поэтому нужно обязательно продумать вопрос обустройства дополнительной системы нагрева;
• более объемные накопители требуют достаточно много места для установки, к примеру, котельного помещения.

Бак-теплоаккумулятор для твёрдотопливного котла WIRBEL CAS-500Устройство для эффективной работы твердотопливного котла и зарядки теплового аккумуляторного бакаСхема установки

Сборка простого теплоаккумулятора

Простейший тепловой накопитель работает по принципу термоса. Стенки установки практически не проводят тепло и позволяют воде оставаться теплой в течение достаточно продолжительного времени.

Для сборки такого агрегата нам понадобятся следующие приспособления:

• бак. Объем подбирайте индивидуально, по своим потребностям и возможностям. Объективный минимум – 150 л;
• материал для теплоизоляции. Отлично подходит минеральная вата;
• клейкая лента;
• медные трубки для изготовления змеевика;
• бетонная плита либо доски для опалубки и раствор для заливки.

Теплонакопитель можно собрать на основе железной бочки. Объем, как уже отмечалось, подбирается индивидуально, однако в использовании бака вместительностью меньше 150 л особого смысла нет.

Первый шаг

Подготавливаем бочку к дальнейшей работе. Если это старая емкость, тщательно очищаем ее от различных загрязнений и зачищаем следы коррозии.

Теплоаккумулятор, общий видТеплоаккумулятор, патрубки. 1 — система отопления. 2 — верхний змеевик. 3 — нижний змеевик. 4 — охлаждение ТА. 5 — группа безопасности. 6 — магниевый анодТеплоаккумулятор, патрубки с другой стороны. 1 — термометры Wats. 2 — твердотопливный котел. 3 — термодатчики для контроллера солнечных систем

Второй шаг

Оборачиваем внешние стенки теплоизоляционным материалом. Хорошо подойдет минеральная вата. Окутанную теплоизоляцией бочку дополнительно обматываем скотчем в несколько слоев.

Третий шаг

Окутываем бак фольгированной пленкой. Для фиксации материала также используем клейкую ленту. При желании обшиваем изолированную конструкцию листовым металлом.

Четвертый шаг

Делаем змеевик, по которому будет транспортироваться теплоноситель. Для этого используем медную трубку длиной 8-15 м (зависит от объема выбранной бочки) и диаметром порядка 20-30 м. Сгибаем трубу в спираль и помещаем внутрь бака. Змеевик соединяется с котлом. В дальнейшем эта спираль будет нагреваться и отдавать полученное тепло воде в баке.

ТеплоаккумуляторЗмеевик — теплообменникТрубы довольно неплохо зажимаются между шляпками саморезовПодключение теплообменникаПодключение теплообменникаПодключение теплообменникаУтепление теплоаккумулятора

Пятый шаг

Делаем патрубки в боковых стенках накопителя. Через один патрубок в бак будет поступать холодная вода, через другой выходить горячая. Патрубки оснащаем кранами для быстрого перекрытия циркуляции воды.

Шестой шаг

Устанавливаем тепловой накопитель и выполняем его подключение.

Для лучшего понимания порядка подключения теплоаккумулятора смотрим на схему.

Важно! Бочку можно ставить только на плиту из бетона. Покупаем готовое изделие либо отливаем основание самостоятельно.

По рассмотренному способу выполняется подключение накопителя к системе обогрева, работающей с использованием 1 котла. В случае применения большего количества отопительных агрегатов, схема существенно усложнится. Систему придется оснастить датчиками давления и температуры, взрывным и предохранительным клапанами и т.д. К сборке подобного агрегата рекомендуется приступать только при наличии соответствующих навыков и должного опыта.

Использование теплоаккумулятора в разных системах обогрева

Схема ГВС

Теплоаккумуляторы эффективно показывают себя при использовании в самых разнообразных системах обогрева. При этом в каждом случае подобный накопитель позволяет существенно сэкономить на отоплении.

Чаще всего тепловыми аккумуляторами комплектуются системы твердотопливного обогрева. Установка будет способствовать более экономичному расходу топлива и эффективному обогреву, а также предотвратит преждевременный износ отопительных радиаторов.

Не лишним будет тепловой аккумулятор и в системе электрического отопления, в особенности в регионах с двойным тарифом за электричество. Ночью, когда электроэнергия продается потребителю по более доступной стоимости, аккумулятор будет накапливать тепло. Днем же можно будет на некоторое время выключить котел и топить силами теплоаккумулятора.

Используются накопители и в многоконтурных отопительных системах. Благодаря ним обеспечивается распределение теплоносителя между контурами. Монтаж патрубков может быть выполнен на разной высоте, что позволит получать воду, нагретую до разной температуры.

Несколько слов о модернизации

Схема подключения

При необходимости собранный нами тепловой аккумулятор легко модернизируется. Существует несколько способов.

1. Мы можем установить снизу дополнительный теплообменник, благодаря которому будет накапливаться энергия, получаемая солнечным коллектором. Актуально для современных систем, использующих энергию солнца для обогрева помещений.
2. Мы можем разделить внутреннее пространство емкости на несколько сообщающихся секций, что обеспечит более выраженное расслоение воды по температурам. Актуально для многоконтурных систем.
3. Мы можем немного увеличить бюджет и выполнить теплоизоляцию стенок бака пенополиуретаном вместо минеральной ваты. Этот материал позволит дополнительно уменьшить потери тепла.
4. Мы можем увеличить количество патрубков и подключить накопитель тепла к более сложной системе обогрева, построенной на базе нескольких независимых контуров. Актуально для отопительных систем, обслуживающих большие дома с помощью котлов высокой мощности.
5. Мы можем установить дополнительный теплообменник для накопления воды. Ее можно будет использовать для различных бытовых и хозяйственных нужд.

Солнечный коллекторАбсорбер частично выгнут буквой UПрактически замкнут в кольцоОбщий вид готового теплообменника для самодельного теплоаккумулятора

Теперь вы владеете всеми необходимыми знаниями для самостоятельной сборки, установки, подключения и модернизации теплового аккумулятора.

Удачной работы!

Видео – Теплоаккумулятор своими руками

 

Теплоаккумулятор Jaspi (л)	Время нагрева (час.) при мощности
	20 кВт	25 кВт	30 кВт	35 кВт	40 кВт	45 кВт	50 кВт	55 кВт	60 кВт
500
1000	2,3
1200	2,8	2,2
1500	3,5	2,8	2,3
1800		3,4	2,8	2,4	2,1
2000			3,1	2,7	2,3	2,1
2400				3,2	2,8	2,5	2,2	2,0
3000					3,5	3,1	2,8	2,5	2,3
3500							3,3	3,0	2,7
4000								3,4	3,1
4500									3,5

Изготовление теплоаккумулятора своими руками — Недвижимость в Москве

Last Updated on 10.10.2017 by Sia

Водяной теплоаккумулятор – это специальный аппарат, который собирает лишнюю тепловую энергию с котла, простыми словами, накапливает тепло до определенного момента. Если дом перестает отапливаться обычным способом, бак-аккумулятор будет бесперебойно поставлять тепло. Стоимость подобного устройства очень высока: за объем 200 литров придется заплатить почти тысячу долларов, что уж говорить о более объемном оборудовании. Если в планы не входят большие растраты, то предлагаем сделать теплоаккумулятор самостоятельно.

Сфера применения теплоаккумулятора

Некоторые думают, что тепловой аккумулятор не особо нужен в доме, ведь он работает редко. Однако, оборудование играет важную роль в отопительной системе и применяется в нескольких случаях.

Если дом обогревается печью, что имеет водяной контур, или котлом, топить которые нужно путем подкидывания дров и угля. Чтобы хозяин дома спокойно спал ночью и не бегал к печи для подкидывания топлива, начинает работать аккумулятор тепла.

Когда дом отапливается электрокотлом, то счет за электричество будет на немаленькую сумму. Все знают, что ночью тариф в два раза меньше, поэтому целесообразно днем использовать теплоаккумулятор.

Ну и, конечно же, при отключении основного источника отопления, например, в случае поломки, накопитель тепловой энергии будет очень кстати.

Виды теплоаккумуляторов

Существует несколько видов тепловых аккумуляторов.

Стандартная буферная емкость. Аккумулятор – это обычный металлический бак. Для того чтобы он дольше сохранял тепло, бак должен быть покрыт слоем утеплителя. Если конструкция не утеплена – сделать это можно своими руками.

Накопитель горячего водоснабжения. Чтобы бак-теплоаккумулятор грел воду, его нужно укомплектовать змеевиком. Змеевик служит проводником холодной воды из водопровода в бак, его размещают в верхней или нижней части конструкции либо, вообще, по всему периметру нагревателя. Напрямую пускать воду в бак не рекомендуется, так как на стенках аккумулятора образовываются отложения и распространяются бактерии.

Змеевик проводят не только от водопровода, но и от солнечных лучей так называемые солнечные коллекторы. Теплоноситель поступает в накопитель от специальных нагретых солнцем панелей, оставляет тепло в баке, и по змеевику опять возвращается к панелям, чтобы заново нагреться.

Водяной теплоаккумулятор с теплообменником. Как и змеевик, теплообменник

Теплоаккумуляторы

используют для ГВС. Благодаря высокой теплопроводности, гофрированная труба отлично подойдет для подключения к солнечным коллекторам. Теплообменник еще используют для системы теплых полов. Труба выдерживает давление до 10 атмосфер.

Конструкцию «бак в баке». Такой теплоаккумулятор называют полноценным бойлером внутри технологической емкости. Чтобы увеличить площадь теплообмена и способствовать очищению стенок бака от накипи, для изготовления конструкции используют ребристую нержавеющую сталь.

Устройство теплоаккумулятора

Основа накопителя – это обычный бак, снизу и сверху имеющий парубки, к которым крепится змеевик. Внизу бак соединяется с источником тепла, а вверху – с отопительной системой. Агрегат отличается высокой теплоемкостью воды. Аккумулятор работает по определенному принципу.

В боковых стенках бака есть две трубы. Одна является проводником холодной воды от водопровода, вторая нужна для теплового носителя, чтобы тот поступал в радиаторы отопления.

Верхний змеевик соединяют с трубой, через которую идет холодная вода, а нижний – с патрубком горячей воды.

Принцип работы

Горячая вода циркулирует через змеевик и нагревает жидкость, находящуюся в баке-теплоаккумуляторе. Если котел выключается, вода в трубах постепенно остывает, но циркуляция продолжается. Прохладная жидкость, поступающая в накопитель, начинает выталкивать имеющийся там горячий накопитель в систему отопления, за счет чего помещения продолжают обогреваться какое-то время, даже если котел выключен.

Чтобы теплоноситель двигался по трубе, нужно укомплектовать бак циркулярным насосом.

Как собрать теплоаккумулятор своими руками

Необязательно покупать теплоаккумулятор. Его можно сделать самостоятельно, сэкономив почти в два раза, а эффективность будет не хуже, чем у покупного. Самый простой цилиндрический теплоаккумулятор по принципу работы сходный с термосом. Его стенки сохраняют тепло воды долгое время, поэтому он отлично подойдет для отопления помещений. Перед началом сборки водяного теплоаккумулятора понадобится:

• Бак с минимальным объемом 200 литров, бак меньше не имеет смысла. Объем выбирать, основываясь на площадь, которая должна отапливаться.
• Материал, чтобы теплоизолировать конструкцию, например, возьмите минеральную вату.
• Фольгированная пленка.
• Клейкая лента.
• Змеевик трубки из меди для его изготовления.
• Для опалубки можно использовать бетонную плиту или доски, еще понадобиться бетон для заливки.

В качестве накопителя отлично подойдет железная бочка.

После того как запасетесь всеми необходимыми материалами, можно приступать к работе.

Схема теплоаккумулятора SWaG 800

Этапы сборки теплоаккумулятора

Для начала нужно подготовить бочку. Если она старая, то очистите ее от загрязнений и следов коррозии.

Берем теплоизоляционный материал и оборачиваем им внешние стенки бака, после чего закрепляем утеплитель с помощью скотча, обмотанного в несколько слоев. Для утепления отлично подойдет минеральная вата, а вот использование экструдированного пенополистирола не рекомендуется, из-за того, что под такой обшивкой в холодное время года могут поселиться мыши. К минеральной вате они равнодушны.

Чтобы окутать бочку, нужно взять фольгированную пленку и зафиксировать ее клейкой лентой. Самодельный теплоаккумулятор можно обшить листом металла.

Следующим шагом станет изготовление змеевика. Для этого понадобится медная трубка длиной 8–15 метров (длина зависит от объема бака) и диаметром 20–30 метров. Согните трубу в спираль и поместите внутрь бочки. При соединении змеевика с котлом спираль будет нагреваться, соответственно, будет нагреваться и вода в накопителе.

Для движения воды нужно сделать патрубки, которые мы оснастим кранами. Краны нужны, чтобы при необходимости можно было быстро перекрыть циркуляцию воды.

Последний этап – это установка теплоаккумулятора. Бак устанавливают на бетонную основу. Можно использовать готовую плиту или же самим залить опалубку бетонным раствором.

Этот тип конструкции подходит для однокотловой системы отопления. Если котлов несколько, новичку будет сложно сделать правильный агрегат самостоятельно.

Теплоаккумулятор из баллонов

Если котельная слишком маленькая для установки объемных бочек, можно сделать цилиндрический теплоаккумулятор из баллонов от пропана. Такая конструкция имеет объем всего 100 литров, но для небольшого помещения вполне подойдет. Накопитель выполняет несколько функций:

• Разгрузка твердотопливного котла при перегреве путем накопления излишков теплоты, что обеспечивает безопасность котла.
• Нагрев воды для хозяйственных нужд.
• Баллон способен обеспечить обогрев дома на несколько часов, если котел будет отключен.

Для начала нужно подготовить материалы:

• баллоны из-под пропана 2 шт.;
• медная трубка, длиной 10 метров и диаметром 12 метров;
• штуцеры и гильзы для термометров;
• базальтовая вата в качестве утеплителя;
• металл, чтобы обшить конструкцию.

Если все необходимые материалы в наличии, можно приступать к изготовлению.

1. Открутить от баллонов вентили и отрезать крышки с помощью болгарки. Перед тем как отрезать крышку, наполнить баллон водой, чтобы остатки газа не взорвались.
2. Согнуть трубу в форму змеевика вокруг трубы нужного диаметра.
3. Сверлом сделать отверстия в баллоне для фиксаторов термометра.
4. Сварить два баллона, поставив их друг на друга.
5. Внутри получившейся конструкции нужно установить змеевик, а концы трубки выпустить через сделанные отверстия.
6. К сделанному баку нужно приделать дно и крышку: в дно баллона врезаем штуцер для сливного крана, а в крышку – для сброса воздуха.
7. Утеплить накопитель базальтовой ватой.
8. Обшить аккумулятор металлическим листом, закрепив его саморезами.

Такой теплоаккумулятор не оснащен циркуляционным насосом и подключается к котлу напрямую. Он стыкуется с котлом стальными трубами, диаметр которых 5 см.

Выводы

Изготавливать теплоаккумулятор своими руками довольно долгая и трудоемкая работа, но, если соблюдать все этапы сборки, то получится настоящий накопитель тепла, который пригодиться в вашей отопительной системе. Самое важное, что для изготовления теплоккумулятора понадобятся самые обычные материалы, такие как бочка или баллон, которые точно найдутся в гараже.

Видео: Теплоаккумулятор или буферная емкость

Теплоаккумулятор для отопления своими руками

На этой вкладке сайта мы попбробуем выбрать для дачи определенные компоненты системы. Сборка отопления дачи насчитывает определенные устройства. Монтаж обогрева включает котел отопления, расширительный бачок терморегуляторы, фиттинги, провода или трубы, механизм управления тепла, радиаторы, циркуляционные насосы, крепежную систему, автоматические развоздушиватели. Каждый узел роль. Исходя из этого подбор каждой части системы важно делать обдуманно.

Теплоаккумулятор для отопления своими руками

Для большинства любая отопительная система состоит из трех основных частей:

1. Радиаторов отопления
2. Трубных магистралей
3. Отопительного прибора или котла

Однако современные системы могут оснащаться множеством других полезных устройств, одним из которых является тепловой аккумулятор. С его помощью удается накапливать тот избыток энергии, который вырабатывается в котле и расходуется совершенно напрасно.

Большинство моделей представляют собой не что иное, как стальной бак. оснащенный несколькими нижними и верхними патрубками. К первым подключаются источники тепла, ко вторым – потребители. Внутри него располагается жидкость, которую можно использовать в желаемых целях. Изготовить теплоаккумулятор своими руками не составит труда – достаточно времени, рабочих материалов с инструментом и желания.

Вводное видео по установке

В основе принципа работы теплового аккумулятора лежит высокая теплоемкость воды. Описать его можно следующим образом:

• Трубопровод котла подключается к верхней части бака, в которую поступает горячая вода – максимально нагретый теплоноситель
• Внизу располагается циркулирующий насос, который выбирает холодную воду и пускает по системе отопления обратно в котел
• Очень быстро остывшая ранее жидкость сменяется вновь нагретой

Когда котел прекращает работать, вода в трубопроводных магистралях системы отопления начинает постепенно остывать. Циркулируя, она попадает в бак, в котором начинает выдавливать горячий теплоноситель в трубы. Таким образом, обогрев помещений будет продолжаться определенный временной промежуток.

Функции, которые выполняет теплоаккумулятор

Современные тепло накопительные устройства – сложные аппараты, которые выполняют не одну полезную функцию:

1. Способны обеспечивать дом горячим водоснабжением
2. Стабилизируют температурный режим в помещениях
3. Позволяют увеличить КПД систем отопления до максимально возможного, снижая денежные затраты на топливо
4. Способны объединять более одного источника тепла в общий контур и наоборот
5. Накапливают избыточную энергию, вырабатываемую котлом

Несмотря на все положительные функции, которые выполняет тепловой аккумулятор в системе отопления, он имеет два существенных недостатка:

• Ресурс воды напрямую зависит от вместимости установленного бака, тем не менее он остается ограниченным и имеет быстрое свойство заканчиваться. Будет не лишним дополнительная система подогрева из вне
• Из первого недостатка плавно появляется второй: более ресурсоемкие установки требуют большой свободной площади для их размещения, например, отдельного помещения в виде котельной

В дополнение советуем прочитать наше руководство по сборке солнечного коллектора своими руками

Самый простейший теплоаккумулятор своими руками можно изготовить, основываясь на принципе работы термоса – он за счет своих непроводящих тепло стенок не позволяет жидкости остывать на протяжении продолжительного временного периода.

Для работы необходимо подготовить:

• Бак желаемой емкости (от 150 л)
• Теплоизоляционный материал
• Скотч
• Тэны или медные трубки
• Бетонную плиту

Вначале очередь следует подумать над тем, что будет представлять собой непосредственно бак. Как правило, используют любую имеющуюся под руками металлическую бочку. Объем ее каждый определяет индивидуально, но брать емкость менее 150 л не имеет практического смысла.

Выбранную бочку необходимо привести в порядок. Ее следует почистить, удалить изнутри пыль и прочий мусор, обработать участки, на которых начала образовываться коррозия.

Затем готовится утеплитель, которым будет оборачиваться бочка. Он будет отвечать за то, чтоб тепло как можно дольше сохранялось внутри. Для самодельной конструкции прекрасно подойдет вата минеральная. Окутав с внешней стороны емкость, необходимо ее хорошенько обмотать скотчем. Дополнительно поверхность накрывают листовым металлом или окутывают фольгированной пленкой.

Для того, чтобы вода внутри подогревалась, необходимо выбрать один из вариантов:

1. Установка электрических тэнов
2. Установка змеевика, по которому будет пускаться теплоноситель

Первый вариант достаточно сложен и не безопасен, поэтому от него отказываются. Змеевик же можно соорудить самостоятельно из медной трубки диаметром 2-3 см и длиной около 8-15 м. Из нее сгибается спираль и помещается в внутрь.

В изготавливаемой модели тепловым аккумулятором является верхняя часть бочки – из нее необходимо пустить отводной патрубок. Снизу устанавливается еще один патрубок – вводной, через который будет поступать холодная вода. Следует их оснастить кранами.

Простое устройство готово к использованию, но перед этим предстоит решить вопрос, связанный с пожарной безопасностью. Располагать такую установку рекомендуется исключительно на бетонной плите, по возможности отгородив стенками.

Человек, который много раз сталкивался с устройством систем отопления, без труда должен изготовить тепловой аккумулятор своими руками и произвести дальнейшее подключение. Не должна составить особой сложности подобная работа и для новичка.

Словами схему подключения можно описать следующим образом:

1. Транзитом сквозь весь бак должен проходить по тепловому аккумулятору обратный трубопровод, на его концах должны быть предусмотрены полуторадюймовый вход и выход
2. Вначале между собой соединяются обратка котла и бак. Между ними должен размещаться циркуляционный насос, гонящий воду из бочки в отсекающий кран, расширительный бак и отопительный прибор
3. Циркуляционный насос и отсекающий кран также монтируют со второй стороны
4. Соединять подающий трубопровод необходимо по аналогии с предыдущим, однако теперь тепловые насосы не устанавливаются

Стоит отметить, что подобным образом подключается теплоаккумулятор к отопительной системе, работающей на базе всего одного котла. Если их количество увеличивается, схема значительно усложнится.

Емкость должна дополнительно оснащаться термометром, датчиками давления внутри и взрывным клапаном. Накапливая постоянно тепло, бочка может со временем перегреться. Чтобы не допустить взрыва, необходимо сбрасывать периодически избыточное давление.

Теплоаккумулятор и разные виды отопительных систем

Устанавливать тепловой аккумулятор можно совместно с различными отопительными системами. Взаимодействуя с каждой из них, он предоставляет ряд преимуществ и быстро окупается.

Наиболее распространены теплоаккумуляторы, установленные совместно отопительным оборудованием, работающем на твердом топливе, у которых количество остатков минимально. Доведя КПД до максимально-возможного, они очень быстро разогревают отопительные радиаторы, которые вскоре изнашиваются. Часть вырабатываемой энергии лучше копить и воспользоваться, когда в ней действительно возникнет потребность.

Двукратный ночной тариф за электроэнергию – проблема для владельцев электрических отопительных котлов. Таким образом в дневное время теплоаккумулятор будет накапливать в себе тепло по более выгодной стоимости, а в ночное – отдавать его отопительной системе.

Применяются подобные установки в многоконтурных системах, распределяя воду между контурами. Если установить патрубки на разных высотах, можно осуществить отбор воды с разной температурой.

Варианты модернизации

Глядя на простейший теплоаккумулятор своими руками, человек с инженерным образованием наверняка задумается о вариантах его модернизации. Сделать это можно следующими способами:

• Внизу устанавливают еще один теплообменник, посредством которого может происходить аккумуляция энергии, полученной солнечным коллектором
• Можно разделить внутреннее пространство бака на несколько секций, сообщающихся между собой, чтобы расслоение жидкости по температурам было более выраженным
• Тратиться на теплоизоляцию или нет – каждый решает сам для себя. Но несколько сантиметров пенополиуретана существенно снизят тепловые потери
• Увеличив количество патрубков, можно будет монтировать установку к более сложным отопительным системам с несколькими контурами, работающими независимо
• Можно сделать дополнительный теплообменник, в котором будет накапливаться питьевая вода

Видео — Тепловой аккумулятор в доме с периодической топкой

Подводим итоги

Собирать теплоаккумуляторы своими руками может абсолютно каждый. Для него нет необходимости покупать дорогостоящее оборудование, а самая простая модель состоит из комплектующих, которые у хорошего человека всегда в гараже или кладовой.

Все те, кто не доверяет самодельным устройствам, могут ознакомиться с богатым выбором моделей на рынках. Их стоимость более чем приемлемая, а вложенные средства быстро окупаются.

Источник: http://v-teplo.ru/teplovoi-akkymylyator-kak-sdelat.html

Теплоаккумулятор для отопления своими руками

Содержание

Начнем с главного, что может аккумулировать тепло? Да практически все: стены, потолок, пол, мебель, одежда и т. д. Весь вопрос насколько эффективно. Здесь действуют законы термодинамики, показывающие насколько каждое из физических тел может накапливать тепло. Аккумулируемое количество тепла определяется формулой:

W = m c (ϑ 2 – ϑ 1)

• W аккумулируемое тепло J
• m масса аккумулирующего вещества kg
• c удельная теплоемкость
• аккумулирующего вещества J / (kg K)
• ϑ 2 конечная температура нагрева C
• ϑ 1 начальная температура нагрева или
• конечная температура охлаждения C
• Удельная аккумулирующая способность равна, следовательно,

w = W / m = c (ϑ 2 –ϑ 1) .

Из приведенной формулы видно, что оптимально максимально повышать температуру вещества ϑ 2, увеличивая теплоемкость. Что мы можем реально применить в качестве накопителя тепла.

Сравним теплоемкость ( кДж/(м3*K)) популярных в строительстве материалов на основе равных объемов:

• Вода – 4187,
• Бетон – 2375,
• Кирпич – 1750,
• Магнетит – 3312,
• Мрамор – 2375.

Из приведенных показателей видно, что лидером по способности накапливать тепло является обыкновенная вода. К ее преимуществам следует отнести доступность, дешевизну, способность растворять и смешиваться с добавками, улучшающие теплофизические свойства. Есть материалы с более высоким показатели теплоемкости, например на основе сульфата натрия (глауберовая соль). Однако они стоит денег, эффективная работа не в нашем диапазоне температур 60-90С.

Итак, мы определились с материалом аккумуляции тепла – это вода.

Куда поместить воду для теплоотдачи? Здесь возможно два пути способа построения конструктива корпуса. Как наиболее эффективный вид корпуса для сохранения тепла – это шар. Как наиболее удобное размещение емкости – где найдем место. Совместить их вряд ли получится, нужно придерживаться главного принципа – форма емкости должна быть как можно ближе к шару, в крайнем случае, к кубу.

Где найти готовые, подобные формы. Лучше поискать в сфере общепита нержавеющие емкости, лучше с наружным кожухом для горячей воды или пара, нагревающим основную емкость. Это идеальный вариант, который попадается редко, но рассмотрим и его.

«Общепитовская» емкость лучше всего подходит для открытой системы отопления, при работе без повышения давления. Пространство между двумя стенками заполняем любым утеплителем – от монтажной пены до минеральной ваты. В комплекте такого котла есть крышка, которую легко утеплить. Здесь есть свои тонкости, обусловленные необходимостью периодического осмотра емкости. Крышку необходимо не только утеплить, но и периодически подымать. Нужно предусмотреть механизм подымания крышки с утеплителем, которая будет весить около 50кг.

Для самодельной емкости лучше выбрать форму куба, открывающей доступ к осмотру створчатой формой половиной верхней крышки. Для продления срока эксплуатации металлической емкости предохраняем ее от коррозии. Механически зачищаем металл от ржавчины, обрабатывает ортофосфорной кислотой, наносим 3-5 слоев грунтовки с просушиванием на солнце или в сушильной камере. Или наносим краски Хаммерайт или Зинг. Указанные мероприятия задержат окисление металла, но не исключат его.

Емкость из 4мм металла наполненная водой гарантированно прослужит 30 лет, но для желающих подстраховаться сообщим, что есть пластиковые емкости с рабочей максимальной температурой в 80С. Эти емкости одеты в металлический каркас, удерживающий форму при повышенной температуре. В сформированных местах удобно устанавливать врезки для подачи и обратки, устанавливать теплообменники.

Удобно использовать трубы большого диаметра, заглушенные с торцов металлом такой же толщины. Такие емкости удобно использовать в закрытых системах отопления с циркуляционным насосом, подразумевая работу с повышенным давлением. Толщина стенок таких труб- 6-10мм, позволяющих гарантировать работу в водной среде без антикоррозийного покрытия не менее 35 лет. Такая жесткая и прочная конструкция нашла неожиданное применение не только в качестве теплоаккумулятора, но и в качестве опорных конструкций, колонн – декоративных и функциональных.

Применение накопителей тепла в качестве конструктива здания широко не освещалось, требует более детального изучения. Не бойтесь применять нововведения – хуже не будет.

Теплоаккумуляторы можно устанавливать везде, где имеется место. Есть опыт установки в ванных комнатах после выхода с котла, служит не только теплоаккумулятором, но и обогревателем, исключая необходимость установки отопительных приборов. Можно установить в чердачном пространстве, утеплив потолок спальни.

Интересен опыт установки на входе в помещение с улицы, когда наружные грани утепляются пенопластом или минватой не менее 100мм, грани в сторону помещения с двух сторон от двери имеют меньший слой утеплителя, обогревая помещение. Достигается эффект тепловой завесы холодного воздуха с улицы.

В качестве соединяющего элемента используют клеящую смесь «церезит», можно нанести монтажной пеной равномерные точки на поверхность листа и прижать к емкости на 5 минут. Можно просто примотать пенопласт к емкости скотчем – эффект почти одинаков. Главное – пенопласт должен плотно прилегать к поверхности теплоаккумулятора, не образовывать щелей между листами утеплителя.

Устанавливать теплоемкости лучше по центу разбора тепла, как правило – по центру жилища. Большая емкость с теплом позволяет реализовать функцию гребенки, подключая через соответствующие термодатчики: теплые полы, подключение радиаторов, теплая вода для бытовых нужд.

Применение теплоаккумулятора в сочетании с твердотопливным котлом позволит значительно улучшить показатели качества отопления, снизить количество топок до 2-3шт в сутки. Лучше применять в качестве накопительной емкости трубы большого диаметра с толщиной стенок от 5мм.

При определении емкости теплоаккумулятора нужно исходить из максимальных расчетных показателей наполнения – 50л жидкости на 1 кВт мощности котла. Для экономии места и функционального использования конструктива емкости аккумулятор тепла можно использовать в качестве декоративных, опорных конструкций.

Насколько сложно устанавливать аккумуляторы тепла? Давайте рассмотрим на практическом примере, достойном повторения. При ремонте дома демонтировали старую печь, на ее место по дымоходу установили твердотопливный котел. В качестве теплоаккумулятора использовали стальную трубу диаметром 0,8м, заваренную с торцов.

Аккумулятор установили в непосредственной близости к котлу, используя его еще и как демпфер возможных скачков температуры. С тыльной стороны стен, снизу и сверху утеплили цилиндр минватой. С лицевой стороны на профили закрепили изразцы, получилась очень красивая печь – голландка. Никто не догадывается, что это просто бочка с горячей водой.

Источник: http://www.proterem.ru/avtonomnyj-dom/akkumuljator-tepla-tverdotoplivnogo-kotla.html

Так же интересуются

20 октября 2021 года

Как изготовить теплоаккумулятор для твердотопливного котла

Чтобы организовать систему отопления частного дома, следует учесть очень много нюансов, купить качественное отопительное оборудование, дополнительные комплектующие детали. Важную функцию выполняет теплоаккумулятор. Без него сложно себе представить качественную работу нагревательных приборов. Он отвечает за бесперебойное обеспечение дома теплом, даже в случаях, когда топливо в систему не поступает.

Если газовые котлы ещё могут функционировать без этого элемента, то работа твёрдотопливных приборов в случае отсутствия теплоаккумулятора вызывает много дискомфорта. Стабильная температура в доме на протяжении суток поддерживается, если систему отопления обслуживает котёл длительного горения, если же установлен обычный твёрдотопливный агрегат, добиться такого же результата можно при помощи теплоаккумулятора. Часто этот элемент называют накопителем или буферной ёмкостью.

Как комплектуется теплоаккумулятор к котлу

Если в процессе организации системы обогрева дома не предусматриваются расходы на теплоаккумулятор, можно приняться за его изготовление своими руками. Сделать это не так-то уж и сложно, просто следует запастись терпением и иметь представление о том, по какому принципу работают основные рабочие элементы системы.

Принцип работы

Без особых трудностей можно теплоаккумулятор для твердотопливного котла изготовить своими руками, если ознакомиться с механизмом его работы.

Итак, основная функция теплоаккумулятора — обеспечение подпитки системы обогрева теплой водой в то время, когда по каким-либо причинам в отопительном приборе не нагревается теплообменник. Если правильно его установить и эксплуатировать, можно добиться повышения в работе системы отопления, при этом электричество также можно экономить, если позволять накопителю разряжаться в наиболее подходящее время.

Основным недостатком теплоаккумулятора является его вес и габариты. Удобно, если для размещения отопительного оборудования отведена отдельная комната. В противном случае придётся пожертвовать полезной площадью в помещении, где предусматривается установка ёмкости.

Работа теплоаккумулятора для котла отопления

Принцип работы теплового аккумулятора предельно простой. Это большая ёмкость, где хранится горячая вода, которая при необходимости может выполнять функции теплоносителя.

Функции бака теплоаккумулятора

Бак теплоаккумулятора отличается более сложной конструкцией и принципом работы, но и функциональность его также расширена. Агрегат используется в таких целях:

• хранение горячей воды и отдача её в трубопровод в случае прекращения подачи топлива в нагревательный прибор;
• предотвращение перегревания отопительного оборудования;
• соединение в единую систему нескольких отопительных агрегатов;
• обеспечение максимального КПД;
• нормализация температуры во всех помещениях дома;
• горячее водоснабжение.

  Схема работы теплоаккумулятора для котла отопления

Как видим, функционал теплового аккумулятора для твёрдотопливного котла достаточно расширен. Для выполнения поставленных заданий используют ёмкости, баки, объёмом 350-3500 литров. Конечно, в кухне или ванной установить такое оборудование проблематично.

Бак отлично утепленный, внутри него имеются змеевики, которые и отвечают за нагревание и поддержание температуры воды.

Обратите внимание! Чтобы изготовить теплоаккумулятор своими руками для твердотопливного котла, понадобится большая бочка и нагревательные элементы.

Схема подключения теплового аккумулятора

Если человек знаком хотя бы поверхностно с тем, что такое отопительное оборудование, для чего предназначен тепловой аккумулятор и что он собою являет, проблем при монтаже не должно возникнуть. Проще всего купить готовый прибор, но следует учесть, что стоимость его не низкая. Само подключение выглядит следующим образом:

• накопительная ёмкость и обратный выход твердотопливного котла соединяются, между ними монтируется циркуляционный насос, обеспечивающие подачу горячей воды из системы отопления в тепловой аккумулятор;
• далее следует выполнить подключение трубопровода;

  Как правильно подключить теплоаккумулятор

• если предусматривается использование для организации системы отопления больше одного отопительного прибора, последовательно подключается каждый агрегат.

Тепловой аккумулятор нужно защитить от перегревания, иначе он может очень быстро выйти из строя без возможности устранения неполадки. Для регуляции температуры и предотвращения перегрева устанавливаются специальные клапаны, датчики.

Буферная емкость для твердотопливного котла своими руками является неплохой альтернативой дорогостоящему покупному оборудованию. Если вы решили-таки купить тепловой аккумулятор, при выборе модели обязательно учитывайте мощность твёрдотопливного котла отопления. На рынке представлены разные виды оборудования, принадлежащего к этой категории. Чтобы выбрать наиболее подходящий прибор, следует воспользоваться рекомендациями профессионалов.

Изготовление и подключение своими руками

Если в вашем распоряжении имеется сварочный аппарат, даже самый простой, можете смело приниматься за изготовление теплового аккумулятора своими руками. Особые знания на этапе подготовки материалов и в процессе выполнения монтажных работ не понадобятся. Буферная ёмкость представляет собой вместительную, качественно утеплённую бочку, в которой врезаны патрубки для подключения трубопровода и других рабочих деталей.

Бак, который будет выполнять функции теплового аккумулятора, должен быть полностью герметичный. Для его изготовления может использоваться либо труба большого диаметра, либо листовое железо. В изготовленном своими руками теплоаккумуляторе должны быть предусмотрены:

Как изготовить теплоаккумулятор своими руками чертеж

• патрубки для входа и выходы труб;
• взрывной клапан для предотвращения перегревания оборудования;
• термометр для осуществления контроля температуры теплоносителя.

Для эффективного функционирования бака следует обязательно позаботиться о его качественном утеплении. В домашних условиях для этой цели используется обычная монтажная пена. Когда выполнено утепление, можно подключать прибор к системе. Схема подключения выбирается накануне.

Тепловые аккумуляторы выполняют очень важные функции в работе отопительной системы частного дома. Они могут использоваться для повышения производительности твёрдотопливных агрегатов, солнечных коллекторов или электрических котлов. Правильный выбор отопительного оборудования и качественно выполненный монтаж являются залогом успешного, эффективного и долговечного функционирования системы отопления в вашем доме.

 

Вас могут заинтересовать:

ᐉ Водяной теплоаккумулятор. — Котлы, радиаторы, системы отопления, бойлеры

В продолжение темы www.stroimdom.com.ua/forum/showthread.php?t=12624&page=12 и на основе опыта AndrejKiev решил на этапе строительства цокольного полуподвала по ставить себе теплоаккумулятор.

Исходное таково, что бак будет стоять ниже ТТ котла. ПОэтому планирую бак сделать открытой системой. Нагрев воды в баке производить через медный змеевик (труба ф22). Длину расчитал исходя из следующего.

1. теплоемкость воды — 1,17 Вт*ч/кг С

2. обьем бака 1*0,95*2,85=2,7м. куб. Воды будет на 10% меньше — 2,44 м.куб

3. При разнице нагрева воды в баке 85-55 = 30 С

запас энергии — 1,17*2,44*30=85 кВт ч

4. Для снятия 20кВт ч энергии надо 2 м.кв площадь медного теплообменника (данные полученные эмпирическим путем, взяты с дружественного форума)

Следовательно для трубы ф22 длина — 2 м.кв/( 2*Пи*R)=2/(2*3,14*0,011)= 28 м.п.

5. Для ГВС требуется 1 м.кв (опять же эмпирические данные). Получаем — 14 м.п.

6. Для подогрева от Тт котла думаю надо навить 30-35 м.п. трубы.

 

Бак планируется сварить из стального листа 4мм. Расчитываться будет конструктором. Теплообменники сьема будут расположены в верхней части. Планирую подвесить спирали горизонтально. Спираль от ТТ котла расположить горизонтально по низу бака (положить на дно). Выходы медной трубки сделаю в самом верху так, чтою они не находились в воже.

В верху бака два соска. Один подача воды. Второй трубка расширения. Будет выведена вверх. Внизу бака сосок слива. Сток в дренажную систему.

Также в нижней части поставлю два ТЭНа для подогрева в ночное время на трехзонном счетчике.

Утеплять буду слой ЭППС 100мм (от стены), затем базальтовый мат 50мм.

 

Жду конструктивной критики.

Изменено 28 января, 2010 пользователем Olex

Накопление тепловой энергии: роль тепловой трубки в повышении производительности | Международный журнал низкоуглеродных технологий

Аннотация

Тепловые трубки и термосифоны — устройства с высокой эффективной теплопроводностью — в течение многих лет изучаются для улучшения характеристик твердотельных и жидких аккумуляторов тепла и материалов с фазовым переходом (PCM). Однако по мере расширения применения аккумулирования тепла от микроэлектронного терморегулирования до концентрированного накопления солнечного тепла и управления тепловым режимом транспортных средств, и даже для изотермизации химических реакторов, проблемы, с которыми приходится сталкиваться аккумулированию тепла, все больше смещаются с тех, которые связаны со « стандартным » дневным циклом. хранение, которое само по себе является проблемой для материалов с низкой теплопроводностью, поскольку время отклика измеряется в несколько часов или даже минут.В то время как металлы с высокой теплопроводностью, такие как пена, могут быть пропитаны ПКМ, например, для увеличения локальной проводимости, быстрое поступление и отвод тепла требует более радикального подхода — тепловых труб, возможно, с управлением обратной связью, с инновационными интерфейсами ПКМ. В этой статье рассматривается использование тепловых трубок в обычных и быстродействующих PCM-приложениях, а также в системах хранения жидкости или холода, а также вводятся некоторые новые концепции, которые могут преодолеть существующие ограничения.

1 ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время наиболее распространенные системы аккумулирования тепловой энергии (TES) включают твердое тело или жидкость в качестве «ядра» хранилища или используют материалы с фазовым переходом (PCM), причем последние обычно связаны с материалами, которые превращаются из жидкости в твердое тело. наоборот.Паровые аккумуляторы (системы с переходом от жидкой к паровой фазе) используются в некоторых отраслях промышленности для удовлетворения требований пиковой нагрузки, особенно потому, что котлы в настоящее время часто имеют меньшие размеры для удовлетворения пиковых нагрузок. Твердые накопители тепла широко используются в некоторых зданиях, а также популярны в качестве «компактных» накопительных радиаторов (или конвекторов) в некоторых бытовых системах отопления вместе с жидкостными конвекторами. Бак для хранения горячей воды для бытового потребления привлекает все большее внимание по мере роста популярности тепловых насосов и солнечных тепловых систем.

В то время как системы хранения тепла жидкость / пар не страдают от проблем с тепловой инерцией из-за плохой теплопередачи, одной из наиболее распространенных проблем, связанных с хранением жидкости / твердого тела с использованием PCM, является воспринимаемая низкая теплопроводность материала, особенно при плавлении. нужно инициировать. Также нередки случаи, когда твердые (однофазные) и некоторые жидкофазные хранилища нуждаются в помощи с отводом и добавлением тепла с использованием пассивных методов.

Тепловые трубки и термосифоны — устройства с высокой эффективной теплопроводностью, основанные на цикле испарения / конденсации — в течение многих лет изучались для улучшения характеристик твердотельных, жидких и накопителей тепла из ПКМ.Однако по мере того, как области применения аккумулирования тепла расширяются — от микроэлектронного теплового управления до концентрированного аккумулирования солнечного тепла и управления тепловым режимом транспортных средств, а также распространяются на такие области, как изотермализация химических реакторов, проблемы аккумулирования тепла все больше смещаются с тех, которые связаны с « стандартное суточное хранение, которое само по себе является проблемой для материалов с низкой теплопроводностью, из-за времени отклика, измеряемого в несколько часов или даже минут. В то время как металлы с высокой теплопроводностью, такие как пена, могут быть пропитаны ПКМ, например, для увеличения локальной проводимости, быстрое поступление и отвод тепла требует более радикального подхода — тепловых труб, возможно, с управлением обратной связью, с инновационными интерфейсами ПКМ.

На рисунке 1 термосифон слева работает только с помощью силы тяжести для возврата конденсата в испаритель, в то время как тепловая трубка (рисунок 1b) может использовать различные пассивные (а в некоторых случаях активные) методы для возврата жидкости обратно в испаритель. испаритель. Поэтому он может работать с некоторыми ограничениями в любой ориентации и в условиях невесомости. Наиболее распространенные формы фитиля, используемые для создания капиллярного действия для перемещения жидкости из конденсатора в испаритель, чувствительны к ориентации тепловой трубы и не работают так хорошо, если секция отвода тепла (конденсатор) расположена вертикально под испарителем.Другие варианты, такие как петлевые тепловые трубки и петли с капиллярной накачкой [1], могут преодолеть этот недостаток.

Рисунок 1.

Термосифон ( a ) и тепловая трубка ( b ).

Рисунок 1.

Термосифон ( a ) и тепловая трубка ( b ).

Рабочие температуры тепловых трубок определяются исключительно температурами источника / стока — они определяют диапазон рабочих температур тепловой трубки. Для работы при очень высоких температурах в качестве рабочего тела можно использовать жидкий металл (например,грамм. натрия при 800 ° C), в то время как вода в высшей степени приемлема при температуре пара в устройстве от ~ 40 ° C до 200 ° C. Для более низких температур идеально подходит аммиак. Жидкость должна быть химически совместимой с контейнером и стабильной. Желательным признаком является высокая скрытая теплота испарения.

Таким образом, выбор теплоносителя и рабочих жидкостей для тепловых труб имеет несколько общих черт!

2 ЧТО МОЖЕТ ПРЕДОСТАВИТЬ ТЕПЛОВАЯ ТРУБА СИСТЕМАМ ТЕРМИЧЕСКОГО ХРАНЕНИЯ?

В общем, приложения подразделяются на несколько широких групп, каждая из которых описывает свойство тепловой трубы.Наиболее важными для хранения являются:

• Разделение источника тепла и поглотителя

• Выравнивание температуры или изотермализация

• Контроль температуры

• Термодиоды и переключатели

2.1 Разделение источника и приемника

В контексте аккумулирования тепла — высокая эффективная теплопроводность тепловой трубы, например 1000 Вт / мК, позволяет передавать тепло с высокой эффективностью, при необходимости, на значительные расстояния.Например, отвод тепла от мощного устройства в модуле, содержащем другие чувствительные к температуре компоненты, может быть реализован за счет использования тепловой трубки для подключения компонента к удаленному радиатору, расположенному вне модуля. Теплоизоляция может минимизировать потери тепла из промежуточных секций тепловой трубы. В случае буферизации тепловыделения силовых полупроводников, PCM может быть расположен между испарителем с тепловой трубкой и конденсатором (рисунок 2).

Рисунок 2.

Разделение источника тепла и радиатора — в данном случае с промежуточным «буфером» аккумулирования тепла для терморегулирования электроники. Электроника находится слева, буфер для хранения в центре и радиатор справа [2]. Перепечатано из Weng et al . [2] с разрешения Elsevier.

Рисунок 2.

Разделение источника тепла и радиатора — в данном случае с промежуточным «буфером» аккумулирования тепла для терморегулирования электроники. Электроника находится слева, буфер для хранения в центре и радиатор справа [2].Перепечатано из Weng et al . [2] с разрешения Elsevier.

2.2 Температурное выравнивание

Второе свойство, перечисленное выше, выравнивание температуры, тесно связано с разделением источника и стока. Поскольку тепловая трубка по своей природе стремится к работе при постоянной температуре, ее можно использовать для уменьшения температурных градиентов между неравномерно нагретыми участками тела. Тепловые трубы, «погруженные» в химический реактор периодического действия, могут способствовать равномерной скорости реакции за счет отвода тепла от более экзотермических областей к менее активным частям реагентов и, конечно, представить себе PCM с низкой теплопроводностью — установка тепловых труб исключительно для изотермизации процесса плавления может имеют эффект, аналогичный показанному на рисунке 3.Это обсуждается в контексте PCM позже.

Рисунок 3.

Изотермизация: эти данные получены с космического спутника, но также применимы к хранению химических веществ и фазовых переходов. Перепечатано из Zhang et al . [3] с разрешения Elsevier.

Рис. 3.

Изотермализация: эти данные получены с космического спутника, но также применимы к хранению химических веществ и фазовых переходов. Перепечатано из Zhang et al .[3] с разрешения Elsevier.

2.3 Контроль температуры

Третью область применения, регулирование температуры, лучше всего выполнять с помощью тепловых трубок с переменной проводимостью (VCHP). Этот тип может использоваться для точного контроля температуры устройств, установленных на секции испарителя с тепловой трубкой. Это достигается за счет управления количеством тепла, отводимого от конденсатора тепловой трубы, путем высвобождения или блокировки внутренней поверхности. Базовая ВЧП показана на рисунке 4.Добавляя активное или пассивное управление с обратной связью, можно точно контролировать скорость отвода тепла. В то время как VCHP нашел свое первое серьезное применение в космических кораблях, теперь он получил широкое распространение во многих более обыденных применениях, начиная от контроля температуры в электронном оборудовании и заканчивая печами и печами.

Рисунок 4.

Базовая ВЧП. В контексте PCM его можно использовать для управления скоростью отвода тепла.

Рисунок 4.

Базовая ВЧП.В контексте PCM его можно использовать для управления скоростью отвода тепла.

2.4 Работа термодиода

Тепловой диод с тепловой трубкой (или термосифоном) имеет ряд специализированных применений, где передача тепла только в одном направлении является обязательным условием. Сохранение вечной мерзлоты — само по себе использование накопления энергии — является классическим примером, признанным в опорных столбах трансаляскинского нефтепровода, но шоссе Тибет – Цинхай — более свежий пример (рис. 5) [3].

Рисунок 5.

Сохранение вечной мерзлоты — в данном случае для предотвращения проседания дороги — будет приобретать все большее значение, поскольку глобальное потепление влияет на «стол» вечной мерзлоты. Перепечатано из Zhang et al. [3] с разрешения Elsevier.

Рисунок 5.

Сохранение вечной мерзлоты — в данном случае для предотвращения проседания дороги — будет приобретать все большее значение, поскольку глобальное потепление влияет на «стол» вечной мерзлоты. Перепечатано из Zhang et al. [3] с разрешения Elsevier.

В хранилище, показанном на Рисунке 6 [4], тепловые трубы (работающие здесь как термосифоны) зимой передают тепло земли в окружающую среду, что замораживает почву. При повышении температуры весной тепло не передается из окружающей среды на землю (термодиод), препятствуя таянию почвы.

Рисунок 6.

Тепловые трубки с тепловым диодом, используемые для поддержания холодильной камеры за счет предотвращения утечки из земли в теплое время года.

Рисунок 6.

Тепловые трубки с тепловым диодом, используемые для поддержания холодильной камеры за счет предотвращения утечки из земли в теплое время года.

Как и любое другое устройство, тепловая труба должна соответствовать ряду критериев, прежде чем она станет полностью приемлемой для использования в домах и на производстве. В контексте аккумулирования тепла аспекты, которые следует учитывать, включают химическую совместимость между стенкой тепловой трубы и накопительным материалом, метод зарядки / разрядки комбинации тепловой трубы / накопителя и ориентацию тепловой трубы — что интересно, в некоторых CSP (концентрированных солнечных батареях). мощность), тепловые трубки работают в разных направлениях, что подразумевает разные обязанности, о которых будет сказано ниже.Как показано на Рисунке 7, диапазон рабочих жидкостей с тепловыми трубками легко совпадает с вероятными температурами, встречающимися в TES.

• Надежный и безопасный с приемлемым сроком службы.

• Обеспечивает требуемую производительность.

• Экономично.

• Простота установки и снятия.

Рис. 7.

Число достоинств (рассчитанное при температуре кипения при атмосферном давлении) для ряда рабочих жидкостей с тепловыми трубками.

Рис. 7.

Число достоинств (рассчитанное при температуре кипения при атмосферном давлении) для ряда рабочих жидкостей с тепловыми трубками.

3 ТЕПЛОВЫЕ ТРУБЫ В СИСТЕМАХ ХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ

По своей природе многие системы аккумулирования энергии должны терять или получать как можно меньше тепла в периоды «неактивности», а также отводить или принимать тепло (или «охлаждение») с заданной скоростью, некоторые из которых могут быть довольно высокими, когда требуется для активного функционирования. Природа химикатов, используемых в некоторых носителях для хранения с фазовым переходом, в частности их низкая теплопроводность, дает тепловым трубам возможность повысить производительность, хотя необходимо позаботиться о том, чтобы «отключить» тепловую трубку, когда теплопередача не требуется.Одним из «накопителей» ощутимого тепла, который значительно выиграл от тепловых труб, является земля. Использование земли в качестве источника тепла или радиатора — хорошо известное пользователям тепловых насосов — для удаления льда с дорог с помощью тепловых труб и, как обсуждается ниже, в качестве явного радиатора для управления тепловым режимом подземных поездов. Пример использования на земле, приведенный на Рисунке 5, — это тот, где отключение тепловой трубы имеет важное значение при высоких температурах окружающей среды. Это было одно из первых применений тепловых трубок массового производства.

Тепловые трубки широко используются в различных системах хранения энергии.Они подходят для систем аккумулирования тепла, в частности, для передачи и отвода тепла из-за их высокой эффективной теплопроводности и пассивной работы. В качестве помощи для температурного расслоения в резервуарах для хранения горячей воды, для их включения в хранилища тепла или «холода» с использованием PCM, уникальные свойства тепловых труб могут позволить системам работать таким образом, который обычно невозможен с использованием обычных теплообменников. Аспект безопасности тепловых трубок из-за наличия двух стенок между испарителем и конденсатором также способствует их использованию для отвода тепла от хранилищ ядерного топлива и самих реакторов.

3.1 Зачем использовать тепловые трубы в системах накопления энергии

Ограничения некоторых систем аккумулирования тепла, будь то для аккумулирования тепла или «холода», как правило, сильно зависят от свойств используемого теплоносителя, таких как удельная или скрытая теплота, плотность и теплопроводность. На эту тему было написано множество отличных обзоров, например, Dincer and Rosen [5] и Zalba et al . [6]. Стоимость сильно зависит от выбора носителя для хранения данных, и, к сожалению, недорогие материалы, как правило, требуют наибольшего объема хранения на ватт-час сохраненного тепла.Материалы, которые претерпевают фазовый переход, выделяя скрытую теплоту — как в тепловой трубе, но в данном случае обычно переходят из твердого состояния в жидкое — как правило, имеют наименьшие объемы хранения, но, как правило, более дороги и могут потребовать специальных герметизирующих материалов. , из-за коррозии или токсичности. Это может быть ограничивающим фактором, например, в жилых зданиях.

Хотя тепло может накапливаться при любой температуре от чуть выше температуры окружающей среды до выше 1000 ° C, для хранения «холода» в системах кондиционирования воздуха — важная возможность экономии энергии, диапазон температур более скромен.Можно ожидать, что носитель данных будет работать в основном в диапазоне от -10 до + 25 ° C. Хотя использование тепловых трубок для хранения при криогенных температурах менее известно, нет причин, по которым нельзя использовать тепловые трубки, использующие, например, азот в качестве рабочей жидкости.

Основным недостатком многих потенциальных кандидатов для аккумулирования тепла является низкая теплопроводность, в какой бы фазе они ни находились. Это, конечно, можно преодолеть «возбуждением» среды накопления — псевдоожижением, перекачкой или другой формой активного усиления (возможно, микроволн ).Именно роль тепловых труб (и других «усовершенствованных» устройств теплопередачи, таких как компактные ребристые сборки) позволила практическому использованию систем аккумулирования тепла распространиться на области, где ограничения на внутреннюю проводимость снижали производительность в прошлом. Часто тепловая трубка имеет решающее значение для успешной работы агрегата как в режиме зарядки, так и в режиме разряда. В ряде приложений он дополнительно позволяет разрабатывать компактный модульный блок и помогает обеспечить отделение реактивных носителей информации от занятых пространств, что является важным фактором здоровья и безопасности — не только для ядерных складов!

Выгода, которую тепловая труба может дать простому накопителю, проиллюстрирована на примере ниже.Трехмерная (3D) модель была создана, как показано на рисунке 8. Медь была выбрана в качестве материала для контейнера и ребер. Вертикальное расположение выбрано таким образом, чтобы предотвратить любое изменение объема во время плавления для PCM, которое составляет ~ 15% V / V _s . Модель включает в себя множество интерфейсов связанных сеток для передачи тепла. Все другие неуказанные поверхности, такие как внешняя стенка контейнера, считаются адиабатическими. Размеры цилиндрического контейнера ПКМ: внутренний диаметр (ID) 100 мм и высота ( H ) 200 мм.Внутренние ребра погружены в PCM, тогда как внешние ребра подвергаются воздействию воздуха для охлаждения расплавленного PCM. Изучались два случая охлаждения: естественная конвекция и принудительная конвекция.

Рисунок 8.

Конфигурация контейнера из ПКМ (с использованием эритрита в качестве ПКМ) с ребрами для облегчения теплопередачи через сыпучий материал и из него. ( a ) Вид профиля, показывающий основные размеры, и ( b ) изометрический вид, показывающий конфигурации ребер. Примечание: внутренние плавники имеют такие же размеры, как и внешние.

Рисунок 8.

Конфигурация контейнера из ПКМ (с использованием эритрита в качестве ПКМ) с ребрами для облегчения теплопередачи через сыпучий материал и из него. ( a ) Вид профиля, показывающий основные размеры, и ( b ) изометрический вид, показывающий конфигурации ребер. Примечание: внутренние плавники имеют такие же размеры, как и внешние.

Была разработана другая конфигурация, использующая тепловую трубку (рис. 9). Диаметр 12,7 мм. тепловая трубка предназначена для транспортировки 100 Вт (номинальная) при 118 ° C, температуре плавления PCM, относительно низком значении мощности, просто для сравнения с конфигурацией без тепловых труб.Тепловая труба моделируется как сплошной медный стержень с теплопроводностью 6000 Вт / м · К, что соответствует примеру из литературы [5]. Для сравнения: медь имеет теплопроводность 384,7 Вт / м К.

Рис. 9.

Добавление тепловой трубы (работающей в режиме «термосифон») для улучшения теплопередачи вдоль ребристой секции вне контейнера ПКМ.

Рис. 9.

Добавление тепловой трубы (работающей в режиме «термосифон») для улучшения теплопередачи вдоль ребристой секции вне контейнера ПКМ.

На рисунке 10 показано затвердевание PCM с естественным и принудительным конвекционным охлаждением ребер над контейнером, с тепловой трубкой и без нее. Случаи естественной конвекции показывают посредственные результаты по сравнению со случаями принудительной конвекции для обеих конфигураций. Для естественной конвекции время полного затвердевания составляет 16,85 и 12,00 ч для конфигураций без тепловых трубок и тепловых трубок, соответственно. Для принудительной конвекции время полного затвердевания составляет 6,47 ч для нетепловой трубы и 2 часа.71 ч для конфигураций с тепловыми трубками соответственно. Следовательно, как при естественной, так и при принудительной конвекции встраивание тепловой трубки, которая является пассивным методом улучшения, является отличным способом достижения быстрого охлаждения PCM. Имейте в виду, что смоделированная тепловая трубка имеет низкое значение мощности при 100 Вт. Увеличение ее диаметра с нынешнего значения 12,7 мм (0,5 ″), например, 25,4 мм (1,0 ″) увеличит мощность тепловой трубки и, следовательно, может еще больше уменьшить время затвердевания. Кроме того, номинальные значения подводимого коэффициента теплопередачи: 10 и 100 Вт / м ² K для естественной и принудительной конвекции соответственно являются консервативными.

Рис. 10.

Скорость затвердевания PCM с тепловой трубкой и без нее.

Рис. 10.

Скорость затвердевания PCM с тепловой трубкой и без нее.

Преимущества встраивания тепловой трубы можно увидеть на Рисунке 11, где показаны случаи принудительной конвекции. Одно из его преимуществ — изотермизация. Снимок сделан с момента начала полного затвердевания. Можно видеть, что температурный градиент внутри PCM является наибольшим без тепловой трубы (A — раздел 2) по сравнению с конфигурацией тепловой трубы (B — раздел 4).Открытые внешние ребра также показывают разницу температурного градиента между двумя конфигурациями — Разделы 1 и 3. Температурный градиент возникает из-за конвективной теплопередачи внутри PCM, поэтому тепловая трубка способствует этому режиму теплопередачи, отводя тепло от горячего пятна в холодные точки более эффективно.

Рисунок 11.

Снимок температуры PCM и внешних ребер.

Рис. 11.

Снимок температуры PCM и внешних ребер.

Большая часть приложений PCM, в которых используются тепловые трубки, работают таким же образом.

Кроме того, носитель данных не обязательно должен быть PCM, чтобы получить выгоду от использования тепловых трубок и термосифонов — ранний пример использования твердого накопителя описан ниже.

4 ПРИМЕРЫ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ В ТЕРМИЧЕСКИХ МАГАЗИНАХ

4.1 Тепловые трубки в накопителях явного тепла

Одним из наиболее распространенных применений тепловых трубок, связанных с накоплением, является поглощение солнечной энергии и передача ее воде, статической или проточной.Солнечные коллекторы с тепловыми трубками производятся несколькими производителями. Эта концепция описана в одной из ранних форм Азадом и др. . [7]. Использование индивидуальных тепловых трубок, соединяющихся с накопителями воды, также упоминается Поласеком [8].

Работа над тепловыми трубками и их наземным применением в бывшем Советском Союзе (БСС) была, а в некоторых странах СНГ продолжает быть, возможно, более плодотворной, чем где-либо еще в мире. Одной из лабораторий, наиболее активно работающих в таких областях, является Институт тепло- и массообмена им. Луйкова в Минске, Беларусь.Много лет назад Васильев [9] и его команда (см., Например, Caruso и др. . [10]) исследовали характеристики накопителя тепла, в котором для передачи тепла в накопитель и из него использовались горизонтальные тепловые трубы. Магазин был заполнен сухим песком или галькой, которые использовались в домах и теплицах, часто располагались под зданием для улавливания солнечного тепла или тепла в теплом воздухе или теплой воде. Было обнаружено, что тепловые трубки являются эффективным способом передачи тепла как во время зарядки, так и во время разрядки. Средняя передача энергии по трубам составляла 200 Вт · ч / м, а резервуар размером 6 × 5 × 2 м имел 10 тепловых трубок длиной 6 м, расположенных на расстоянии 1 м друг от друга.Каждый интервал разряда давал ~ 100 Вт на трубу.

Вторая система, разработанная в Беларуси [9], проиллюстрированная на Рисунке 12, использовала электрические нагревательные элементы, использующие «внепиковое» электричество, для повышения температуры накопительных кирпичей внутри блока примерно до 500 ° C. Тепловые трубы с испарительными секциями в нижней половине блока и конденсаторами в центральной оребренной секции над ядром позволяли отвод тепла в течение 24–48 часов, с усилением, обеспечиваемым теплопередачей с помощью вентилятора. .На верхней диаграмме показаны «внутренние компоненты» — тепловые трубки, контроллер и ребристый радиатор.

Рисунок 12.

Кирпичный радиатор накопителя, разработанный Леонардом Васильевым и его коллегами из Минска. Перепечатано из Васильева [9] с разрешения Elsevier.

Рисунок 12.

Кирпичный радиатор накопителя, разработанный Леонардом Васильевым и его коллегами из Минска. Перепечатано из Васильева [9] с разрешения Elsevier.

4.1.1 Конструкции туннелей и земля как «поглотитель» или хранилище

Система лондонского метрополитена — «труба» — была спроектирована и в значительной степени построена в викторианскую эпоху. Во многих случаях туннели бывают глубокими и небольшими в диаметре, пассажиропоток увеличивается, а современные системы кондиционирования воздуха используются редко — фактически, подземное кондиционирование воздуха, конечно, может приводить к локальному притоку тепла в зависимости от расположения конденсатора. Транспортное управление города Нью-Йорка подсчитало, что при эксплуатации подземных железнодорожных систем может выделяться достаточно тепла, чтобы поднять температуру в туннеле и на станции на 8–11 К выше температуры окружающей среды.В Лондоне, где температура окружающей среды может достигать 30 ° C и более, в некоторых поездах зафиксирована температура выше 37 ° C, что затрудняет достижение комфорта пассажиров.

Лондонский университет Саут-Бэнк (LSBU) [11] определил тепловые трубы как один из вариантов отвода тепла из туннелей. Конструкция туннеля и окружающая земля имеют тенденцию оказывать сдерживающее влияние на температуру воздуха в подземных железных дорогах, принимая или отводя тепло, в зависимости от температуры воздуха в туннелях. Это называется «эффектом туннельного теплоотвода», и специалисты LSBU исследовали способы улучшения этого эффекта, включая использование тепловых трубок.

Тепловые трубки могут усилить эффект теплоотвода через туннель за счет изменения теплопроводности земли, окружающей туннель, аналогично влиянию на накопители явного тепла других типов. Было продемонстрировано, что если увеличить теплопроводность земли на порядок с 5 до 50 Вт / м · К, то температуру в туннеле и вагонах можно снизить на 12%. Данные показывают, что на 1 км потребуется 2500 единиц мощностью 130 Вт каждая. Исследовательская группа отметила, что установка и работа тепловых труб не должны влиять на целостность конструкции туннеля.

4.2 Тепловые трубки в накопителях с фазовым переходом (с использованием PCM)

Использование PCM, как однофазных носителей информации, сталкивается с проблемами, связанными с плохой теплопроводностью и уникальными профилями замораживания и плавления. Некоторые лаборатории использовали металлическую фольгу, такую ​​как изображенная на рисунке 13, пенопласт (см. Рисунок 14) и компактные конструкции теплообменника для улучшения теплопередачи в PCM. Логическим развитием является внедрение тепловых трубок в PCM по причинам, обсуждаемым в разделе 3.1.

Рис. 13.

Расширенная металлическая структура, исследованная на предмет повышения теплопроводности ПКМ [12].

Рис. 13.

Расширенная металлическая структура, исследованная на предмет повышения теплопроводности PCM [12].

Рис. 14.

Металлическая пена, которая используется для улучшения характеристик PCM.

Рис. 14.

Металлическая пена, которая используется для повышения производительности PCM.

Одно из первых исследований тепловых трубок в ПКМ было проведено в 1980-х годах, когда Ли и Ву [13] исследовали влияние на теплопередачу.Это исследование, проведенное в Университете Оттавы, было основано на парафиновом воске в качестве PCM (вариант воска — Sun P-116). Для отвода тепла использовался водяной термосифон.

4.2.1 Тепловая трубка в пассивной системе охлаждения для снижения нагрузки на систему кондиционирования воздуха

Система, основанная на использовании тепловых трубок для передачи тепла внутрь и из PCM (от и к окружающему воздуху, соответственно), была разработана в течение нескольких лет в Ноттингемском университете в Великобритании группой под руководством Дэвида Этериджа. .Это иллюстрирует базовое применение тепловых трубок для повышения теплопроводности PCM.

Работа этой системы, усовершенствованной совместно с поставщиками PCM и тепловых трубок, а также установщиком, сравнительно проста. Ночью холодный воздух используется для «замораживания» PCM, а в течение дня из комнатного воздуха отбирается тепло, которое «плавит» PCM. Этот цикл повторяется ежедневно. Важнейшим процессом является передача тепла между воздухом и PCM. Коэффициенты теплопередачи должны быть высокими, поскольку разница температур между воздухом и PCM невелика, обычно <6 ° C.

Как подчеркивалось выше, основная проблема заключается в достижении достаточной теплопередачи в (и из) ПКМ, потому что материал, по сути, ведет себя как твердое тело, а проводимость является, по крайней мере, для большей части цикла, основным механизмом передачи — как и большинство накопителей ощутимого тепла. Более того, прямой контакт между воздухом и PCM нежелателен из-за запахов и предполагаемой опасности для здоровья. Принятый подход заключался в использовании тепловой трубы для обеспечения косвенного, но эффективного пути теплопередачи между воздухом и PCM с принудительной конвекцией в воздушной зоне.Это позволяет поместить ПКМ в жесткий герметичный контейнер.

Таким образом, единый модуль представляет собой контейнер из ПКМ, в который заделана половина тепловой трубки [14]. Другая половина трубы подвергается воздействию воздуха. Обе половины трубы снабжены оребренными теплообменниками. Направление теплового потока меняется от дня к ночи, поэтому тепловая трубка рассчитана на реверсивный режим работы и устанавливается горизонтально.

Гидратированная глауберова соль была основным материалом, с бурой в качестве добавки для получения требуемого диапазона температур перехода (номинально 21–23 ° C).Скрытая теплоемкость 198 кДж / кг, плотность 1480 кг / м ³ . Объем модуля PCM составил 7,8 л, что соответствует емкости хранения скрытой теплоты 0,64 кВтч на модуль.

Модули устанавливаются в напольный блок, который подходит для установки как в новых, так и в существующих зданиях. В каждом блоке использовалось семь модулей, что давало скрытую холодопроизводительность 4,4 кВтч, например. 500 Вт охлаждения за 8 ч. В блоке также находится вентилятор. На рисунке 15 показана установка на одном из двух тестовых участков.Вентилятор установлен по центру и нагнетает воздух по тепловым трубкам. Ночью воздух втягивается через воздуховод, соединенный с оконной форточкой с электроприводом. В течение дня вентиляционное отверстие закрыто, и воздух забирается прямо из помещения через открытую заслонку (также с электроприводом).

Рисунок 15.

Комнатный холодильный агрегат PCM, установленный в Ноттингемском университете [14].

Рисунок 15.

Комнатный холодильный агрегат PCM, установленный в Ноттингемском университете [14].

В ходе полевых испытаний было обнаружено, что система способна поддерживать контроль над температурой в помещении и может быстро реагировать на изменения притока тепла. В частности, высокая теплоемкость PCM и эффективная теплопередача системы позволили контролировать температуру в помещении на постоянном уровне так же, как и в системе кондиционирования воздуха. Это было признано очень впечатляющим для того, что по сути является пассивной системой. При одном только принудительном ночном охлаждении температура в помещении продолжала бы расти, что привело бы к повышению максимальной температуры на 2 ° C или 3 ° C.При только естественном ночном охлаждении ткани комнаты подъем, безусловно, был бы еще выше.

4.2.2 Управление ПКМ через ВЧП: ТЭЦ

Как показано на Рисунке 4, VCHP можно использовать для управления скоростью отвода тепла от теплового накопителя. Хуанфу и др. . [15] в Шанхайском университете Цзяо Тонг впервые предложили VCHP в сочетании с когенерационной установкой для доставки тепла потребителям с использованием тепла, вырабатываемого двигателем внутреннего сгорания (Рисунок 16).Испаритель с тепловой трубкой получает тепло от двигателя, в то время как конденсатор имеет регулируемый объем с использованием переднего положения инертного газа для управления подачей тепла пользователям или градирне. Даже базовые ВТЭЦ в определенной степени саморегулируются, и по мере увеличения отпуска тепла потребители могут потреблять больше, а градирня может справиться с любым излишком. Если двигатель работает на значительно пониженной мощности, тепловая мощность существенно снижается из-за увеличения объема инертного газа.

Рисунок 16.

Концепция ВТЭЦ, используемая для управления тепловой мощностью от когенерационной установки [15]. Перепечатано из Huangfu et al . [15], с разрешения Elsevier.

Рисунок 16.

Концепция VCHP, используемая для управления тепловой мощностью от когенерационной установки [15]. Перепечатано из Huangfu et al . [15], с разрешения Elsevier.

В рамках проекта, предоставленного SES Ltd в Великобритании в рамках программы финансирования Совета по технологической стратегии, производная от вышеуказанного строится для блока комбинированного производства тепла и электроэнергии (mCHP).В этом блоке давление в VCHP может изменяться с помощью метода активного управления с обратной связью в ответ на потребность в отоплении дома, а компактный тепловой аккумулятор PCM охватывает испаритель, питаемый отходящим теплом двигателя. Изменения давления инертного газа используются для плавного и непрерывного регулирования площади поверхности теплообмена (и, следовательно, мощности) бытовой системы отопления, в то время как тепловой накопитель PCM используется для управления доступностью этого тепла в течение длительного периода времени. Хотя предложение ориентировано на применение мТЭЦ в бытовом масштабе, концепция в равной степени применима к более крупным коммерческим теплоэлектростанциям.Вклад Нортумбрийского университета заключается в разработке имитационной модели блока mCHP и VCHP и использовании этой модели для проектирования экспериментальной экспериментальной установки в масштабах страны. Пилотная установка будет построена в лаборатории низкоуглеродных систем Нортумбрии с использованием существующего модуля мТЭЦ цикла Стирлинга. Блок VCHP будет построен сотрудниками в соответствии со спецификацией размеров, разработанной с помощью имитационной модели. Нортумбрия проведет серию экспериментов с тепловыми потребностями, соответствующими типичным домашним отопительным нагрузкам — как зимой (отопление помещений и горячая вода), так и летом (только горячая вода).Намерение состоит в том, чтобы довести исследование только до стадии подтверждения концепции. Дальнейшее применение имитационной модели будет использоваться для проектирования вариантов системы для ряда типов домов с разной заполняемостью и потребностями в отоплении. Результаты будут представлены в качестве основы для возможного прототипирования и демонстрации в полевых условиях [16].

4.2.3 Изотермализация: изучение космических технологий

Изотермизация спутниковых структур была проиллюстрирована в разделе 2.На рисунке 17 сотовая структура (которая, конечно же, может быть пеной), образующая часть спутника, имеет четыре окружных тепловых трубки, встроенных в нее, чтобы минимизировать скачки температуры и любую возможную деформацию.

Рисунок 17.

Пористая сотовая структура с кольцевыми тепловыми трубками для изотермизации [17]. Перепечатано из Reay and Harvey [17]. Роль тепловых труб в интенсификации работы агрегата, стр. 147–153, 2013 г. с разрешения Elsevier.

Рисунок 17.

Пористая сотовая структура с кольцевыми тепловыми трубками для изотермизации [17]. Перепечатано из Reay and Harvey [17]. Роль тепловых труб в интенсификации работы агрегата, стр. 147–153, 2013 г. с разрешения Elsevier.

Это аналогично тому, что может произойти в химической реакции — примером могут служить системы аккумулирования тепла на основе гидридов металлов, в которых для управления зарядкой водорода, которая является экзотермической реакцией, требующей быстрого и идеально равномерного отвода тепла, могут быть преимущества тепловых труб [17]. .

4.2.4 PCM в псевдоожиженном или инкапсулированном виде

Все чаще ПКМ инкапсулируют в полимеры и другие материалы для увеличения мобильности и улучшения теплопередачи. Их можно перекачивать или флюидизировать, чтобы улучшить конвективную теплопередачу. Смеситель с тепловыми трубками, показанный на Рисунке 18. Первоначально разработанный для пищевой промышленности, где часто требуется охлаждение или нагрев вязких пищевых продуктов, устройство может смешивать капсулы из PCM, а также передавать тепло в них или из них. эффективно «перемешивать» капсулы внутри трубки, в то же время эффективно отводя тепло внешнему потоку жидкости (или, наоборот, добавляя тепло к PCM).

Рис. 18.

Герметичный смеситель / устройство теплопередачи из PCM на основе тепловых трубок.

Рис. 18.

Герметичный смеситель / устройство теплопередачи из PCM на основе тепловых трубок.

5 МОЖЕТ ЛИ ПОМОЩЬ ПРОИЗВОДСТВУ ДОБАВОК В ОПТИМИЗАЦИИ НОВЫХ КОНЦЕПЦИЙ?

Аддитивное производство (AM) (также известное как 3D-печать или быстрое прототипирование) — это метод сборки, который позволяет изготавливать компоненты из полимеров и металлов в формах, невозможных с помощью традиционных процессов литья или механической обработки.Теплообменник, показанный на рисунке 19, например, было бы невозможно отлить, и AM в этом случае позволила изготавливать компактный металлический теплообменник с улучшенными внутренними и внешними поверхностями.

Рис. 19.

Компактный теплообменник от Within Lab производства AM [18] был любезно предоставлен компанией Within Laboratories.

Рис. 19.

Компактный теплообменник от Within Lab производства AM [18] был любезно предоставлен компанией Within Laboratories.

Рисунок 20.

Процесс изготовления и результат изготовления тепловых трубок с использованием AM [19]. Перепечатано из Ameli et al . [19], с разрешения Elsevier.

Рисунок 20.

Процедура изготовления и результат изготовления тепловых трубок с использованием AM [19]. Перепечатано из Ameli et al . [19], с разрешения Elsevier.

Совсем недавно Thermacore, производитель тепловых трубок, совместно с университетами Ливерпуля и Нортумбрии в Великобритании успешно изготовили тепловые трубки из алюминия с использованием AM (рис. 20).

Предназначенные для использования в космических кораблях, эти легкие блоки уникальны тем, что стенка и фитиль — капиллярная структура, необходимая для переноса жидкости из конденсатора в испаритель — были собраны вместе с торцевой крышкой, что эффективно полностью объединяет их и сводит к минимуму тепловое сопротивление. Следовательно, можно встроить тепловые трубки в контейнер для хранения таким образом, чтобы улучшающая структура (например, пена) и система терморегулирования — тепловые трубки — имели идеальный тепловой контакт и были оптимизированы для желаемых характеристик цикла хранения.Таким образом можно было собрать такие элементы, как металлические радиаторы накопителей, а также конструкции для зарядки ПКМ.

5.1 Следующий шаг: 3D-печатный PCM

В исследовании, проведенном в Университете Хериот-Ватт, Эдинбург [20], изучается использование металлических ПКМ для улучшения характеристик химических реакторов Фишера-Тропша (F-T), которые используются для преобразования газа в жидкости на углеводородной основе. Компактные реакторы F – T подобны очень компактным теплообменникам. Можно было бы рассмотреть более эффективные реакторы F – T, собранные с использованием AM, но в то же время включающие в себя металлический PCM в оптимальных местах, которые можно было бы смоделировать ранее, чтобы получить идеальную кинетику реакции.

6 ВЫВОДЫ

TES приобретает все большее значение в целом ряде секторов — от промышленности до транспорта и дома. Основные характеристики тепловой трубки и термосифона — в основном связанные с их высокой эффективной теплопроводностью — могут улучшить характеристики накопителя тепла, что не всегда возможно с другими методами улучшения.

Новые методы производства, в частности AM, в конечном итоге могут позволить изготавливать некоторые материалы для хранения внутри оптимизированных поверхностей теплопередачи способом, который в настоящее время невозможен.

БЛАГОДАРНОСТИ

D.R. признателен Ахмаду Мустаффару из Университета Ньюкасла за подготовку сравнительного анализа теплопередачи от PCM с использованием только тепловой трубы и / или ребер, а также за данные по улучшению PCM.

ССЫЛКИ

1

.

Тепловые трубы: теория, конструкция и применение

, 6 изд.

Butterworh Heinemann

,

2014

,2

et al.

Тепловая трубка с PCM для электронного охлаждения

.

Appl Energy

2011

;

88

:

1825

—

33

,3

и др. . Численное исследование характеристик охлаждения двухфазной замкнутой термосифонной насыпи в районах вечной мерзлоты

.

Cold Reg Sci Technol

2011

;

65

:

203

—

10

,4

et al.

Разработка искусственного хранилища вечной мерзлоты с использованием тепловых труб, доклад № 89-HT-15, Национальная конференция по теплообмену ASME / AIChE

.

Филадельфия, Пенсильвания

,

1989

,5

.

Накопители тепловой энергии — системы и приложения

. 2-е изд.

John Wiley & Sons

,

2010

,6

et al.

Обзор накопления тепловой энергии с использованием материалов с фазовым переходом, анализа теплопередачи и приложений

.

Appl Therm Eng

2003

;

23

:

251

—

83

,7

.

Солнечный водонагреватель с гравитационной тепловой трубкой

.

Тепловая Реков Сист ТЭЦ

1987

;

7

:

343

—

50

,8

.

Исследования и разработки тепловых труб в странах Восточной Европы

.

Тепло Реков Сист ТЭЦ

1989

;

9

:

3

—

18

,9

.

Исследования и разработки тепловых труб в СССР

.

Тепло Реков Сист ТЭЦ

1989

;

9

:

313

—

33

.10

и др.

Мощность аккумулирования тепла с помощью тепловых трубок

.

Тепло Реков Сист ТЭЦ

1989

;

9

:

407

—

10

.12

.

Плавление материала с фазовым переходом при помощи просечно-вытяжной металлической сетки

.

Appl Therm Eng

()

2015

,13

.

Характеристики теплоотдачи затвердевания при наличии двухфазных замкнутых термосифонов в системах хранения скрытой тепловой энергии

. В:

Труды 6-й Международной конференции по тепловым трубам

.

25–29 мая

,

Гренобль

,

1987

.14

.

Новая система вентиляции и охлаждения для снижения кондиционирования воздуха в зданиях. Часть 1: тестирование и теоретическое моделирование

.

Appl Therm Eng

2000

;

20

:

1019

—

37

0,15

и др.

Разработка экспериментального образца интегрированного терморегулятора для когенерационных систем на базе двигателей внутреннего сгорания

.

Appl Energy

2007

;

84

:

1356

—

73

.16

Новая тепловая трубка с переменной проводимостью, соединенная с двигателем Стирлинга

. . () .17

.

Роль тепловых труб в интенсификации работы агрегата

.

Appl Therm Eng

2013

;

57

:

147

—

53

.18

Компания по производству аддитивов.

,19

и др.

Новый метод производства алюминиевых тепловых трубок (SAHP)

.

Appl Therm Eng

2013

;

52

:

498

—

504

,20

.

Стабилизация температуры в реакторах Фишера – Тропша с использованием материалов с фазовым переходом

. В:

Презентация на 22-м заседании Сети по интенсификации процессов

. . ().

© Автор, 2015. Опубликовано Oxford University Press.

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями некоммерческой лицензии Creative Commons Attribution (http: // creativecommons.org / licenses / by-nc / 4.0 /), который разрешает некоммерческое повторное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии правильного цитирования оригинальной работы. По вопросам коммерческого повторного использования обращайтесь по адресу [email protected]

.

Накопление тепловой энергии: роль тепловой трубки в повышении производительности | Международный журнал низкоуглеродных технологий

Аннотация

Тепловые трубки и термосифоны — устройства с высокой эффективной теплопроводностью — в течение многих лет изучаются для улучшения характеристик твердотельных и жидких аккумуляторов тепла и материалов с фазовым переходом (PCM).Однако по мере расширения применения аккумулирования тепла от микроэлектронного терморегулирования до концентрированного накопления солнечного тепла и управления тепловым режимом транспортных средств, и даже для изотермизации химических реакторов, проблемы, с которыми приходится сталкиваться аккумулированию тепла, все больше смещаются с тех, которые связаны со « стандартным » дневным циклом. хранение, которое само по себе является проблемой для материалов с низкой теплопроводностью, поскольку время отклика измеряется в несколько часов или даже минут. В то время как металлы с высокой теплопроводностью, такие как пена, могут быть пропитаны ПКМ, например, для увеличения локальной проводимости, быстрое поступление и отвод тепла требует более радикального подхода — тепловых труб, возможно, с управлением обратной связью, с инновационными интерфейсами ПКМ.В этой статье рассматривается использование тепловых трубок в обычных и быстродействующих PCM-приложениях, а также в системах хранения жидкости или холода, а также вводятся некоторые новые концепции, которые могут преодолеть существующие ограничения.

1 ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время наиболее распространенные системы аккумулирования тепловой энергии (TES) включают твердое тело или жидкость в качестве «ядра» хранилища или используют материалы с фазовым переходом (PCM), причем последние обычно связаны с материалами, которые превращаются из жидкости в твердое тело. наоборот.Паровые аккумуляторы (системы с переходом от жидкой к паровой фазе) используются в некоторых отраслях промышленности для удовлетворения требований пиковой нагрузки, особенно потому, что котлы в настоящее время часто имеют меньшие размеры для удовлетворения пиковых нагрузок. Твердые накопители тепла широко используются в некоторых зданиях, а также популярны в качестве «компактных» накопительных радиаторов (или конвекторов) в некоторых бытовых системах отопления вместе с жидкостными конвекторами. Бак для хранения горячей воды для бытового потребления привлекает все большее внимание по мере роста популярности тепловых насосов и солнечных тепловых систем.

В то время как системы хранения тепла жидкость / пар не страдают от проблем с тепловой инерцией из-за плохой теплопередачи, одной из наиболее распространенных проблем, связанных с хранением жидкости / твердого тела с использованием PCM, является воспринимаемая низкая теплопроводность материала, особенно при плавлении. нужно инициировать. Также нередки случаи, когда твердые (однофазные) и некоторые жидкофазные хранилища нуждаются в помощи с отводом и добавлением тепла с использованием пассивных методов.

Тепловые трубки и термосифоны — устройства с высокой эффективной теплопроводностью, основанные на цикле испарения / конденсации — в течение многих лет изучались для улучшения характеристик твердотельных, жидких и накопителей тепла из ПКМ.Однако по мере того, как области применения аккумулирования тепла расширяются — от микроэлектронного теплового управления до концентрированного аккумулирования солнечного тепла и управления тепловым режимом транспортных средств, а также распространяются на такие области, как изотермализация химических реакторов, проблемы аккумулирования тепла все больше смещаются с тех, которые связаны с « стандартное суточное хранение, которое само по себе является проблемой для материалов с низкой теплопроводностью, из-за времени отклика, измеряемого в несколько часов или даже минут. В то время как металлы с высокой теплопроводностью, такие как пена, могут быть пропитаны ПКМ, например, для увеличения локальной проводимости, быстрое поступление и отвод тепла требует более радикального подхода — тепловых труб, возможно, с управлением обратной связью, с инновационными интерфейсами ПКМ.

На рисунке 1 термосифон слева работает только с помощью силы тяжести для возврата конденсата в испаритель, в то время как тепловая трубка (рисунок 1b) может использовать различные пассивные (а в некоторых случаях активные) методы для возврата жидкости обратно в испаритель. испаритель. Поэтому он может работать с некоторыми ограничениями в любой ориентации и в условиях невесомости. Наиболее распространенные формы фитиля, используемые для создания капиллярного действия для перемещения жидкости из конденсатора в испаритель, чувствительны к ориентации тепловой трубы и не работают так хорошо, если секция отвода тепла (конденсатор) расположена вертикально под испарителем.Другие варианты, такие как петлевые тепловые трубки и петли с капиллярной накачкой [1], могут преодолеть этот недостаток.

Рисунок 1.

Термосифон ( a ) и тепловая трубка ( b ).

Рисунок 1.

Термосифон ( a ) и тепловая трубка ( b ).

Рабочие температуры тепловых трубок определяются исключительно температурами источника / стока — они определяют диапазон рабочих температур тепловой трубки. Для работы при очень высоких температурах в качестве рабочего тела можно использовать жидкий металл (например,грамм. натрия при 800 ° C), в то время как вода в высшей степени приемлема при температуре пара в устройстве от ~ 40 ° C до 200 ° C. Для более низких температур идеально подходит аммиак. Жидкость должна быть химически совместимой с контейнером и стабильной. Желательным признаком является высокая скрытая теплота испарения.

Таким образом, выбор теплоносителя и рабочих жидкостей для тепловых труб имеет несколько общих черт!

2 ЧТО МОЖЕТ ПРЕДОСТАВИТЬ ТЕПЛОВАЯ ТРУБА СИСТЕМАМ ТЕРМИЧЕСКОГО ХРАНЕНИЯ?

В общем, приложения подразделяются на несколько широких групп, каждая из которых описывает свойство тепловой трубы.Наиболее важными для хранения являются:

• Разделение источника тепла и поглотителя

• Выравнивание температуры или изотермализация

• Контроль температуры

• Термодиоды и переключатели

2.1 Разделение источника и приемника

В контексте аккумулирования тепла — высокая эффективная теплопроводность тепловой трубы, например 1000 Вт / мК, позволяет передавать тепло с высокой эффективностью, при необходимости, на значительные расстояния.Например, отвод тепла от мощного устройства в модуле, содержащем другие чувствительные к температуре компоненты, может быть реализован за счет использования тепловой трубки для подключения компонента к удаленному радиатору, расположенному вне модуля. Теплоизоляция может минимизировать потери тепла из промежуточных секций тепловой трубы. В случае буферизации тепловыделения силовых полупроводников, PCM может быть расположен между испарителем с тепловой трубкой и конденсатором (рисунок 2).

Рисунок 2.

Разделение источника тепла и радиатора — в данном случае с промежуточным «буфером» аккумулирования тепла для терморегулирования электроники. Электроника находится слева, буфер для хранения в центре и радиатор справа [2]. Перепечатано из Weng et al . [2] с разрешения Elsevier.

Рисунок 2.

Разделение источника тепла и радиатора — в данном случае с промежуточным «буфером» аккумулирования тепла для терморегулирования электроники. Электроника находится слева, буфер для хранения в центре и радиатор справа [2].Перепечатано из Weng et al . [2] с разрешения Elsevier.

2.2 Температурное выравнивание

Второе свойство, перечисленное выше, выравнивание температуры, тесно связано с разделением источника и стока. Поскольку тепловая трубка по своей природе стремится к работе при постоянной температуре, ее можно использовать для уменьшения температурных градиентов между неравномерно нагретыми участками тела. Тепловые трубы, «погруженные» в химический реактор периодического действия, могут способствовать равномерной скорости реакции за счет отвода тепла от более экзотермических областей к менее активным частям реагентов и, конечно, представить себе PCM с низкой теплопроводностью — установка тепловых труб исключительно для изотермизации процесса плавления может имеют эффект, аналогичный показанному на рисунке 3.Это обсуждается в контексте PCM позже.

Рисунок 3.

Изотермизация: эти данные получены с космического спутника, но также применимы к хранению химических веществ и фазовых переходов. Перепечатано из Zhang et al . [3] с разрешения Elsevier.

Рис. 3.

Изотермализация: эти данные получены с космического спутника, но также применимы к хранению химических веществ и фазовых переходов. Перепечатано из Zhang et al .[3] с разрешения Elsevier.

2.3 Контроль температуры

Третью область применения, регулирование температуры, лучше всего выполнять с помощью тепловых трубок с переменной проводимостью (VCHP). Этот тип может использоваться для точного контроля температуры устройств, установленных на секции испарителя с тепловой трубкой. Это достигается за счет управления количеством тепла, отводимого от конденсатора тепловой трубы, путем высвобождения или блокировки внутренней поверхности. Базовая ВЧП показана на рисунке 4.Добавляя активное или пассивное управление с обратной связью, можно точно контролировать скорость отвода тепла. В то время как VCHP нашел свое первое серьезное применение в космических кораблях, теперь он получил широкое распространение во многих более обыденных применениях, начиная от контроля температуры в электронном оборудовании и заканчивая печами и печами.

Рисунок 4.

Базовая ВЧП. В контексте PCM его можно использовать для управления скоростью отвода тепла.

Рисунок 4.

Базовая ВЧП.В контексте PCM его можно использовать для управления скоростью отвода тепла.

2.4 Работа термодиода

Тепловой диод с тепловой трубкой (или термосифоном) имеет ряд специализированных применений, где передача тепла только в одном направлении является обязательным условием. Сохранение вечной мерзлоты — само по себе использование накопления энергии — является классическим примером, признанным в опорных столбах трансаляскинского нефтепровода, но шоссе Тибет – Цинхай — более свежий пример (рис. 5) [3].

Рисунок 5.

Сохранение вечной мерзлоты — в данном случае для предотвращения проседания дороги — будет приобретать все большее значение, поскольку глобальное потепление влияет на «стол» вечной мерзлоты. Перепечатано из Zhang et al. [3] с разрешения Elsevier.

Рисунок 5.

Сохранение вечной мерзлоты — в данном случае для предотвращения проседания дороги — будет приобретать все большее значение, поскольку глобальное потепление влияет на «стол» вечной мерзлоты. Перепечатано из Zhang et al. [3] с разрешения Elsevier.

В хранилище, показанном на Рисунке 6 [4], тепловые трубы (работающие здесь как термосифоны) зимой передают тепло земли в окружающую среду, что замораживает почву. При повышении температуры весной тепло не передается из окружающей среды на землю (термодиод), препятствуя таянию почвы.

Рисунок 6.

Тепловые трубки с тепловым диодом, используемые для поддержания холодильной камеры за счет предотвращения утечки из земли в теплое время года.

Рисунок 6.

Тепловые трубки с тепловым диодом, используемые для поддержания холодильной камеры за счет предотвращения утечки из земли в теплое время года.

Как и любое другое устройство, тепловая труба должна соответствовать ряду критериев, прежде чем она станет полностью приемлемой для использования в домах и на производстве. В контексте аккумулирования тепла аспекты, которые следует учитывать, включают химическую совместимость между стенкой тепловой трубы и накопительным материалом, метод зарядки / разрядки комбинации тепловой трубы / накопителя и ориентацию тепловой трубы — что интересно, в некоторых CSP (концентрированных солнечных батареях). мощность), тепловые трубки работают в разных направлениях, что подразумевает разные обязанности, о которых будет сказано ниже.Как показано на Рисунке 7, диапазон рабочих жидкостей с тепловыми трубками легко совпадает с вероятными температурами, встречающимися в TES.

• Надежный и безопасный с приемлемым сроком службы.

• Обеспечивает требуемую производительность.

• Экономично.

• Простота установки и снятия.

Рис. 7.

Число достоинств (рассчитанное при температуре кипения при атмосферном давлении) для ряда рабочих жидкостей с тепловыми трубками.

Рис. 7.

Число достоинств (рассчитанное при температуре кипения при атмосферном давлении) для ряда рабочих жидкостей с тепловыми трубками.

3 ТЕПЛОВЫЕ ТРУБЫ В СИСТЕМАХ ХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ

По своей природе многие системы аккумулирования энергии должны терять или получать как можно меньше тепла в периоды «неактивности», а также отводить или принимать тепло (или «охлаждение») с заданной скоростью, некоторые из которых могут быть довольно высокими, когда требуется для активного функционирования. Природа химикатов, используемых в некоторых носителях для хранения с фазовым переходом, в частности их низкая теплопроводность, дает тепловым трубам возможность повысить производительность, хотя необходимо позаботиться о том, чтобы «отключить» тепловую трубку, когда теплопередача не требуется.Одним из «накопителей» ощутимого тепла, который значительно выиграл от тепловых труб, является земля. Использование земли в качестве источника тепла или радиатора — хорошо известное пользователям тепловых насосов — для удаления льда с дорог с помощью тепловых труб и, как обсуждается ниже, в качестве явного радиатора для управления тепловым режимом подземных поездов. Пример использования на земле, приведенный на Рисунке 5, — это тот, где отключение тепловой трубы имеет важное значение при высоких температурах окружающей среды. Это было одно из первых применений тепловых трубок массового производства.

Тепловые трубки широко используются в различных системах хранения энергии.Они подходят для систем аккумулирования тепла, в частности, для передачи и отвода тепла из-за их высокой эффективной теплопроводности и пассивной работы. В качестве помощи для температурного расслоения в резервуарах для хранения горячей воды, для их включения в хранилища тепла или «холода» с использованием PCM, уникальные свойства тепловых труб могут позволить системам работать таким образом, который обычно невозможен с использованием обычных теплообменников. Аспект безопасности тепловых трубок из-за наличия двух стенок между испарителем и конденсатором также способствует их использованию для отвода тепла от хранилищ ядерного топлива и самих реакторов.

3.1 Зачем использовать тепловые трубы в системах накопления энергии

Ограничения некоторых систем аккумулирования тепла, будь то для аккумулирования тепла или «холода», как правило, сильно зависят от свойств используемого теплоносителя, таких как удельная или скрытая теплота, плотность и теплопроводность. На эту тему было написано множество отличных обзоров, например, Dincer and Rosen [5] и Zalba et al . [6]. Стоимость сильно зависит от выбора носителя для хранения данных, и, к сожалению, недорогие материалы, как правило, требуют наибольшего объема хранения на ватт-час сохраненного тепла.Материалы, которые претерпевают фазовый переход, выделяя скрытую теплоту — как в тепловой трубе, но в данном случае обычно переходят из твердого состояния в жидкое — как правило, имеют наименьшие объемы хранения, но, как правило, более дороги и могут потребовать специальных герметизирующих материалов. , из-за коррозии или токсичности. Это может быть ограничивающим фактором, например, в жилых зданиях.

Хотя тепло может накапливаться при любой температуре от чуть выше температуры окружающей среды до выше 1000 ° C, для хранения «холода» в системах кондиционирования воздуха — важная возможность экономии энергии, диапазон температур более скромен.Можно ожидать, что носитель данных будет работать в основном в диапазоне от -10 до + 25 ° C. Хотя использование тепловых трубок для хранения при криогенных температурах менее известно, нет причин, по которым нельзя использовать тепловые трубки, использующие, например, азот в качестве рабочей жидкости.

Основным недостатком многих потенциальных кандидатов для аккумулирования тепла является низкая теплопроводность, в какой бы фазе они ни находились. Это, конечно, можно преодолеть «возбуждением» среды накопления — псевдоожижением, перекачкой или другой формой активного усиления (возможно, микроволн ).Именно роль тепловых труб (и других «усовершенствованных» устройств теплопередачи, таких как компактные ребристые сборки) позволила практическому использованию систем аккумулирования тепла распространиться на области, где ограничения на внутреннюю проводимость снижали производительность в прошлом. Часто тепловая трубка имеет решающее значение для успешной работы агрегата как в режиме зарядки, так и в режиме разряда. В ряде приложений он дополнительно позволяет разрабатывать компактный модульный блок и помогает обеспечить отделение реактивных носителей информации от занятых пространств, что является важным фактором здоровья и безопасности — не только для ядерных складов!

Выгода, которую тепловая труба может дать простому накопителю, проиллюстрирована на примере ниже.Трехмерная (3D) модель была создана, как показано на рисунке 8. Медь была выбрана в качестве материала для контейнера и ребер. Вертикальное расположение выбрано таким образом, чтобы предотвратить любое изменение объема во время плавления для PCM, которое составляет ~ 15% V / V _s . Модель включает в себя множество интерфейсов связанных сеток для передачи тепла. Все другие неуказанные поверхности, такие как внешняя стенка контейнера, считаются адиабатическими. Размеры цилиндрического контейнера ПКМ: внутренний диаметр (ID) 100 мм и высота ( H ) 200 мм.Внутренние ребра погружены в PCM, тогда как внешние ребра подвергаются воздействию воздуха для охлаждения расплавленного PCM. Изучались два случая охлаждения: естественная конвекция и принудительная конвекция.

Рисунок 8.

Конфигурация контейнера из ПКМ (с использованием эритрита в качестве ПКМ) с ребрами для облегчения теплопередачи через сыпучий материал и из него. ( a ) Вид профиля, показывающий основные размеры, и ( b ) изометрический вид, показывающий конфигурации ребер. Примечание: внутренние плавники имеют такие же размеры, как и внешние.

Рисунок 8.

Конфигурация контейнера из ПКМ (с использованием эритрита в качестве ПКМ) с ребрами для облегчения теплопередачи через сыпучий материал и из него. ( a ) Вид профиля, показывающий основные размеры, и ( b ) изометрический вид, показывающий конфигурации ребер. Примечание: внутренние плавники имеют такие же размеры, как и внешние.

Была разработана другая конфигурация, использующая тепловую трубку (рис. 9). Диаметр 12,7 мм. тепловая трубка предназначена для транспортировки 100 Вт (номинальная) при 118 ° C, температуре плавления PCM, относительно низком значении мощности, просто для сравнения с конфигурацией без тепловых труб.Тепловая труба моделируется как сплошной медный стержень с теплопроводностью 6000 Вт / м · К, что соответствует примеру из литературы [5]. Для сравнения: медь имеет теплопроводность 384,7 Вт / м К.

Рис. 9.

Добавление тепловой трубы (работающей в режиме «термосифон») для улучшения теплопередачи вдоль ребристой секции вне контейнера ПКМ.

Рис. 9.

Добавление тепловой трубы (работающей в режиме «термосифон») для улучшения теплопередачи вдоль ребристой секции вне контейнера ПКМ.

На рисунке 10 показано затвердевание PCM с естественным и принудительным конвекционным охлаждением ребер над контейнером, с тепловой трубкой и без нее. Случаи естественной конвекции показывают посредственные результаты по сравнению со случаями принудительной конвекции для обеих конфигураций. Для естественной конвекции время полного затвердевания составляет 16,85 и 12,00 ч для конфигураций без тепловых трубок и тепловых трубок, соответственно. Для принудительной конвекции время полного затвердевания составляет 6,47 ч для нетепловой трубы и 2 часа.71 ч для конфигураций с тепловыми трубками соответственно. Следовательно, как при естественной, так и при принудительной конвекции встраивание тепловой трубки, которая является пассивным методом улучшения, является отличным способом достижения быстрого охлаждения PCM. Имейте в виду, что смоделированная тепловая трубка имеет низкое значение мощности при 100 Вт. Увеличение ее диаметра с нынешнего значения 12,7 мм (0,5 ″), например, 25,4 мм (1,0 ″) увеличит мощность тепловой трубки и, следовательно, может еще больше уменьшить время затвердевания. Кроме того, номинальные значения подводимого коэффициента теплопередачи: 10 и 100 Вт / м ² K для естественной и принудительной конвекции соответственно являются консервативными.

Рис. 10.

Скорость затвердевания PCM с тепловой трубкой и без нее.

Рис. 10.

Скорость затвердевания PCM с тепловой трубкой и без нее.

Преимущества встраивания тепловой трубы можно увидеть на Рисунке 11, где показаны случаи принудительной конвекции. Одно из его преимуществ — изотермизация. Снимок сделан с момента начала полного затвердевания. Можно видеть, что температурный градиент внутри PCM является наибольшим без тепловой трубы (A — раздел 2) по сравнению с конфигурацией тепловой трубы (B — раздел 4).Открытые внешние ребра также показывают разницу температурного градиента между двумя конфигурациями — Разделы 1 и 3. Температурный градиент возникает из-за конвективной теплопередачи внутри PCM, поэтому тепловая трубка способствует этому режиму теплопередачи, отводя тепло от горячего пятна в холодные точки более эффективно.

Рисунок 11.

Снимок температуры PCM и внешних ребер.

Рис. 11.

Снимок температуры PCM и внешних ребер.

Большая часть приложений PCM, в которых используются тепловые трубки, работают таким же образом.

Кроме того, носитель данных не обязательно должен быть PCM, чтобы получить выгоду от использования тепловых трубок и термосифонов — ранний пример использования твердого накопителя описан ниже.

4 ПРИМЕРЫ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ В ТЕРМИЧЕСКИХ МАГАЗИНАХ

4.1 Тепловые трубки в накопителях явного тепла

Одним из наиболее распространенных применений тепловых трубок, связанных с накоплением, является поглощение солнечной энергии и передача ее воде, статической или проточной.Солнечные коллекторы с тепловыми трубками производятся несколькими производителями. Эта концепция описана в одной из ранних форм Азадом и др. . [7]. Использование индивидуальных тепловых трубок, соединяющихся с накопителями воды, также упоминается Поласеком [8].

Работа над тепловыми трубками и их наземным применением в бывшем Советском Союзе (БСС) была, а в некоторых странах СНГ продолжает быть, возможно, более плодотворной, чем где-либо еще в мире. Одной из лабораторий, наиболее активно работающих в таких областях, является Институт тепло- и массообмена им. Луйкова в Минске, Беларусь.Много лет назад Васильев [9] и его команда (см., Например, Caruso и др. . [10]) исследовали характеристики накопителя тепла, в котором для передачи тепла в накопитель и из него использовались горизонтальные тепловые трубы. Магазин был заполнен сухим песком или галькой, которые использовались в домах и теплицах, часто располагались под зданием для улавливания солнечного тепла или тепла в теплом воздухе или теплой воде. Было обнаружено, что тепловые трубки являются эффективным способом передачи тепла как во время зарядки, так и во время разрядки. Средняя передача энергии по трубам составляла 200 Вт · ч / м, а резервуар размером 6 × 5 × 2 м имел 10 тепловых трубок длиной 6 м, расположенных на расстоянии 1 м друг от друга.Каждый интервал разряда давал ~ 100 Вт на трубу.

Вторая система, разработанная в Беларуси [9], проиллюстрированная на Рисунке 12, использовала электрические нагревательные элементы, использующие «внепиковое» электричество, для повышения температуры накопительных кирпичей внутри блока примерно до 500 ° C. Тепловые трубы с испарительными секциями в нижней половине блока и конденсаторами в центральной оребренной секции над ядром позволяли отвод тепла в течение 24–48 часов, с усилением, обеспечиваемым теплопередачей с помощью вентилятора. .На верхней диаграмме показаны «внутренние компоненты» — тепловые трубки, контроллер и ребристый радиатор.

Рисунок 12.

Кирпичный радиатор накопителя, разработанный Леонардом Васильевым и его коллегами из Минска. Перепечатано из Васильева [9] с разрешения Elsevier.

Рисунок 12.

Кирпичный радиатор накопителя, разработанный Леонардом Васильевым и его коллегами из Минска. Перепечатано из Васильева [9] с разрешения Elsevier.

4.1.1 Конструкции туннелей и земля как «поглотитель» или хранилище

Система лондонского метрополитена — «труба» — была спроектирована и в значительной степени построена в викторианскую эпоху. Во многих случаях туннели бывают глубокими и небольшими в диаметре, пассажиропоток увеличивается, а современные системы кондиционирования воздуха используются редко — фактически, подземное кондиционирование воздуха, конечно, может приводить к локальному притоку тепла в зависимости от расположения конденсатора. Транспортное управление города Нью-Йорка подсчитало, что при эксплуатации подземных железнодорожных систем может выделяться достаточно тепла, чтобы поднять температуру в туннеле и на станции на 8–11 К выше температуры окружающей среды.В Лондоне, где температура окружающей среды может достигать 30 ° C и более, в некоторых поездах зафиксирована температура выше 37 ° C, что затрудняет достижение комфорта пассажиров.

Лондонский университет Саут-Бэнк (LSBU) [11] определил тепловые трубы как один из вариантов отвода тепла из туннелей. Конструкция туннеля и окружающая земля имеют тенденцию оказывать сдерживающее влияние на температуру воздуха в подземных железных дорогах, принимая или отводя тепло, в зависимости от температуры воздуха в туннелях. Это называется «эффектом туннельного теплоотвода», и специалисты LSBU исследовали способы улучшения этого эффекта, включая использование тепловых трубок.

Тепловые трубки могут усилить эффект теплоотвода через туннель за счет изменения теплопроводности земли, окружающей туннель, аналогично влиянию на накопители явного тепла других типов. Было продемонстрировано, что если увеличить теплопроводность земли на порядок с 5 до 50 Вт / м · К, то температуру в туннеле и вагонах можно снизить на 12%. Данные показывают, что на 1 км потребуется 2500 единиц мощностью 130 Вт каждая. Исследовательская группа отметила, что установка и работа тепловых труб не должны влиять на целостность конструкции туннеля.

4.2 Тепловые трубки в накопителях с фазовым переходом (с использованием PCM)

Использование PCM, как однофазных носителей информации, сталкивается с проблемами, связанными с плохой теплопроводностью и уникальными профилями замораживания и плавления. Некоторые лаборатории использовали металлическую фольгу, такую ​​как изображенная на рисунке 13, пенопласт (см. Рисунок 14) и компактные конструкции теплообменника для улучшения теплопередачи в PCM. Логическим развитием является внедрение тепловых трубок в PCM по причинам, обсуждаемым в разделе 3.1.

Рис. 13.

Расширенная металлическая структура, исследованная на предмет повышения теплопроводности ПКМ [12].

Рис. 13.

Расширенная металлическая структура, исследованная на предмет повышения теплопроводности PCM [12].

Рис. 14.

Металлическая пена, которая используется для улучшения характеристик PCM.

Рис. 14.

Металлическая пена, которая используется для повышения производительности PCM.

Одно из первых исследований тепловых трубок в ПКМ было проведено в 1980-х годах, когда Ли и Ву [13] исследовали влияние на теплопередачу.Это исследование, проведенное в Университете Оттавы, было основано на парафиновом воске в качестве PCM (вариант воска — Sun P-116). Для отвода тепла использовался водяной термосифон.

4.2.1 Тепловая трубка в пассивной системе охлаждения для снижения нагрузки на систему кондиционирования воздуха

Система, основанная на использовании тепловых трубок для передачи тепла внутрь и из PCM (от и к окружающему воздуху, соответственно), была разработана в течение нескольких лет в Ноттингемском университете в Великобритании группой под руководством Дэвида Этериджа. .Это иллюстрирует базовое применение тепловых трубок для повышения теплопроводности PCM.

Работа этой системы, усовершенствованной совместно с поставщиками PCM и тепловых трубок, а также установщиком, сравнительно проста. Ночью холодный воздух используется для «замораживания» PCM, а в течение дня из комнатного воздуха отбирается тепло, которое «плавит» PCM. Этот цикл повторяется ежедневно. Важнейшим процессом является передача тепла между воздухом и PCM. Коэффициенты теплопередачи должны быть высокими, поскольку разница температур между воздухом и PCM невелика, обычно <6 ° C.

Как подчеркивалось выше, основная проблема заключается в достижении достаточной теплопередачи в (и из) ПКМ, потому что материал, по сути, ведет себя как твердое тело, а проводимость является, по крайней мере, для большей части цикла, основным механизмом передачи — как и большинство накопителей ощутимого тепла. Более того, прямой контакт между воздухом и PCM нежелателен из-за запахов и предполагаемой опасности для здоровья. Принятый подход заключался в использовании тепловой трубы для обеспечения косвенного, но эффективного пути теплопередачи между воздухом и PCM с принудительной конвекцией в воздушной зоне.Это позволяет поместить ПКМ в жесткий герметичный контейнер.

Таким образом, единый модуль представляет собой контейнер из ПКМ, в который заделана половина тепловой трубки [14]. Другая половина трубы подвергается воздействию воздуха. Обе половины трубы снабжены оребренными теплообменниками. Направление теплового потока меняется от дня к ночи, поэтому тепловая трубка рассчитана на реверсивный режим работы и устанавливается горизонтально.

Гидратированная глауберова соль была основным материалом, с бурой в качестве добавки для получения требуемого диапазона температур перехода (номинально 21–23 ° C).Скрытая теплоемкость 198 кДж / кг, плотность 1480 кг / м ³ . Объем модуля PCM составил 7,8 л, что соответствует емкости хранения скрытой теплоты 0,64 кВтч на модуль.

Модули устанавливаются в напольный блок, который подходит для установки как в новых, так и в существующих зданиях. В каждом блоке использовалось семь модулей, что давало скрытую холодопроизводительность 4,4 кВтч, например. 500 Вт охлаждения за 8 ч. В блоке также находится вентилятор. На рисунке 15 показана установка на одном из двух тестовых участков.Вентилятор установлен по центру и нагнетает воздух по тепловым трубкам. Ночью воздух втягивается через воздуховод, соединенный с оконной форточкой с электроприводом. В течение дня вентиляционное отверстие закрыто, и воздух забирается прямо из помещения через открытую заслонку (также с электроприводом).

Рисунок 15.

Комнатный холодильный агрегат PCM, установленный в Ноттингемском университете [14].

Рисунок 15.

Комнатный холодильный агрегат PCM, установленный в Ноттингемском университете [14].

В ходе полевых испытаний было обнаружено, что система способна поддерживать контроль над температурой в помещении и может быстро реагировать на изменения притока тепла. В частности, высокая теплоемкость PCM и эффективная теплопередача системы позволили контролировать температуру в помещении на постоянном уровне так же, как и в системе кондиционирования воздуха. Это было признано очень впечатляющим для того, что по сути является пассивной системой. При одном только принудительном ночном охлаждении температура в помещении продолжала бы расти, что привело бы к повышению максимальной температуры на 2 ° C или 3 ° C.При только естественном ночном охлаждении ткани комнаты подъем, безусловно, был бы еще выше.

4.2.2 Управление ПКМ через ВЧП: ТЭЦ

Как показано на Рисунке 4, VCHP можно использовать для управления скоростью отвода тепла от теплового накопителя. Хуанфу и др. . [15] в Шанхайском университете Цзяо Тонг впервые предложили VCHP в сочетании с когенерационной установкой для доставки тепла потребителям с использованием тепла, вырабатываемого двигателем внутреннего сгорания (Рисунок 16).Испаритель с тепловой трубкой получает тепло от двигателя, в то время как конденсатор имеет регулируемый объем с использованием переднего положения инертного газа для управления подачей тепла пользователям или градирне. Даже базовые ВТЭЦ в определенной степени саморегулируются, и по мере увеличения отпуска тепла потребители могут потреблять больше, а градирня может справиться с любым излишком. Если двигатель работает на значительно пониженной мощности, тепловая мощность существенно снижается из-за увеличения объема инертного газа.

Рисунок 16.

Концепция ВТЭЦ, используемая для управления тепловой мощностью от когенерационной установки [15]. Перепечатано из Huangfu et al . [15], с разрешения Elsevier.

Рисунок 16.

Концепция VCHP, используемая для управления тепловой мощностью от когенерационной установки [15]. Перепечатано из Huangfu et al . [15], с разрешения Elsevier.

В рамках проекта, предоставленного SES Ltd в Великобритании в рамках программы финансирования Совета по технологической стратегии, производная от вышеуказанного строится для блока комбинированного производства тепла и электроэнергии (mCHP).В этом блоке давление в VCHP может изменяться с помощью метода активного управления с обратной связью в ответ на потребность в отоплении дома, а компактный тепловой аккумулятор PCM охватывает испаритель, питаемый отходящим теплом двигателя. Изменения давления инертного газа используются для плавного и непрерывного регулирования площади поверхности теплообмена (и, следовательно, мощности) бытовой системы отопления, в то время как тепловой накопитель PCM используется для управления доступностью этого тепла в течение длительного периода времени. Хотя предложение ориентировано на применение мТЭЦ в бытовом масштабе, концепция в равной степени применима к более крупным коммерческим теплоэлектростанциям.Вклад Нортумбрийского университета заключается в разработке имитационной модели блока mCHP и VCHP и использовании этой модели для проектирования экспериментальной экспериментальной установки в масштабах страны. Пилотная установка будет построена в лаборатории низкоуглеродных систем Нортумбрии с использованием существующего модуля мТЭЦ цикла Стирлинга. Блок VCHP будет построен сотрудниками в соответствии со спецификацией размеров, разработанной с помощью имитационной модели. Нортумбрия проведет серию экспериментов с тепловыми потребностями, соответствующими типичным домашним отопительным нагрузкам — как зимой (отопление помещений и горячая вода), так и летом (только горячая вода).Намерение состоит в том, чтобы довести исследование только до стадии подтверждения концепции. Дальнейшее применение имитационной модели будет использоваться для проектирования вариантов системы для ряда типов домов с разной заполняемостью и потребностями в отоплении. Результаты будут представлены в качестве основы для возможного прототипирования и демонстрации в полевых условиях [16].

4.2.3 Изотермализация: изучение космических технологий

Изотермизация спутниковых структур была проиллюстрирована в разделе 2.На рисунке 17 сотовая структура (которая, конечно же, может быть пеной), образующая часть спутника, имеет четыре окружных тепловых трубки, встроенных в нее, чтобы минимизировать скачки температуры и любую возможную деформацию.

Рисунок 17.

Пористая сотовая структура с кольцевыми тепловыми трубками для изотермизации [17]. Перепечатано из Reay and Harvey [17]. Роль тепловых труб в интенсификации работы агрегата, стр. 147–153, 2013 г. с разрешения Elsevier.

Рисунок 17.

Пористая сотовая структура с кольцевыми тепловыми трубками для изотермизации [17]. Перепечатано из Reay and Harvey [17]. Роль тепловых труб в интенсификации работы агрегата, стр. 147–153, 2013 г. с разрешения Elsevier.

Это аналогично тому, что может произойти в химической реакции — примером могут служить системы аккумулирования тепла на основе гидридов металлов, в которых для управления зарядкой водорода, которая является экзотермической реакцией, требующей быстрого и идеально равномерного отвода тепла, могут быть преимущества тепловых труб [17]. .

4.2.4 PCM в псевдоожиженном или инкапсулированном виде

Все чаще ПКМ инкапсулируют в полимеры и другие материалы для увеличения мобильности и улучшения теплопередачи. Их можно перекачивать или флюидизировать, чтобы улучшить конвективную теплопередачу. Смеситель с тепловыми трубками, показанный на Рисунке 18. Первоначально разработанный для пищевой промышленности, где часто требуется охлаждение или нагрев вязких пищевых продуктов, устройство может смешивать капсулы из PCM, а также передавать тепло в них или из них. эффективно «перемешивать» капсулы внутри трубки, в то же время эффективно отводя тепло внешнему потоку жидкости (или, наоборот, добавляя тепло к PCM).

Рис. 18.

Герметичный смеситель / устройство теплопередачи из PCM на основе тепловых трубок.

Рис. 18.

Герметичный смеситель / устройство теплопередачи из PCM на основе тепловых трубок.

5 МОЖЕТ ЛИ ПОМОЩЬ ПРОИЗВОДСТВУ ДОБАВОК В ОПТИМИЗАЦИИ НОВЫХ КОНЦЕПЦИЙ?

Аддитивное производство (AM) (также известное как 3D-печать или быстрое прототипирование) — это метод сборки, который позволяет изготавливать компоненты из полимеров и металлов в формах, невозможных с помощью традиционных процессов литья или механической обработки.Теплообменник, показанный на рисунке 19, например, было бы невозможно отлить, и AM в этом случае позволила изготавливать компактный металлический теплообменник с улучшенными внутренними и внешними поверхностями.

Рис. 19.

Компактный теплообменник от Within Lab производства AM [18] был любезно предоставлен компанией Within Laboratories.

Рис. 19.

Компактный теплообменник от Within Lab производства AM [18] был любезно предоставлен компанией Within Laboratories.

Рисунок 20.

Процесс изготовления и результат изготовления тепловых трубок с использованием AM [19]. Перепечатано из Ameli et al . [19], с разрешения Elsevier.

Рисунок 20.

Процедура изготовления и результат изготовления тепловых трубок с использованием AM [19]. Перепечатано из Ameli et al . [19], с разрешения Elsevier.

Совсем недавно Thermacore, производитель тепловых трубок, совместно с университетами Ливерпуля и Нортумбрии в Великобритании успешно изготовили тепловые трубки из алюминия с использованием AM (рис. 20).

Предназначенные для использования в космических кораблях, эти легкие блоки уникальны тем, что стенка и фитиль — капиллярная структура, необходимая для переноса жидкости из конденсатора в испаритель — были собраны вместе с торцевой крышкой, что эффективно полностью объединяет их и сводит к минимуму тепловое сопротивление. Следовательно, можно встроить тепловые трубки в контейнер для хранения таким образом, чтобы улучшающая структура (например, пена) и система терморегулирования — тепловые трубки — имели идеальный тепловой контакт и были оптимизированы для желаемых характеристик цикла хранения.Таким образом можно было собрать такие элементы, как металлические радиаторы накопителей, а также конструкции для зарядки ПКМ.

5.1 Следующий шаг: 3D-печатный PCM

В исследовании, проведенном в Университете Хериот-Ватт, Эдинбург [20], изучается использование металлических ПКМ для улучшения характеристик химических реакторов Фишера-Тропша (F-T), которые используются для преобразования газа в жидкости на углеводородной основе. Компактные реакторы F – T подобны очень компактным теплообменникам. Можно было бы рассмотреть более эффективные реакторы F – T, собранные с использованием AM, но в то же время включающие в себя металлический PCM в оптимальных местах, которые можно было бы смоделировать ранее, чтобы получить идеальную кинетику реакции.

6 ВЫВОДЫ

TES приобретает все большее значение в целом ряде секторов — от промышленности до транспорта и дома. Основные характеристики тепловой трубки и термосифона — в основном связанные с их высокой эффективной теплопроводностью — могут улучшить характеристики накопителя тепла, что не всегда возможно с другими методами улучшения.

Новые методы производства, в частности AM, в конечном итоге могут позволить изготавливать некоторые материалы для хранения внутри оптимизированных поверхностей теплопередачи способом, который в настоящее время невозможен.

БЛАГОДАРНОСТИ

D.R. признателен Ахмаду Мустаффару из Университета Ньюкасла за подготовку сравнительного анализа теплопередачи от PCM с использованием только тепловой трубы и / или ребер, а также за данные по улучшению PCM.

ССЫЛКИ

1

.

Тепловые трубы: теория, конструкция и применение

, 6 изд.

Butterworh Heinemann

,

2014

,2

et al.

Тепловая трубка с PCM для электронного охлаждения

.

Appl Energy

2011

;

88

:

1825

—

33

,3

и др. . Численное исследование характеристик охлаждения двухфазной замкнутой термосифонной насыпи в районах вечной мерзлоты

.

Cold Reg Sci Technol

2011

;

65

:

203

—

10

,4

et al.

Разработка искусственного хранилища вечной мерзлоты с использованием тепловых труб, доклад № 89-HT-15, Национальная конференция по теплообмену ASME / AIChE

.

Филадельфия, Пенсильвания

,

1989

,5

.

Накопители тепловой энергии — системы и приложения

. 2-е изд.

John Wiley & Sons

,

2010

,6

et al.

Обзор накопления тепловой энергии с использованием материалов с фазовым переходом, анализа теплопередачи и приложений

.

Appl Therm Eng

2003

;

23

:

251

—

83

,7

.

Солнечный водонагреватель с гравитационной тепловой трубкой

.

Тепловая Реков Сист ТЭЦ

1987

;

7

:

343

—

50

,8

.

Исследования и разработки тепловых труб в странах Восточной Европы

.

Тепло Реков Сист ТЭЦ

1989

;

9

:

3

—

18

,9

.

Исследования и разработки тепловых труб в СССР

.

Тепло Реков Сист ТЭЦ

1989

;

9

:

313

—

33

.10

и др.

Мощность аккумулирования тепла с помощью тепловых трубок

.

Тепло Реков Сист ТЭЦ

1989

;

9

:

407

—

10

.12

.

Плавление материала с фазовым переходом при помощи просечно-вытяжной металлической сетки

.

Appl Therm Eng

()

2015

,13

.

Характеристики теплоотдачи затвердевания при наличии двухфазных замкнутых термосифонов в системах хранения скрытой тепловой энергии

. В:

Труды 6-й Международной конференции по тепловым трубам

.

25–29 мая

,

Гренобль

,

1987

.14

.

Новая система вентиляции и охлаждения для снижения кондиционирования воздуха в зданиях. Часть 1: тестирование и теоретическое моделирование

.

Appl Therm Eng

2000

;

20

:

1019

—

37

0,15

и др.

Разработка экспериментального образца интегрированного терморегулятора для когенерационных систем на базе двигателей внутреннего сгорания

.

Appl Energy

2007

;

84

:

1356

—

73

.16

Новая тепловая трубка с переменной проводимостью, соединенная с двигателем Стирлинга

. . () .17

.

Роль тепловых труб в интенсификации работы агрегата

.

Appl Therm Eng

2013

;

57

:

147

—

53

.18

Компания по производству аддитивов.

,19

и др.

Новый метод производства алюминиевых тепловых трубок (SAHP)

.

Appl Therm Eng

2013

;

52

:

498

—

504

,20

.

Стабилизация температуры в реакторах Фишера – Тропша с использованием материалов с фазовым переходом

. В:

Презентация на 22-м заседании Сети по интенсификации процессов

. . ().

© Автор, 2015. Опубликовано Oxford University Press.

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями некоммерческой лицензии Creative Commons Attribution (http: // creativecommons.org / licenses / by-nc / 4.0 /), который разрешает некоммерческое повторное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии правильного цитирования оригинальной работы. По вопросам коммерческого повторного использования обращайтесь по адресу [email protected]

.

Накопление тепловой энергии: роль тепловой трубки в повышении производительности | Международный журнал низкоуглеродных технологий

Аннотация

Тепловые трубки и термосифоны — устройства с высокой эффективной теплопроводностью — в течение многих лет изучаются для улучшения характеристик твердотельных и жидких аккумуляторов тепла и материалов с фазовым переходом (PCM).Однако по мере расширения применения аккумулирования тепла от микроэлектронного терморегулирования до концентрированного накопления солнечного тепла и управления тепловым режимом транспортных средств, и даже для изотермизации химических реакторов, проблемы, с которыми приходится сталкиваться аккумулированию тепла, все больше смещаются с тех, которые связаны со « стандартным » дневным циклом. хранение, которое само по себе является проблемой для материалов с низкой теплопроводностью, поскольку время отклика измеряется в несколько часов или даже минут. В то время как металлы с высокой теплопроводностью, такие как пена, могут быть пропитаны ПКМ, например, для увеличения локальной проводимости, быстрое поступление и отвод тепла требует более радикального подхода — тепловых труб, возможно, с управлением обратной связью, с инновационными интерфейсами ПКМ.В этой статье рассматривается использование тепловых трубок в обычных и быстродействующих PCM-приложениях, а также в системах хранения жидкости или холода, а также вводятся некоторые новые концепции, которые могут преодолеть существующие ограничения.

1 ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время наиболее распространенные системы аккумулирования тепловой энергии (TES) включают твердое тело или жидкость в качестве «ядра» хранилища или используют материалы с фазовым переходом (PCM), причем последние обычно связаны с материалами, которые превращаются из жидкости в твердое тело. наоборот.Паровые аккумуляторы (системы с переходом от жидкой к паровой фазе) используются в некоторых отраслях промышленности для удовлетворения требований пиковой нагрузки, особенно потому, что котлы в настоящее время часто имеют меньшие размеры для удовлетворения пиковых нагрузок. Твердые накопители тепла широко используются в некоторых зданиях, а также популярны в качестве «компактных» накопительных радиаторов (или конвекторов) в некоторых бытовых системах отопления вместе с жидкостными конвекторами. Бак для хранения горячей воды для бытового потребления привлекает все большее внимание по мере роста популярности тепловых насосов и солнечных тепловых систем.

В то время как системы хранения тепла жидкость / пар не страдают от проблем с тепловой инерцией из-за плохой теплопередачи, одной из наиболее распространенных проблем, связанных с хранением жидкости / твердого тела с использованием PCM, является воспринимаемая низкая теплопроводность материала, особенно при плавлении. нужно инициировать. Также нередки случаи, когда твердые (однофазные) и некоторые жидкофазные хранилища нуждаются в помощи с отводом и добавлением тепла с использованием пассивных методов.

Тепловые трубки и термосифоны — устройства с высокой эффективной теплопроводностью, основанные на цикле испарения / конденсации — в течение многих лет изучались для улучшения характеристик твердотельных, жидких и накопителей тепла из ПКМ.Однако по мере того, как области применения аккумулирования тепла расширяются — от микроэлектронного теплового управления до концентрированного аккумулирования солнечного тепла и управления тепловым режимом транспортных средств, а также распространяются на такие области, как изотермализация химических реакторов, проблемы аккумулирования тепла все больше смещаются с тех, которые связаны с « стандартное суточное хранение, которое само по себе является проблемой для материалов с низкой теплопроводностью, из-за времени отклика, измеряемого в несколько часов или даже минут. В то время как металлы с высокой теплопроводностью, такие как пена, могут быть пропитаны ПКМ, например, для увеличения локальной проводимости, быстрое поступление и отвод тепла требует более радикального подхода — тепловых труб, возможно, с управлением обратной связью, с инновационными интерфейсами ПКМ.

На рисунке 1 термосифон слева работает только с помощью силы тяжести для возврата конденсата в испаритель, в то время как тепловая трубка (рисунок 1b) может использовать различные пассивные (а в некоторых случаях активные) методы для возврата жидкости обратно в испаритель. испаритель. Поэтому он может работать с некоторыми ограничениями в любой ориентации и в условиях невесомости. Наиболее распространенные формы фитиля, используемые для создания капиллярного действия для перемещения жидкости из конденсатора в испаритель, чувствительны к ориентации тепловой трубы и не работают так хорошо, если секция отвода тепла (конденсатор) расположена вертикально под испарителем.Другие варианты, такие как петлевые тепловые трубки и петли с капиллярной накачкой [1], могут преодолеть этот недостаток.

Рисунок 1.

Термосифон ( a ) и тепловая трубка ( b ).

Рисунок 1.

Термосифон ( a ) и тепловая трубка ( b ).

Рабочие температуры тепловых трубок определяются исключительно температурами источника / стока — они определяют диапазон рабочих температур тепловой трубки. Для работы при очень высоких температурах в качестве рабочего тела можно использовать жидкий металл (например,грамм. натрия при 800 ° C), в то время как вода в высшей степени приемлема при температуре пара в устройстве от ~ 40 ° C до 200 ° C. Для более низких температур идеально подходит аммиак. Жидкость должна быть химически совместимой с контейнером и стабильной. Желательным признаком является высокая скрытая теплота испарения.

Таким образом, выбор теплоносителя и рабочих жидкостей для тепловых труб имеет несколько общих черт!

2 ЧТО МОЖЕТ ПРЕДОСТАВИТЬ ТЕПЛОВАЯ ТРУБА СИСТЕМАМ ТЕРМИЧЕСКОГО ХРАНЕНИЯ?

В общем, приложения подразделяются на несколько широких групп, каждая из которых описывает свойство тепловой трубы.Наиболее важными для хранения являются:

• Разделение источника тепла и поглотителя

• Выравнивание температуры или изотермализация

• Контроль температуры

• Термодиоды и переключатели

2.1 Разделение источника и приемника

В контексте аккумулирования тепла — высокая эффективная теплопроводность тепловой трубы, например 1000 Вт / мК, позволяет передавать тепло с высокой эффективностью, при необходимости, на значительные расстояния.Например, отвод тепла от мощного устройства в модуле, содержащем другие чувствительные к температуре компоненты, может быть реализован за счет использования тепловой трубки для подключения компонента к удаленному радиатору, расположенному вне модуля. Теплоизоляция может минимизировать потери тепла из промежуточных секций тепловой трубы. В случае буферизации тепловыделения силовых полупроводников, PCM может быть расположен между испарителем с тепловой трубкой и конденсатором (рисунок 2).

Рисунок 2.

Разделение источника тепла и радиатора — в данном случае с промежуточным «буфером» аккумулирования тепла для терморегулирования электроники. Электроника находится слева, буфер для хранения в центре и радиатор справа [2]. Перепечатано из Weng et al . [2] с разрешения Elsevier.

Рисунок 2.

Разделение источника тепла и радиатора — в данном случае с промежуточным «буфером» аккумулирования тепла для терморегулирования электроники. Электроника находится слева, буфер для хранения в центре и радиатор справа [2].Перепечатано из Weng et al . [2] с разрешения Elsevier.

2.2 Температурное выравнивание

Второе свойство, перечисленное выше, выравнивание температуры, тесно связано с разделением источника и стока. Поскольку тепловая трубка по своей природе стремится к работе при постоянной температуре, ее можно использовать для уменьшения температурных градиентов между неравномерно нагретыми участками тела. Тепловые трубы, «погруженные» в химический реактор периодического действия, могут способствовать равномерной скорости реакции за счет отвода тепла от более экзотермических областей к менее активным частям реагентов и, конечно, представить себе PCM с низкой теплопроводностью — установка тепловых труб исключительно для изотермизации процесса плавления может имеют эффект, аналогичный показанному на рисунке 3.Это обсуждается в контексте PCM позже.

Рисунок 3.

Изотермизация: эти данные получены с космического спутника, но также применимы к хранению химических веществ и фазовых переходов. Перепечатано из Zhang et al . [3] с разрешения Elsevier.

Рис. 3.

Изотермализация: эти данные получены с космического спутника, но также применимы к хранению химических веществ и фазовых переходов. Перепечатано из Zhang et al .[3] с разрешения Elsevier.

2.3 Контроль температуры

Третью область применения, регулирование температуры, лучше всего выполнять с помощью тепловых трубок с переменной проводимостью (VCHP). Этот тип может использоваться для точного контроля температуры устройств, установленных на секции испарителя с тепловой трубкой. Это достигается за счет управления количеством тепла, отводимого от конденсатора тепловой трубы, путем высвобождения или блокировки внутренней поверхности. Базовая ВЧП показана на рисунке 4.Добавляя активное или пассивное управление с обратной связью, можно точно контролировать скорость отвода тепла. В то время как VCHP нашел свое первое серьезное применение в космических кораблях, теперь он получил широкое распространение во многих более обыденных применениях, начиная от контроля температуры в электронном оборудовании и заканчивая печами и печами.

Рисунок 4.

Базовая ВЧП. В контексте PCM его можно использовать для управления скоростью отвода тепла.

Рисунок 4.

Базовая ВЧП.В контексте PCM его можно использовать для управления скоростью отвода тепла.

2.4 Работа термодиода

Тепловой диод с тепловой трубкой (или термосифоном) имеет ряд специализированных применений, где передача тепла только в одном направлении является обязательным условием. Сохранение вечной мерзлоты — само по себе использование накопления энергии — является классическим примером, признанным в опорных столбах трансаляскинского нефтепровода, но шоссе Тибет – Цинхай — более свежий пример (рис. 5) [3].

Рисунок 5.

Сохранение вечной мерзлоты — в данном случае для предотвращения проседания дороги — будет приобретать все большее значение, поскольку глобальное потепление влияет на «стол» вечной мерзлоты. Перепечатано из Zhang et al. [3] с разрешения Elsevier.

Рисунок 5.

Сохранение вечной мерзлоты — в данном случае для предотвращения проседания дороги — будет приобретать все большее значение, поскольку глобальное потепление влияет на «стол» вечной мерзлоты. Перепечатано из Zhang et al. [3] с разрешения Elsevier.

В хранилище, показанном на Рисунке 6 [4], тепловые трубы (работающие здесь как термосифоны) зимой передают тепло земли в окружающую среду, что замораживает почву. При повышении температуры весной тепло не передается из окружающей среды на землю (термодиод), препятствуя таянию почвы.

Рисунок 6.

Тепловые трубки с тепловым диодом, используемые для поддержания холодильной камеры за счет предотвращения утечки из земли в теплое время года.

Рисунок 6.

Тепловые трубки с тепловым диодом, используемые для поддержания холодильной камеры за счет предотвращения утечки из земли в теплое время года.

Как и любое другое устройство, тепловая труба должна соответствовать ряду критериев, прежде чем она станет полностью приемлемой для использования в домах и на производстве. В контексте аккумулирования тепла аспекты, которые следует учитывать, включают химическую совместимость между стенкой тепловой трубы и накопительным материалом, метод зарядки / разрядки комбинации тепловой трубы / накопителя и ориентацию тепловой трубы — что интересно, в некоторых CSP (концентрированных солнечных батареях). мощность), тепловые трубки работают в разных направлениях, что подразумевает разные обязанности, о которых будет сказано ниже.Как показано на Рисунке 7, диапазон рабочих жидкостей с тепловыми трубками легко совпадает с вероятными температурами, встречающимися в TES.

• Надежный и безопасный с приемлемым сроком службы.

• Обеспечивает требуемую производительность.

• Экономично.

• Простота установки и снятия.

Рис. 7.

Число достоинств (рассчитанное при температуре кипения при атмосферном давлении) для ряда рабочих жидкостей с тепловыми трубками.

Рис. 7.

Число достоинств (рассчитанное при температуре кипения при атмосферном давлении) для ряда рабочих жидкостей с тепловыми трубками.

3 ТЕПЛОВЫЕ ТРУБЫ В СИСТЕМАХ ХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ

По своей природе многие системы аккумулирования энергии должны терять или получать как можно меньше тепла в периоды «неактивности», а также отводить или принимать тепло (или «охлаждение») с заданной скоростью, некоторые из которых могут быть довольно высокими, когда требуется для активного функционирования. Природа химикатов, используемых в некоторых носителях для хранения с фазовым переходом, в частности их низкая теплопроводность, дает тепловым трубам возможность повысить производительность, хотя необходимо позаботиться о том, чтобы «отключить» тепловую трубку, когда теплопередача не требуется.Одним из «накопителей» ощутимого тепла, который значительно выиграл от тепловых труб, является земля. Использование земли в качестве источника тепла или радиатора — хорошо известное пользователям тепловых насосов — для удаления льда с дорог с помощью тепловых труб и, как обсуждается ниже, в качестве явного радиатора для управления тепловым режимом подземных поездов. Пример использования на земле, приведенный на Рисунке 5, — это тот, где отключение тепловой трубы имеет важное значение при высоких температурах окружающей среды. Это было одно из первых применений тепловых трубок массового производства.

Тепловые трубки широко используются в различных системах хранения энергии.Они подходят для систем аккумулирования тепла, в частности, для передачи и отвода тепла из-за их высокой эффективной теплопроводности и пассивной работы. В качестве помощи для температурного расслоения в резервуарах для хранения горячей воды, для их включения в хранилища тепла или «холода» с использованием PCM, уникальные свойства тепловых труб могут позволить системам работать таким образом, который обычно невозможен с использованием обычных теплообменников. Аспект безопасности тепловых трубок из-за наличия двух стенок между испарителем и конденсатором также способствует их использованию для отвода тепла от хранилищ ядерного топлива и самих реакторов.

3.1 Зачем использовать тепловые трубы в системах накопления энергии

Ограничения некоторых систем аккумулирования тепла, будь то для аккумулирования тепла или «холода», как правило, сильно зависят от свойств используемого теплоносителя, таких как удельная или скрытая теплота, плотность и теплопроводность. На эту тему было написано множество отличных обзоров, например, Dincer and Rosen [5] и Zalba et al . [6]. Стоимость сильно зависит от выбора носителя для хранения данных, и, к сожалению, недорогие материалы, как правило, требуют наибольшего объема хранения на ватт-час сохраненного тепла.Материалы, которые претерпевают фазовый переход, выделяя скрытую теплоту — как в тепловой трубе, но в данном случае обычно переходят из твердого состояния в жидкое — как правило, имеют наименьшие объемы хранения, но, как правило, более дороги и могут потребовать специальных герметизирующих материалов. , из-за коррозии или токсичности. Это может быть ограничивающим фактором, например, в жилых зданиях.

Хотя тепло может накапливаться при любой температуре от чуть выше температуры окружающей среды до выше 1000 ° C, для хранения «холода» в системах кондиционирования воздуха — важная возможность экономии энергии, диапазон температур более скромен.Можно ожидать, что носитель данных будет работать в основном в диапазоне от -10 до + 25 ° C. Хотя использование тепловых трубок для хранения при криогенных температурах менее известно, нет причин, по которым нельзя использовать тепловые трубки, использующие, например, азот в качестве рабочей жидкости.

Основным недостатком многих потенциальных кандидатов для аккумулирования тепла является низкая теплопроводность, в какой бы фазе они ни находились. Это, конечно, можно преодолеть «возбуждением» среды накопления — псевдоожижением, перекачкой или другой формой активного усиления (возможно, микроволн ).Именно роль тепловых труб (и других «усовершенствованных» устройств теплопередачи, таких как компактные ребристые сборки) позволила практическому использованию систем аккумулирования тепла распространиться на области, где ограничения на внутреннюю проводимость снижали производительность в прошлом. Часто тепловая трубка имеет решающее значение для успешной работы агрегата как в режиме зарядки, так и в режиме разряда. В ряде приложений он дополнительно позволяет разрабатывать компактный модульный блок и помогает обеспечить отделение реактивных носителей информации от занятых пространств, что является важным фактором здоровья и безопасности — не только для ядерных складов!

Выгода, которую тепловая труба может дать простому накопителю, проиллюстрирована на примере ниже.Трехмерная (3D) модель была создана, как показано на рисунке 8. Медь была выбрана в качестве материала для контейнера и ребер. Вертикальное расположение выбрано таким образом, чтобы предотвратить любое изменение объема во время плавления для PCM, которое составляет ~ 15% V / V _s . Модель включает в себя множество интерфейсов связанных сеток для передачи тепла. Все другие неуказанные поверхности, такие как внешняя стенка контейнера, считаются адиабатическими. Размеры цилиндрического контейнера ПКМ: внутренний диаметр (ID) 100 мм и высота ( H ) 200 мм.Внутренние ребра погружены в PCM, тогда как внешние ребра подвергаются воздействию воздуха для охлаждения расплавленного PCM. Изучались два случая охлаждения: естественная конвекция и принудительная конвекция.

Рисунок 8.

Конфигурация контейнера из ПКМ (с использованием эритрита в качестве ПКМ) с ребрами для облегчения теплопередачи через сыпучий материал и из него. ( a ) Вид профиля, показывающий основные размеры, и ( b ) изометрический вид, показывающий конфигурации ребер. Примечание: внутренние плавники имеют такие же размеры, как и внешние.

Рисунок 8.

Конфигурация контейнера из ПКМ (с использованием эритрита в качестве ПКМ) с ребрами для облегчения теплопередачи через сыпучий материал и из него. ( a ) Вид профиля, показывающий основные размеры, и ( b ) изометрический вид, показывающий конфигурации ребер. Примечание: внутренние плавники имеют такие же размеры, как и внешние.

Была разработана другая конфигурация, использующая тепловую трубку (рис. 9). Диаметр 12,7 мм. тепловая трубка предназначена для транспортировки 100 Вт (номинальная) при 118 ° C, температуре плавления PCM, относительно низком значении мощности, просто для сравнения с конфигурацией без тепловых труб.Тепловая труба моделируется как сплошной медный стержень с теплопроводностью 6000 Вт / м · К, что соответствует примеру из литературы [5]. Для сравнения: медь имеет теплопроводность 384,7 Вт / м К.

Рис. 9.

Добавление тепловой трубы (работающей в режиме «термосифон») для улучшения теплопередачи вдоль ребристой секции вне контейнера ПКМ.

Рис. 9.

Добавление тепловой трубы (работающей в режиме «термосифон») для улучшения теплопередачи вдоль ребристой секции вне контейнера ПКМ.

На рисунке 10 показано затвердевание PCM с естественным и принудительным конвекционным охлаждением ребер над контейнером, с тепловой трубкой и без нее. Случаи естественной конвекции показывают посредственные результаты по сравнению со случаями принудительной конвекции для обеих конфигураций. Для естественной конвекции время полного затвердевания составляет 16,85 и 12,00 ч для конфигураций без тепловых трубок и тепловых трубок, соответственно. Для принудительной конвекции время полного затвердевания составляет 6,47 ч для нетепловой трубы и 2 часа.71 ч для конфигураций с тепловыми трубками соответственно. Следовательно, как при естественной, так и при принудительной конвекции встраивание тепловой трубки, которая является пассивным методом улучшения, является отличным способом достижения быстрого охлаждения PCM. Имейте в виду, что смоделированная тепловая трубка имеет низкое значение мощности при 100 Вт. Увеличение ее диаметра с нынешнего значения 12,7 мм (0,5 ″), например, 25,4 мм (1,0 ″) увеличит мощность тепловой трубки и, следовательно, может еще больше уменьшить время затвердевания. Кроме того, номинальные значения подводимого коэффициента теплопередачи: 10 и 100 Вт / м ² K для естественной и принудительной конвекции соответственно являются консервативными.

Рис. 10.

Скорость затвердевания PCM с тепловой трубкой и без нее.

Рис. 10.

Скорость затвердевания PCM с тепловой трубкой и без нее.

Преимущества встраивания тепловой трубы можно увидеть на Рисунке 11, где показаны случаи принудительной конвекции. Одно из его преимуществ — изотермизация. Снимок сделан с момента начала полного затвердевания. Можно видеть, что температурный градиент внутри PCM является наибольшим без тепловой трубы (A — раздел 2) по сравнению с конфигурацией тепловой трубы (B — раздел 4).Открытые внешние ребра также показывают разницу температурного градиента между двумя конфигурациями — Разделы 1 и 3. Температурный градиент возникает из-за конвективной теплопередачи внутри PCM, поэтому тепловая трубка способствует этому режиму теплопередачи, отводя тепло от горячего пятна в холодные точки более эффективно.

Рисунок 11.

Снимок температуры PCM и внешних ребер.

Рис. 11.

Снимок температуры PCM и внешних ребер.

Большая часть приложений PCM, в которых используются тепловые трубки, работают таким же образом.

Кроме того, носитель данных не обязательно должен быть PCM, чтобы получить выгоду от использования тепловых трубок и термосифонов — ранний пример использования твердого накопителя описан ниже.

4 ПРИМЕРЫ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ В ТЕРМИЧЕСКИХ МАГАЗИНАХ

4.1 Тепловые трубки в накопителях явного тепла

Одним из наиболее распространенных применений тепловых трубок, связанных с накоплением, является поглощение солнечной энергии и передача ее воде, статической или проточной.Солнечные коллекторы с тепловыми трубками производятся несколькими производителями. Эта концепция описана в одной из ранних форм Азадом и др. . [7]. Использование индивидуальных тепловых трубок, соединяющихся с накопителями воды, также упоминается Поласеком [8].

Работа над тепловыми трубками и их наземным применением в бывшем Советском Союзе (БСС) была, а в некоторых странах СНГ продолжает быть, возможно, более плодотворной, чем где-либо еще в мире. Одной из лабораторий, наиболее активно работающих в таких областях, является Институт тепло- и массообмена им. Луйкова в Минске, Беларусь.Много лет назад Васильев [9] и его команда (см., Например, Caruso и др. . [10]) исследовали характеристики накопителя тепла, в котором для передачи тепла в накопитель и из него использовались горизонтальные тепловые трубы. Магазин был заполнен сухим песком или галькой, которые использовались в домах и теплицах, часто располагались под зданием для улавливания солнечного тепла или тепла в теплом воздухе или теплой воде. Было обнаружено, что тепловые трубки являются эффективным способом передачи тепла как во время зарядки, так и во время разрядки. Средняя передача энергии по трубам составляла 200 Вт · ч / м, а резервуар размером 6 × 5 × 2 м имел 10 тепловых трубок длиной 6 м, расположенных на расстоянии 1 м друг от друга.Каждый интервал разряда давал ~ 100 Вт на трубу.

Вторая система, разработанная в Беларуси [9], проиллюстрированная на Рисунке 12, использовала электрические нагревательные элементы, использующие «внепиковое» электричество, для повышения температуры накопительных кирпичей внутри блока примерно до 500 ° C. Тепловые трубы с испарительными секциями в нижней половине блока и конденсаторами в центральной оребренной секции над ядром позволяли отвод тепла в течение 24–48 часов, с усилением, обеспечиваемым теплопередачей с помощью вентилятора. .На верхней диаграмме показаны «внутренние компоненты» — тепловые трубки, контроллер и ребристый радиатор.

Рисунок 12.

Кирпичный радиатор накопителя, разработанный Леонардом Васильевым и его коллегами из Минска. Перепечатано из Васильева [9] с разрешения Elsevier.

Рисунок 12.

Кирпичный радиатор накопителя, разработанный Леонардом Васильевым и его коллегами из Минска. Перепечатано из Васильева [9] с разрешения Elsevier.

4.1.1 Конструкции туннелей и земля как «поглотитель» или хранилище

Система лондонского метрополитена — «труба» — была спроектирована и в значительной степени построена в викторианскую эпоху. Во многих случаях туннели бывают глубокими и небольшими в диаметре, пассажиропоток увеличивается, а современные системы кондиционирования воздуха используются редко — фактически, подземное кондиционирование воздуха, конечно, может приводить к локальному притоку тепла в зависимости от расположения конденсатора. Транспортное управление города Нью-Йорка подсчитало, что при эксплуатации подземных железнодорожных систем может выделяться достаточно тепла, чтобы поднять температуру в туннеле и на станции на 8–11 К выше температуры окружающей среды.В Лондоне, где температура окружающей среды может достигать 30 ° C и более, в некоторых поездах зафиксирована температура выше 37 ° C, что затрудняет достижение комфорта пассажиров.

Лондонский университет Саут-Бэнк (LSBU) [11] определил тепловые трубы как один из вариантов отвода тепла из туннелей. Конструкция туннеля и окружающая земля имеют тенденцию оказывать сдерживающее влияние на температуру воздуха в подземных железных дорогах, принимая или отводя тепло, в зависимости от температуры воздуха в туннелях. Это называется «эффектом туннельного теплоотвода», и специалисты LSBU исследовали способы улучшения этого эффекта, включая использование тепловых трубок.

Тепловые трубки могут усилить эффект теплоотвода через туннель за счет изменения теплопроводности земли, окружающей туннель, аналогично влиянию на накопители явного тепла других типов. Было продемонстрировано, что если увеличить теплопроводность земли на порядок с 5 до 50 Вт / м · К, то температуру в туннеле и вагонах можно снизить на 12%. Данные показывают, что на 1 км потребуется 2500 единиц мощностью 130 Вт каждая. Исследовательская группа отметила, что установка и работа тепловых труб не должны влиять на целостность конструкции туннеля.

4.2 Тепловые трубки в накопителях с фазовым переходом (с использованием PCM)

Использование PCM, как однофазных носителей информации, сталкивается с проблемами, связанными с плохой теплопроводностью и уникальными профилями замораживания и плавления. Некоторые лаборатории использовали металлическую фольгу, такую ​​как изображенная на рисунке 13, пенопласт (см. Рисунок 14) и компактные конструкции теплообменника для улучшения теплопередачи в PCM. Логическим развитием является внедрение тепловых трубок в PCM по причинам, обсуждаемым в разделе 3.1.

Рис. 13.

Расширенная металлическая структура, исследованная на предмет повышения теплопроводности ПКМ [12].

Рис. 13.

Расширенная металлическая структура, исследованная на предмет повышения теплопроводности PCM [12].

Рис. 14.

Металлическая пена, которая используется для улучшения характеристик PCM.

Рис. 14.

Металлическая пена, которая используется для повышения производительности PCM.

Одно из первых исследований тепловых трубок в ПКМ было проведено в 1980-х годах, когда Ли и Ву [13] исследовали влияние на теплопередачу.Это исследование, проведенное в Университете Оттавы, было основано на парафиновом воске в качестве PCM (вариант воска — Sun P-116). Для отвода тепла использовался водяной термосифон.

4.2.1 Тепловая трубка в пассивной системе охлаждения для снижения нагрузки на систему кондиционирования воздуха

Система, основанная на использовании тепловых трубок для передачи тепла внутрь и из PCM (от и к окружающему воздуху, соответственно), была разработана в течение нескольких лет в Ноттингемском университете в Великобритании группой под руководством Дэвида Этериджа. .Это иллюстрирует базовое применение тепловых трубок для повышения теплопроводности PCM.

Работа этой системы, усовершенствованной совместно с поставщиками PCM и тепловых трубок, а также установщиком, сравнительно проста. Ночью холодный воздух используется для «замораживания» PCM, а в течение дня из комнатного воздуха отбирается тепло, которое «плавит» PCM. Этот цикл повторяется ежедневно. Важнейшим процессом является передача тепла между воздухом и PCM. Коэффициенты теплопередачи должны быть высокими, поскольку разница температур между воздухом и PCM невелика, обычно <6 ° C.

Как подчеркивалось выше, основная проблема заключается в достижении достаточной теплопередачи в (и из) ПКМ, потому что материал, по сути, ведет себя как твердое тело, а проводимость является, по крайней мере, для большей части цикла, основным механизмом передачи — как и большинство накопителей ощутимого тепла. Более того, прямой контакт между воздухом и PCM нежелателен из-за запахов и предполагаемой опасности для здоровья. Принятый подход заключался в использовании тепловой трубы для обеспечения косвенного, но эффективного пути теплопередачи между воздухом и PCM с принудительной конвекцией в воздушной зоне.Это позволяет поместить ПКМ в жесткий герметичный контейнер.

Таким образом, единый модуль представляет собой контейнер из ПКМ, в который заделана половина тепловой трубки [14]. Другая половина трубы подвергается воздействию воздуха. Обе половины трубы снабжены оребренными теплообменниками. Направление теплового потока меняется от дня к ночи, поэтому тепловая трубка рассчитана на реверсивный режим работы и устанавливается горизонтально.

Гидратированная глауберова соль была основным материалом, с бурой в качестве добавки для получения требуемого диапазона температур перехода (номинально 21–23 ° C).Скрытая теплоемкость 198 кДж / кг, плотность 1480 кг / м ³ . Объем модуля PCM составил 7,8 л, что соответствует емкости хранения скрытой теплоты 0,64 кВтч на модуль.

Модули устанавливаются в напольный блок, который подходит для установки как в новых, так и в существующих зданиях. В каждом блоке использовалось семь модулей, что давало скрытую холодопроизводительность 4,4 кВтч, например. 500 Вт охлаждения за 8 ч. В блоке также находится вентилятор. На рисунке 15 показана установка на одном из двух тестовых участков.Вентилятор установлен по центру и нагнетает воздух по тепловым трубкам. Ночью воздух втягивается через воздуховод, соединенный с оконной форточкой с электроприводом. В течение дня вентиляционное отверстие закрыто, и воздух забирается прямо из помещения через открытую заслонку (также с электроприводом).

Рисунок 15.

Комнатный холодильный агрегат PCM, установленный в Ноттингемском университете [14].

Рисунок 15.

Комнатный холодильный агрегат PCM, установленный в Ноттингемском университете [14].

В ходе полевых испытаний было обнаружено, что система способна поддерживать контроль над температурой в помещении и может быстро реагировать на изменения притока тепла. В частности, высокая теплоемкость PCM и эффективная теплопередача системы позволили контролировать температуру в помещении на постоянном уровне так же, как и в системе кондиционирования воздуха. Это было признано очень впечатляющим для того, что по сути является пассивной системой. При одном только принудительном ночном охлаждении температура в помещении продолжала бы расти, что привело бы к повышению максимальной температуры на 2 ° C или 3 ° C.При только естественном ночном охлаждении ткани комнаты подъем, безусловно, был бы еще выше.

4.2.2 Управление ПКМ через ВЧП: ТЭЦ

Как показано на Рисунке 4, VCHP можно использовать для управления скоростью отвода тепла от теплового накопителя. Хуанфу и др. . [15] в Шанхайском университете Цзяо Тонг впервые предложили VCHP в сочетании с когенерационной установкой для доставки тепла потребителям с использованием тепла, вырабатываемого двигателем внутреннего сгорания (Рисунок 16).Испаритель с тепловой трубкой получает тепло от двигателя, в то время как конденсатор имеет регулируемый объем с использованием переднего положения инертного газа для управления подачей тепла пользователям или градирне. Даже базовые ВТЭЦ в определенной степени саморегулируются, и по мере увеличения отпуска тепла потребители могут потреблять больше, а градирня может справиться с любым излишком. Если двигатель работает на значительно пониженной мощности, тепловая мощность существенно снижается из-за увеличения объема инертного газа.

Рисунок 16.

Концепция ВТЭЦ, используемая для управления тепловой мощностью от когенерационной установки [15]. Перепечатано из Huangfu et al . [15], с разрешения Elsevier.

Рисунок 16.

Концепция VCHP, используемая для управления тепловой мощностью от когенерационной установки [15]. Перепечатано из Huangfu et al . [15], с разрешения Elsevier.

В рамках проекта, предоставленного SES Ltd в Великобритании в рамках программы финансирования Совета по технологической стратегии, производная от вышеуказанного строится для блока комбинированного производства тепла и электроэнергии (mCHP).В этом блоке давление в VCHP может изменяться с помощью метода активного управления с обратной связью в ответ на потребность в отоплении дома, а компактный тепловой аккумулятор PCM охватывает испаритель, питаемый отходящим теплом двигателя. Изменения давления инертного газа используются для плавного и непрерывного регулирования площади поверхности теплообмена (и, следовательно, мощности) бытовой системы отопления, в то время как тепловой накопитель PCM используется для управления доступностью этого тепла в течение длительного периода времени. Хотя предложение ориентировано на применение мТЭЦ в бытовом масштабе, концепция в равной степени применима к более крупным коммерческим теплоэлектростанциям.Вклад Нортумбрийского университета заключается в разработке имитационной модели блока mCHP и VCHP и использовании этой модели для проектирования экспериментальной экспериментальной установки в масштабах страны. Пилотная установка будет построена в лаборатории низкоуглеродных систем Нортумбрии с использованием существующего модуля мТЭЦ цикла Стирлинга. Блок VCHP будет построен сотрудниками в соответствии со спецификацией размеров, разработанной с помощью имитационной модели. Нортумбрия проведет серию экспериментов с тепловыми потребностями, соответствующими типичным домашним отопительным нагрузкам — как зимой (отопление помещений и горячая вода), так и летом (только горячая вода).Намерение состоит в том, чтобы довести исследование только до стадии подтверждения концепции. Дальнейшее применение имитационной модели будет использоваться для проектирования вариантов системы для ряда типов домов с разной заполняемостью и потребностями в отоплении. Результаты будут представлены в качестве основы для возможного прототипирования и демонстрации в полевых условиях [16].

4.2.3 Изотермализация: изучение космических технологий

Изотермизация спутниковых структур была проиллюстрирована в разделе 2.На рисунке 17 сотовая структура (которая, конечно же, может быть пеной), образующая часть спутника, имеет четыре окружных тепловых трубки, встроенных в нее, чтобы минимизировать скачки температуры и любую возможную деформацию.

Рисунок 17.

Пористая сотовая структура с кольцевыми тепловыми трубками для изотермизации [17]. Перепечатано из Reay and Harvey [17]. Роль тепловых труб в интенсификации работы агрегата, стр. 147–153, 2013 г. с разрешения Elsevier.

Рисунок 17.

Пористая сотовая структура с кольцевыми тепловыми трубками для изотермизации [17]. Перепечатано из Reay and Harvey [17]. Роль тепловых труб в интенсификации работы агрегата, стр. 147–153, 2013 г. с разрешения Elsevier.

Это аналогично тому, что может произойти в химической реакции — примером могут служить системы аккумулирования тепла на основе гидридов металлов, в которых для управления зарядкой водорода, которая является экзотермической реакцией, требующей быстрого и идеально равномерного отвода тепла, могут быть преимущества тепловых труб [17]. .

4.2.4 PCM в псевдоожиженном или инкапсулированном виде

Все чаще ПКМ инкапсулируют в полимеры и другие материалы для увеличения мобильности и улучшения теплопередачи. Их можно перекачивать или флюидизировать, чтобы улучшить конвективную теплопередачу. Смеситель с тепловыми трубками, показанный на Рисунке 18. Первоначально разработанный для пищевой промышленности, где часто требуется охлаждение или нагрев вязких пищевых продуктов, устройство может смешивать капсулы из PCM, а также передавать тепло в них или из них. эффективно «перемешивать» капсулы внутри трубки, в то же время эффективно отводя тепло внешнему потоку жидкости (или, наоборот, добавляя тепло к PCM).

Рис. 18.

Герметичный смеситель / устройство теплопередачи из PCM на основе тепловых трубок.

Рис. 18.

Герметичный смеситель / устройство теплопередачи из PCM на основе тепловых трубок.

5 МОЖЕТ ЛИ ПОМОЩЬ ПРОИЗВОДСТВУ ДОБАВОК В ОПТИМИЗАЦИИ НОВЫХ КОНЦЕПЦИЙ?

Аддитивное производство (AM) (также известное как 3D-печать или быстрое прототипирование) — это метод сборки, который позволяет изготавливать компоненты из полимеров и металлов в формах, невозможных с помощью традиционных процессов литья или механической обработки.Теплообменник, показанный на рисунке 19, например, было бы невозможно отлить, и AM в этом случае позволила изготавливать компактный металлический теплообменник с улучшенными внутренними и внешними поверхностями.

Рис. 19.

Компактный теплообменник от Within Lab производства AM [18] был любезно предоставлен компанией Within Laboratories.

Рис. 19.

Компактный теплообменник от Within Lab производства AM [18] был любезно предоставлен компанией Within Laboratories.

Рисунок 20.

Процесс изготовления и результат изготовления тепловых трубок с использованием AM [19]. Перепечатано из Ameli et al . [19], с разрешения Elsevier.

Рисунок 20.

Процедура изготовления и результат изготовления тепловых трубок с использованием AM [19]. Перепечатано из Ameli et al . [19], с разрешения Elsevier.

Совсем недавно Thermacore, производитель тепловых трубок, совместно с университетами Ливерпуля и Нортумбрии в Великобритании успешно изготовили тепловые трубки из алюминия с использованием AM (рис. 20).

Предназначенные для использования в космических кораблях, эти легкие блоки уникальны тем, что стенка и фитиль — капиллярная структура, необходимая для переноса жидкости из конденсатора в испаритель — были собраны вместе с торцевой крышкой, что эффективно полностью объединяет их и сводит к минимуму тепловое сопротивление. Следовательно, можно встроить тепловые трубки в контейнер для хранения таким образом, чтобы улучшающая структура (например, пена) и система терморегулирования — тепловые трубки — имели идеальный тепловой контакт и были оптимизированы для желаемых характеристик цикла хранения.Таким образом можно было собрать такие элементы, как металлические радиаторы накопителей, а также конструкции для зарядки ПКМ.

5.1 Следующий шаг: 3D-печатный PCM

В исследовании, проведенном в Университете Хериот-Ватт, Эдинбург [20], изучается использование металлических ПКМ для улучшения характеристик химических реакторов Фишера-Тропша (F-T), которые используются для преобразования газа в жидкости на углеводородной основе. Компактные реакторы F – T подобны очень компактным теплообменникам. Можно было бы рассмотреть более эффективные реакторы F – T, собранные с использованием AM, но в то же время включающие в себя металлический PCM в оптимальных местах, которые можно было бы смоделировать ранее, чтобы получить идеальную кинетику реакции.

6 ВЫВОДЫ

TES приобретает все большее значение в целом ряде секторов — от промышленности до транспорта и дома. Основные характеристики тепловой трубки и термосифона — в основном связанные с их высокой эффективной теплопроводностью — могут улучшить характеристики накопителя тепла, что не всегда возможно с другими методами улучшения.

Новые методы производства, в частности AM, в конечном итоге могут позволить изготавливать некоторые материалы для хранения внутри оптимизированных поверхностей теплопередачи способом, который в настоящее время невозможен.

БЛАГОДАРНОСТИ

D.R. признателен Ахмаду Мустаффару из Университета Ньюкасла за подготовку сравнительного анализа теплопередачи от PCM с использованием только тепловой трубы и / или ребер, а также за данные по улучшению PCM.

ССЫЛКИ

1

.

Тепловые трубы: теория, конструкция и применение

, 6 изд.

Butterworh Heinemann

,

2014

,2

et al.

Тепловая трубка с PCM для электронного охлаждения

.

Appl Energy

2011

;

88

:

1825

—

33

,3

и др. . Численное исследование характеристик охлаждения двухфазной замкнутой термосифонной насыпи в районах вечной мерзлоты

.

Cold Reg Sci Technol

2011

;

65

:

203

—

10

,4

et al.

Разработка искусственного хранилища вечной мерзлоты с использованием тепловых труб, доклад № 89-HT-15, Национальная конференция по теплообмену ASME / AIChE

.

Филадельфия, Пенсильвания

,

1989

,5

.

Накопители тепловой энергии — системы и приложения

. 2-е изд.

John Wiley & Sons

,

2010

,6

et al.

Обзор накопления тепловой энергии с использованием материалов с фазовым переходом, анализа теплопередачи и приложений

.

Appl Therm Eng

2003

;

23

:

251

—

83

,7

.

Солнечный водонагреватель с гравитационной тепловой трубкой

.

Тепловая Реков Сист ТЭЦ

1987

;

7

:

343

—

50

,8

.

Исследования и разработки тепловых труб в странах Восточной Европы

.

Тепло Реков Сист ТЭЦ

1989

;

9

:

3

—

18

,9

.

Исследования и разработки тепловых труб в СССР

.

Тепло Реков Сист ТЭЦ

1989

;

9

:

313

—

33

.10

и др.

Мощность аккумулирования тепла с помощью тепловых трубок

.

Тепло Реков Сист ТЭЦ

1989

;

9

:

407

—

10

.12

.

Плавление материала с фазовым переходом при помощи просечно-вытяжной металлической сетки

.

Appl Therm Eng

()

2015

,13

.

Характеристики теплоотдачи затвердевания при наличии двухфазных замкнутых термосифонов в системах хранения скрытой тепловой энергии

. В:

Труды 6-й Международной конференции по тепловым трубам

.

25–29 мая

,

Гренобль

,

1987

.14

.

Новая система вентиляции и охлаждения для снижения кондиционирования воздуха в зданиях. Часть 1: тестирование и теоретическое моделирование

.

Appl Therm Eng

2000

;

20

:

1019

—

37

0,15

и др.

Разработка экспериментального образца интегрированного терморегулятора для когенерационных систем на базе двигателей внутреннего сгорания

.

Appl Energy

2007

;

84

:

1356

—

73

.16

Новая тепловая трубка с переменной проводимостью, соединенная с двигателем Стирлинга

. . () .17

.

Роль тепловых труб в интенсификации работы агрегата

.

Appl Therm Eng

2013

;

57

:

147

—

53

.18

Компания по производству аддитивов.

,19

и др.

Новый метод производства алюминиевых тепловых трубок (SAHP)

.

Appl Therm Eng

2013

;

52

:

498

—

504

,20

.

Стабилизация температуры в реакторах Фишера – Тропша с использованием материалов с фазовым переходом

. В:

Презентация на 22-м заседании Сети по интенсификации процессов

. . ().

© Автор, 2015. Опубликовано Oxford University Press.

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями некоммерческой лицензии Creative Commons Attribution (http: // creativecommons.org / licenses / by-nc / 4.0 /), который разрешает некоммерческое повторное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии правильного цитирования оригинальной работы. По вопросам коммерческого повторного использования обращайтесь по адресу [email protected]

.

Накопление тепловой энергии: роль тепловой трубки в повышении производительности | Международный журнал низкоуглеродных технологий

Аннотация

Тепловые трубки и термосифоны — устройства с высокой эффективной теплопроводностью — в течение многих лет изучаются для улучшения характеристик твердотельных и жидких аккумуляторов тепла и материалов с фазовым переходом (PCM).Однако по мере расширения применения аккумулирования тепла от микроэлектронного терморегулирования до концентрированного накопления солнечного тепла и управления тепловым режимом транспортных средств, и даже для изотермизации химических реакторов, проблемы, с которыми приходится сталкиваться аккумулированию тепла, все больше смещаются с тех, которые связаны со « стандартным » дневным циклом. хранение, которое само по себе является проблемой для материалов с низкой теплопроводностью, поскольку время отклика измеряется в несколько часов или даже минут. В то время как металлы с высокой теплопроводностью, такие как пена, могут быть пропитаны ПКМ, например, для увеличения локальной проводимости, быстрое поступление и отвод тепла требует более радикального подхода — тепловых труб, возможно, с управлением обратной связью, с инновационными интерфейсами ПКМ.В этой статье рассматривается использование тепловых трубок в обычных и быстродействующих PCM-приложениях, а также в системах хранения жидкости или холода, а также вводятся некоторые новые концепции, которые могут преодолеть существующие ограничения.

1 ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время наиболее распространенные системы аккумулирования тепловой энергии (TES) включают твердое тело или жидкость в качестве «ядра» хранилища или используют материалы с фазовым переходом (PCM), причем последние обычно связаны с материалами, которые превращаются из жидкости в твердое тело. наоборот.Паровые аккумуляторы (системы с переходом от жидкой к паровой фазе) используются в некоторых отраслях промышленности для удовлетворения требований пиковой нагрузки, особенно потому, что котлы в настоящее время часто имеют меньшие размеры для удовлетворения пиковых нагрузок. Твердые накопители тепла широко используются в некоторых зданиях, а также популярны в качестве «компактных» накопительных радиаторов (или конвекторов) в некоторых бытовых системах отопления вместе с жидкостными конвекторами. Бак для хранения горячей воды для бытового потребления привлекает все большее внимание по мере роста популярности тепловых насосов и солнечных тепловых систем.

В то время как системы хранения тепла жидкость / пар не страдают от проблем с тепловой инерцией из-за плохой теплопередачи, одной из наиболее распространенных проблем, связанных с хранением жидкости / твердого тела с использованием PCM, является воспринимаемая низкая теплопроводность материала, особенно при плавлении. нужно инициировать. Также нередки случаи, когда твердые (однофазные) и некоторые жидкофазные хранилища нуждаются в помощи с отводом и добавлением тепла с использованием пассивных методов.

Тепловые трубки и термосифоны — устройства с высокой эффективной теплопроводностью, основанные на цикле испарения / конденсации — в течение многих лет изучались для улучшения характеристик твердотельных, жидких и накопителей тепла из ПКМ.Однако по мере того, как области применения аккумулирования тепла расширяются — от микроэлектронного теплового управления до концентрированного аккумулирования солнечного тепла и управления тепловым режимом транспортных средств, а также распространяются на такие области, как изотермализация химических реакторов, проблемы аккумулирования тепла все больше смещаются с тех, которые связаны с « стандартное суточное хранение, которое само по себе является проблемой для материалов с низкой теплопроводностью, из-за времени отклика, измеряемого в несколько часов или даже минут. В то время как металлы с высокой теплопроводностью, такие как пена, могут быть пропитаны ПКМ, например, для увеличения локальной проводимости, быстрое поступление и отвод тепла требует более радикального подхода — тепловых труб, возможно, с управлением обратной связью, с инновационными интерфейсами ПКМ.

На рисунке 1 термосифон слева работает только с помощью силы тяжести для возврата конденсата в испаритель, в то время как тепловая трубка (рисунок 1b) может использовать различные пассивные (а в некоторых случаях активные) методы для возврата жидкости обратно в испаритель. испаритель. Поэтому он может работать с некоторыми ограничениями в любой ориентации и в условиях невесомости. Наиболее распространенные формы фитиля, используемые для создания капиллярного действия для перемещения жидкости из конденсатора в испаритель, чувствительны к ориентации тепловой трубы и не работают так хорошо, если секция отвода тепла (конденсатор) расположена вертикально под испарителем.Другие варианты, такие как петлевые тепловые трубки и петли с капиллярной накачкой [1], могут преодолеть этот недостаток.

Рисунок 1.

Термосифон ( a ) и тепловая трубка ( b ).

Рисунок 1.

Термосифон ( a ) и тепловая трубка ( b ).

Рабочие температуры тепловых трубок определяются исключительно температурами источника / стока — они определяют диапазон рабочих температур тепловой трубки. Для работы при очень высоких температурах в качестве рабочего тела можно использовать жидкий металл (например,грамм. натрия при 800 ° C), в то время как вода в высшей степени приемлема при температуре пара в устройстве от ~ 40 ° C до 200 ° C. Для более низких температур идеально подходит аммиак. Жидкость должна быть химически совместимой с контейнером и стабильной. Желательным признаком является высокая скрытая теплота испарения.

Таким образом, выбор теплоносителя и рабочих жидкостей для тепловых труб имеет несколько общих черт!

2 ЧТО МОЖЕТ ПРЕДОСТАВИТЬ ТЕПЛОВАЯ ТРУБА СИСТЕМАМ ТЕРМИЧЕСКОГО ХРАНЕНИЯ?

В общем, приложения подразделяются на несколько широких групп, каждая из которых описывает свойство тепловой трубы.Наиболее важными для хранения являются:

• Разделение источника тепла и поглотителя

• Выравнивание температуры или изотермализация

• Контроль температуры

• Термодиоды и переключатели

2.1 Разделение источника и приемника

В контексте аккумулирования тепла — высокая эффективная теплопроводность тепловой трубы, например 1000 Вт / мК, позволяет передавать тепло с высокой эффективностью, при необходимости, на значительные расстояния.Например, отвод тепла от мощного устройства в модуле, содержащем другие чувствительные к температуре компоненты, может быть реализован за счет использования тепловой трубки для подключения компонента к удаленному радиатору, расположенному вне модуля. Теплоизоляция может минимизировать потери тепла из промежуточных секций тепловой трубы. В случае буферизации тепловыделения силовых полупроводников, PCM может быть расположен между испарителем с тепловой трубкой и конденсатором (рисунок 2).

Рисунок 2.

Разделение источника тепла и радиатора — в данном случае с промежуточным «буфером» аккумулирования тепла для терморегулирования электроники. Электроника находится слева, буфер для хранения в центре и радиатор справа [2]. Перепечатано из Weng et al . [2] с разрешения Elsevier.

Рисунок 2.

Разделение источника тепла и радиатора — в данном случае с промежуточным «буфером» аккумулирования тепла для терморегулирования электроники. Электроника находится слева, буфер для хранения в центре и радиатор справа [2].Перепечатано из Weng et al . [2] с разрешения Elsevier.

2.2 Температурное выравнивание

Второе свойство, перечисленное выше, выравнивание температуры, тесно связано с разделением источника и стока. Поскольку тепловая трубка по своей природе стремится к работе при постоянной температуре, ее можно использовать для уменьшения температурных градиентов между неравномерно нагретыми участками тела. Тепловые трубы, «погруженные» в химический реактор периодического действия, могут способствовать равномерной скорости реакции за счет отвода тепла от более экзотермических областей к менее активным частям реагентов и, конечно, представить себе PCM с низкой теплопроводностью — установка тепловых труб исключительно для изотермизации процесса плавления может имеют эффект, аналогичный показанному на рисунке 3.Это обсуждается в контексте PCM позже.

Рисунок 3.

Изотермизация: эти данные получены с космического спутника, но также применимы к хранению химических веществ и фазовых переходов. Перепечатано из Zhang et al . [3] с разрешения Elsevier.

Рис. 3.

Изотермализация: эти данные получены с космического спутника, но также применимы к хранению химических веществ и фазовых переходов. Перепечатано из Zhang et al .[3] с разрешения Elsevier.

2.3 Контроль температуры

Третью область применения, регулирование температуры, лучше всего выполнять с помощью тепловых трубок с переменной проводимостью (VCHP). Этот тип может использоваться для точного контроля температуры устройств, установленных на секции испарителя с тепловой трубкой. Это достигается за счет управления количеством тепла, отводимого от конденсатора тепловой трубы, путем высвобождения или блокировки внутренней поверхности. Базовая ВЧП показана на рисунке 4.Добавляя активное или пассивное управление с обратной связью, можно точно контролировать скорость отвода тепла. В то время как VCHP нашел свое первое серьезное применение в космических кораблях, теперь он получил широкое распространение во многих более обыденных применениях, начиная от контроля температуры в электронном оборудовании и заканчивая печами и печами.

Рисунок 4.

Базовая ВЧП. В контексте PCM его можно использовать для управления скоростью отвода тепла.

Рисунок 4.

Базовая ВЧП.В контексте PCM его можно использовать для управления скоростью отвода тепла.

2.4 Работа термодиода

Тепловой диод с тепловой трубкой (или термосифоном) имеет ряд специализированных применений, где передача тепла только в одном направлении является обязательным условием. Сохранение вечной мерзлоты — само по себе использование накопления энергии — является классическим примером, признанным в опорных столбах трансаляскинского нефтепровода, но шоссе Тибет – Цинхай — более свежий пример (рис. 5) [3].

Рисунок 5.

Сохранение вечной мерзлоты — в данном случае для предотвращения проседания дороги — будет приобретать все большее значение, поскольку глобальное потепление влияет на «стол» вечной мерзлоты. Перепечатано из Zhang et al. [3] с разрешения Elsevier.

Рисунок 5.

Сохранение вечной мерзлоты — в данном случае для предотвращения проседания дороги — будет приобретать все большее значение, поскольку глобальное потепление влияет на «стол» вечной мерзлоты. Перепечатано из Zhang et al. [3] с разрешения Elsevier.

В хранилище, показанном на Рисунке 6 [4], тепловые трубы (работающие здесь как термосифоны) зимой передают тепло земли в окружающую среду, что замораживает почву. При повышении температуры весной тепло не передается из окружающей среды на землю (термодиод), препятствуя таянию почвы.

Рисунок 6.

Тепловые трубки с тепловым диодом, используемые для поддержания холодильной камеры за счет предотвращения утечки из земли в теплое время года.

Рисунок 6.

Тепловые трубки с тепловым диодом, используемые для поддержания холодильной камеры за счет предотвращения утечки из земли в теплое время года.

Как и любое другое устройство, тепловая труба должна соответствовать ряду критериев, прежде чем она станет полностью приемлемой для использования в домах и на производстве. В контексте аккумулирования тепла аспекты, которые следует учитывать, включают химическую совместимость между стенкой тепловой трубы и накопительным материалом, метод зарядки / разрядки комбинации тепловой трубы / накопителя и ориентацию тепловой трубы — что интересно, в некоторых CSP (концентрированных солнечных батареях). мощность), тепловые трубки работают в разных направлениях, что подразумевает разные обязанности, о которых будет сказано ниже.Как показано на Рисунке 7, диапазон рабочих жидкостей с тепловыми трубками легко совпадает с вероятными температурами, встречающимися в TES.

• Надежный и безопасный с приемлемым сроком службы.

• Обеспечивает требуемую производительность.

• Экономично.

• Простота установки и снятия.

Рис. 7.

Число достоинств (рассчитанное при температуре кипения при атмосферном давлении) для ряда рабочих жидкостей с тепловыми трубками.

Рис. 7.

Число достоинств (рассчитанное при температуре кипения при атмосферном давлении) для ряда рабочих жидкостей с тепловыми трубками.

3 ТЕПЛОВЫЕ ТРУБЫ В СИСТЕМАХ ХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ

По своей природе многие системы аккумулирования энергии должны терять или получать как можно меньше тепла в периоды «неактивности», а также отводить или принимать тепло (или «охлаждение») с заданной скоростью, некоторые из которых могут быть довольно высокими, когда требуется для активного функционирования. Природа химикатов, используемых в некоторых носителях для хранения с фазовым переходом, в частности их низкая теплопроводность, дает тепловым трубам возможность повысить производительность, хотя необходимо позаботиться о том, чтобы «отключить» тепловую трубку, когда теплопередача не требуется.Одним из «накопителей» ощутимого тепла, который значительно выиграл от тепловых труб, является земля. Использование земли в качестве источника тепла или радиатора — хорошо известное пользователям тепловых насосов — для удаления льда с дорог с помощью тепловых труб и, как обсуждается ниже, в качестве явного радиатора для управления тепловым режимом подземных поездов. Пример использования на земле, приведенный на Рисунке 5, — это тот, где отключение тепловой трубы имеет важное значение при высоких температурах окружающей среды. Это было одно из первых применений тепловых трубок массового производства.

Тепловые трубки широко используются в различных системах хранения энергии.Они подходят для систем аккумулирования тепла, в частности, для передачи и отвода тепла из-за их высокой эффективной теплопроводности и пассивной работы. В качестве помощи для температурного расслоения в резервуарах для хранения горячей воды, для их включения в хранилища тепла или «холода» с использованием PCM, уникальные свойства тепловых труб могут позволить системам работать таким образом, который обычно невозможен с использованием обычных теплообменников. Аспект безопасности тепловых трубок из-за наличия двух стенок между испарителем и конденсатором также способствует их использованию для отвода тепла от хранилищ ядерного топлива и самих реакторов.

3.1 Зачем использовать тепловые трубы в системах накопления энергии

Ограничения некоторых систем аккумулирования тепла, будь то для аккумулирования тепла или «холода», как правило, сильно зависят от свойств используемого теплоносителя, таких как удельная или скрытая теплота, плотность и теплопроводность. На эту тему было написано множество отличных обзоров, например, Dincer and Rosen [5] и Zalba et al . [6]. Стоимость сильно зависит от выбора носителя для хранения данных, и, к сожалению, недорогие материалы, как правило, требуют наибольшего объема хранения на ватт-час сохраненного тепла.Материалы, которые претерпевают фазовый переход, выделяя скрытую теплоту — как в тепловой трубе, но в данном случае обычно переходят из твердого состояния в жидкое — как правило, имеют наименьшие объемы хранения, но, как правило, более дороги и могут потребовать специальных герметизирующих материалов. , из-за коррозии или токсичности. Это может быть ограничивающим фактором, например, в жилых зданиях.

Хотя тепло может накапливаться при любой температуре от чуть выше температуры окружающей среды до выше 1000 ° C, для хранения «холода» в системах кондиционирования воздуха — важная возможность экономии энергии, диапазон температур более скромен.Можно ожидать, что носитель данных будет работать в основном в диапазоне от -10 до + 25 ° C. Хотя использование тепловых трубок для хранения при криогенных температурах менее известно, нет причин, по которым нельзя использовать тепловые трубки, использующие, например, азот в качестве рабочей жидкости.

Основным недостатком многих потенциальных кандидатов для аккумулирования тепла является низкая теплопроводность, в какой бы фазе они ни находились. Это, конечно, можно преодолеть «возбуждением» среды накопления — псевдоожижением, перекачкой или другой формой активного усиления (возможно, микроволн ).Именно роль тепловых труб (и других «усовершенствованных» устройств теплопередачи, таких как компактные ребристые сборки) позволила практическому использованию систем аккумулирования тепла распространиться на области, где ограничения на внутреннюю проводимость снижали производительность в прошлом. Часто тепловая трубка имеет решающее значение для успешной работы агрегата как в режиме зарядки, так и в режиме разряда. В ряде приложений он дополнительно позволяет разрабатывать компактный модульный блок и помогает обеспечить отделение реактивных носителей информации от занятых пространств, что является важным фактором здоровья и безопасности — не только для ядерных складов!

Выгода, которую тепловая труба может дать простому накопителю, проиллюстрирована на примере ниже.Трехмерная (3D) модель была создана, как показано на рисунке 8. Медь была выбрана в качестве материала для контейнера и ребер. Вертикальное расположение выбрано таким образом, чтобы предотвратить любое изменение объема во время плавления для PCM, которое составляет ~ 15% V / V _s . Модель включает в себя множество интерфейсов связанных сеток для передачи тепла. Все другие неуказанные поверхности, такие как внешняя стенка контейнера, считаются адиабатическими. Размеры цилиндрического контейнера ПКМ: внутренний диаметр (ID) 100 мм и высота ( H ) 200 мм.Внутренние ребра погружены в PCM, тогда как внешние ребра подвергаются воздействию воздуха для охлаждения расплавленного PCM. Изучались два случая охлаждения: естественная конвекция и принудительная конвекция.

Рисунок 8.

Конфигурация контейнера из ПКМ (с использованием эритрита в качестве ПКМ) с ребрами для облегчения теплопередачи через сыпучий материал и из него. ( a ) Вид профиля, показывающий основные размеры, и ( b ) изометрический вид, показывающий конфигурации ребер. Примечание: внутренние плавники имеют такие же размеры, как и внешние.

Рисунок 8.

Конфигурация контейнера из ПКМ (с использованием эритрита в качестве ПКМ) с ребрами для облегчения теплопередачи через сыпучий материал и из него. ( a ) Вид профиля, показывающий основные размеры, и ( b ) изометрический вид, показывающий конфигурации ребер. Примечание: внутренние плавники имеют такие же размеры, как и внешние.

Была разработана другая конфигурация, использующая тепловую трубку (рис. 9). Диаметр 12,7 мм. тепловая трубка предназначена для транспортировки 100 Вт (номинальная) при 118 ° C, температуре плавления PCM, относительно низком значении мощности, просто для сравнения с конфигурацией без тепловых труб.Тепловая труба моделируется как сплошной медный стержень с теплопроводностью 6000 Вт / м · К, что соответствует примеру из литературы [5]. Для сравнения: медь имеет теплопроводность 384,7 Вт / м К.

Рис. 9.

Добавление тепловой трубы (работающей в режиме «термосифон») для улучшения теплопередачи вдоль ребристой секции вне контейнера ПКМ.

Рис. 9.

Добавление тепловой трубы (работающей в режиме «термосифон») для улучшения теплопередачи вдоль ребристой секции вне контейнера ПКМ.

На рисунке 10 показано затвердевание PCM с естественным и принудительным конвекционным охлаждением ребер над контейнером, с тепловой трубкой и без нее. Случаи естественной конвекции показывают посредственные результаты по сравнению со случаями принудительной конвекции для обеих конфигураций. Для естественной конвекции время полного затвердевания составляет 16,85 и 12,00 ч для конфигураций без тепловых трубок и тепловых трубок, соответственно. Для принудительной конвекции время полного затвердевания составляет 6,47 ч для нетепловой трубы и 2 часа.71 ч для конфигураций с тепловыми трубками соответственно. Следовательно, как при естественной, так и при принудительной конвекции встраивание тепловой трубки, которая является пассивным методом улучшения, является отличным способом достижения быстрого охлаждения PCM. Имейте в виду, что смоделированная тепловая трубка имеет низкое значение мощности при 100 Вт. Увеличение ее диаметра с нынешнего значения 12,7 мм (0,5 ″), например, 25,4 мм (1,0 ″) увеличит мощность тепловой трубки и, следовательно, может еще больше уменьшить время затвердевания. Кроме того, номинальные значения подводимого коэффициента теплопередачи: 10 и 100 Вт / м ² K для естественной и принудительной конвекции соответственно являются консервативными.

Рис. 10.

Скорость затвердевания PCM с тепловой трубкой и без нее.

Рис. 10.

Скорость затвердевания PCM с тепловой трубкой и без нее.

Преимущества встраивания тепловой трубы можно увидеть на Рисунке 11, где показаны случаи принудительной конвекции. Одно из его преимуществ — изотермизация. Снимок сделан с момента начала полного затвердевания. Можно видеть, что температурный градиент внутри PCM является наибольшим без тепловой трубы (A — раздел 2) по сравнению с конфигурацией тепловой трубы (B — раздел 4).Открытые внешние ребра также показывают разницу температурного градиента между двумя конфигурациями — Разделы 1 и 3. Температурный градиент возникает из-за конвективной теплопередачи внутри PCM, поэтому тепловая трубка способствует этому режиму теплопередачи, отводя тепло от горячего пятна в холодные точки более эффективно.

Рисунок 11.

Снимок температуры PCM и внешних ребер.

Рис. 11.

Снимок температуры PCM и внешних ребер.

Большая часть приложений PCM, в которых используются тепловые трубки, работают таким же образом.

Кроме того, носитель данных не обязательно должен быть PCM, чтобы получить выгоду от использования тепловых трубок и термосифонов — ранний пример использования твердого накопителя описан ниже.

4 ПРИМЕРЫ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ В ТЕРМИЧЕСКИХ МАГАЗИНАХ

4.1 Тепловые трубки в накопителях явного тепла

Одним из наиболее распространенных применений тепловых трубок, связанных с накоплением, является поглощение солнечной энергии и передача ее воде, статической или проточной.Солнечные коллекторы с тепловыми трубками производятся несколькими производителями. Эта концепция описана в одной из ранних форм Азадом и др. . [7]. Использование индивидуальных тепловых трубок, соединяющихся с накопителями воды, также упоминается Поласеком [8].

Работа над тепловыми трубками и их наземным применением в бывшем Советском Союзе (БСС) была, а в некоторых странах СНГ продолжает быть, возможно, более плодотворной, чем где-либо еще в мире. Одной из лабораторий, наиболее активно работающих в таких областях, является Институт тепло- и массообмена им. Луйкова в Минске, Беларусь.Много лет назад Васильев [9] и его команда (см., Например, Caruso и др. . [10]) исследовали характеристики накопителя тепла, в котором для передачи тепла в накопитель и из него использовались горизонтальные тепловые трубы. Магазин был заполнен сухим песком или галькой, которые использовались в домах и теплицах, часто располагались под зданием для улавливания солнечного тепла или тепла в теплом воздухе или теплой воде. Было обнаружено, что тепловые трубки являются эффективным способом передачи тепла как во время зарядки, так и во время разрядки. Средняя передача энергии по трубам составляла 200 Вт · ч / м, а резервуар размером 6 × 5 × 2 м имел 10 тепловых трубок длиной 6 м, расположенных на расстоянии 1 м друг от друга.Каждый интервал разряда давал ~ 100 Вт на трубу.

Вторая система, разработанная в Беларуси [9], проиллюстрированная на Рисунке 12, использовала электрические нагревательные элементы, использующие «внепиковое» электричество, для повышения температуры накопительных кирпичей внутри блока примерно до 500 ° C. Тепловые трубы с испарительными секциями в нижней половине блока и конденсаторами в центральной оребренной секции над ядром позволяли отвод тепла в течение 24–48 часов, с усилением, обеспечиваемым теплопередачей с помощью вентилятора. .На верхней диаграмме показаны «внутренние компоненты» — тепловые трубки, контроллер и ребристый радиатор.

Рисунок 12.

Кирпичный радиатор накопителя, разработанный Леонардом Васильевым и его коллегами из Минска. Перепечатано из Васильева [9] с разрешения Elsevier.

Рисунок 12.

Кирпичный радиатор накопителя, разработанный Леонардом Васильевым и его коллегами из Минска. Перепечатано из Васильева [9] с разрешения Elsevier.

4.1.1 Конструкции туннелей и земля как «поглотитель» или хранилище

Система лондонского метрополитена — «труба» — была спроектирована и в значительной степени построена в викторианскую эпоху. Во многих случаях туннели бывают глубокими и небольшими в диаметре, пассажиропоток увеличивается, а современные системы кондиционирования воздуха используются редко — фактически, подземное кондиционирование воздуха, конечно, может приводить к локальному притоку тепла в зависимости от расположения конденсатора. Транспортное управление города Нью-Йорка подсчитало, что при эксплуатации подземных железнодорожных систем может выделяться достаточно тепла, чтобы поднять температуру в туннеле и на станции на 8–11 К выше температуры окружающей среды.В Лондоне, где температура окружающей среды может достигать 30 ° C и более, в некоторых поездах зафиксирована температура выше 37 ° C, что затрудняет достижение комфорта пассажиров.

Лондонский университет Саут-Бэнк (LSBU) [11] определил тепловые трубы как один из вариантов отвода тепла из туннелей. Конструкция туннеля и окружающая земля имеют тенденцию оказывать сдерживающее влияние на температуру воздуха в подземных железных дорогах, принимая или отводя тепло, в зависимости от температуры воздуха в туннелях. Это называется «эффектом туннельного теплоотвода», и специалисты LSBU исследовали способы улучшения этого эффекта, включая использование тепловых трубок.

Тепловые трубки могут усилить эффект теплоотвода через туннель за счет изменения теплопроводности земли, окружающей туннель, аналогично влиянию на накопители явного тепла других типов. Было продемонстрировано, что если увеличить теплопроводность земли на порядок с 5 до 50 Вт / м · К, то температуру в туннеле и вагонах можно снизить на 12%. Данные показывают, что на 1 км потребуется 2500 единиц мощностью 130 Вт каждая. Исследовательская группа отметила, что установка и работа тепловых труб не должны влиять на целостность конструкции туннеля.

4.2 Тепловые трубки в накопителях с фазовым переходом (с использованием PCM)

Использование PCM, как однофазных носителей информации, сталкивается с проблемами, связанными с плохой теплопроводностью и уникальными профилями замораживания и плавления. Некоторые лаборатории использовали металлическую фольгу, такую ​​как изображенная на рисунке 13, пенопласт (см. Рисунок 14) и компактные конструкции теплообменника для улучшения теплопередачи в PCM. Логическим развитием является внедрение тепловых трубок в PCM по причинам, обсуждаемым в разделе 3.1.

Рис. 13.

Расширенная металлическая структура, исследованная на предмет повышения теплопроводности ПКМ [12].

Рис. 13.

Расширенная металлическая структура, исследованная на предмет повышения теплопроводности PCM [12].

Рис. 14.

Металлическая пена, которая используется для улучшения характеристик PCM.

Рис. 14.

Металлическая пена, которая используется для повышения производительности PCM.

Одно из первых исследований тепловых трубок в ПКМ было проведено в 1980-х годах, когда Ли и Ву [13] исследовали влияние на теплопередачу.Это исследование, проведенное в Университете Оттавы, было основано на парафиновом воске в качестве PCM (вариант воска — Sun P-116). Для отвода тепла использовался водяной термосифон.

4.2.1 Тепловая трубка в пассивной системе охлаждения для снижения нагрузки на систему кондиционирования воздуха

Система, основанная на использовании тепловых трубок для передачи тепла внутрь и из PCM (от и к окружающему воздуху, соответственно), была разработана в течение нескольких лет в Ноттингемском университете в Великобритании группой под руководством Дэвида Этериджа. .Это иллюстрирует базовое применение тепловых трубок для повышения теплопроводности PCM.

Работа этой системы, усовершенствованной совместно с поставщиками PCM и тепловых трубок, а также установщиком, сравнительно проста. Ночью холодный воздух используется для «замораживания» PCM, а в течение дня из комнатного воздуха отбирается тепло, которое «плавит» PCM. Этот цикл повторяется ежедневно. Важнейшим процессом является передача тепла между воздухом и PCM. Коэффициенты теплопередачи должны быть высокими, поскольку разница температур между воздухом и PCM невелика, обычно <6 ° C.

Как подчеркивалось выше, основная проблема заключается в достижении достаточной теплопередачи в (и из) ПКМ, потому что материал, по сути, ведет себя как твердое тело, а проводимость является, по крайней мере, для большей части цикла, основным механизмом передачи — как и большинство накопителей ощутимого тепла. Более того, прямой контакт между воздухом и PCM нежелателен из-за запахов и предполагаемой опасности для здоровья. Принятый подход заключался в использовании тепловой трубы для обеспечения косвенного, но эффективного пути теплопередачи между воздухом и PCM с принудительной конвекцией в воздушной зоне.Это позволяет поместить ПКМ в жесткий герметичный контейнер.

Таким образом, единый модуль представляет собой контейнер из ПКМ, в который заделана половина тепловой трубки [14]. Другая половина трубы подвергается воздействию воздуха. Обе половины трубы снабжены оребренными теплообменниками. Направление теплового потока меняется от дня к ночи, поэтому тепловая трубка рассчитана на реверсивный режим работы и устанавливается горизонтально.

Гидратированная глауберова соль была основным материалом, с бурой в качестве добавки для получения требуемого диапазона температур перехода (номинально 21–23 ° C).Скрытая теплоемкость 198 кДж / кг, плотность 1480 кг / м ³ . Объем модуля PCM составил 7,8 л, что соответствует емкости хранения скрытой теплоты 0,64 кВтч на модуль.

Модули устанавливаются в напольный блок, который подходит для установки как в новых, так и в существующих зданиях. В каждом блоке использовалось семь модулей, что давало скрытую холодопроизводительность 4,4 кВтч, например. 500 Вт охлаждения за 8 ч. В блоке также находится вентилятор. На рисунке 15 показана установка на одном из двух тестовых участков.Вентилятор установлен по центру и нагнетает воздух по тепловым трубкам. Ночью воздух втягивается через воздуховод, соединенный с оконной форточкой с электроприводом. В течение дня вентиляционное отверстие закрыто, и воздух забирается прямо из помещения через открытую заслонку (также с электроприводом).

Рисунок 15.

Комнатный холодильный агрегат PCM, установленный в Ноттингемском университете [14].

Рисунок 15.

Комнатный холодильный агрегат PCM, установленный в Ноттингемском университете [14].

В ходе полевых испытаний было обнаружено, что система способна поддерживать контроль над температурой в помещении и может быстро реагировать на изменения притока тепла. В частности, высокая теплоемкость PCM и эффективная теплопередача системы позволили контролировать температуру в помещении на постоянном уровне так же, как и в системе кондиционирования воздуха. Это было признано очень впечатляющим для того, что по сути является пассивной системой. При одном только принудительном ночном охлаждении температура в помещении продолжала бы расти, что привело бы к повышению максимальной температуры на 2 ° C или 3 ° C.При только естественном ночном охлаждении ткани комнаты подъем, безусловно, был бы еще выше.

4.2.2 Управление ПКМ через ВЧП: ТЭЦ

Как показано на Рисунке 4, VCHP можно использовать для управления скоростью отвода тепла от теплового накопителя. Хуанфу и др. . [15] в Шанхайском университете Цзяо Тонг впервые предложили VCHP в сочетании с когенерационной установкой для доставки тепла потребителям с использованием тепла, вырабатываемого двигателем внутреннего сгорания (Рисунок 16).Испаритель с тепловой трубкой получает тепло от двигателя, в то время как конденсатор имеет регулируемый объем с использованием переднего положения инертного газа для управления подачей тепла пользователям или градирне. Даже базовые ВТЭЦ в определенной степени саморегулируются, и по мере увеличения отпуска тепла потребители могут потреблять больше, а градирня может справиться с любым излишком. Если двигатель работает на значительно пониженной мощности, тепловая мощность существенно снижается из-за увеличения объема инертного газа.

Рисунок 16.

Концепция ВТЭЦ, используемая для управления тепловой мощностью от когенерационной установки [15]. Перепечатано из Huangfu et al . [15], с разрешения Elsevier.

Рисунок 16.

Концепция VCHP, используемая для управления тепловой мощностью от когенерационной установки [15]. Перепечатано из Huangfu et al . [15], с разрешения Elsevier.

В рамках проекта, предоставленного SES Ltd в Великобритании в рамках программы финансирования Совета по технологической стратегии, производная от вышеуказанного строится для блока комбинированного производства тепла и электроэнергии (mCHP).В этом блоке давление в VCHP может изменяться с помощью метода активного управления с обратной связью в ответ на потребность в отоплении дома, а компактный тепловой аккумулятор PCM охватывает испаритель, питаемый отходящим теплом двигателя. Изменения давления инертного газа используются для плавного и непрерывного регулирования площади поверхности теплообмена (и, следовательно, мощности) бытовой системы отопления, в то время как тепловой накопитель PCM используется для управления доступностью этого тепла в течение длительного периода времени. Хотя предложение ориентировано на применение мТЭЦ в бытовом масштабе, концепция в равной степени применима к более крупным коммерческим теплоэлектростанциям.Вклад Нортумбрийского университета заключается в разработке имитационной модели блока mCHP и VCHP и использовании этой модели для проектирования экспериментальной экспериментальной установки в масштабах страны. Пилотная установка будет построена в лаборатории низкоуглеродных систем Нортумбрии с использованием существующего модуля мТЭЦ цикла Стирлинга. Блок VCHP будет построен сотрудниками в соответствии со спецификацией размеров, разработанной с помощью имитационной модели. Нортумбрия проведет серию экспериментов с тепловыми потребностями, соответствующими типичным домашним отопительным нагрузкам — как зимой (отопление помещений и горячая вода), так и летом (только горячая вода).Намерение состоит в том, чтобы довести исследование только до стадии подтверждения концепции. Дальнейшее применение имитационной модели будет использоваться для проектирования вариантов системы для ряда типов домов с разной заполняемостью и потребностями в отоплении. Результаты будут представлены в качестве основы для возможного прототипирования и демонстрации в полевых условиях [16].

4.2.3 Изотермализация: изучение космических технологий

Изотермизация спутниковых структур была проиллюстрирована в разделе 2.На рисунке 17 сотовая структура (которая, конечно же, может быть пеной), образующая часть спутника, имеет четыре окружных тепловых трубки, встроенных в нее, чтобы минимизировать скачки температуры и любую возможную деформацию.

Рисунок 17.

Пористая сотовая структура с кольцевыми тепловыми трубками для изотермизации [17]. Перепечатано из Reay and Harvey [17]. Роль тепловых труб в интенсификации работы агрегата, стр. 147–153, 2013 г. с разрешения Elsevier.

Рисунок 17.

Пористая сотовая структура с кольцевыми тепловыми трубками для изотермизации [17]. Перепечатано из Reay and Harvey [17]. Роль тепловых труб в интенсификации работы агрегата, стр. 147–153, 2013 г. с разрешения Elsevier.

Это аналогично тому, что может произойти в химической реакции — примером могут служить системы аккумулирования тепла на основе гидридов металлов, в которых для управления зарядкой водорода, которая является экзотермической реакцией, требующей быстрого и идеально равномерного отвода тепла, могут быть преимущества тепловых труб [17]. .

4.2.4 PCM в псевдоожиженном или инкапсулированном виде

Все чаще ПКМ инкапсулируют в полимеры и другие материалы для увеличения мобильности и улучшения теплопередачи. Их можно перекачивать или флюидизировать, чтобы улучшить конвективную теплопередачу. Смеситель с тепловыми трубками, показанный на Рисунке 18. Первоначально разработанный для пищевой промышленности, где часто требуется охлаждение или нагрев вязких пищевых продуктов, устройство может смешивать капсулы из PCM, а также передавать тепло в них или из них. эффективно «перемешивать» капсулы внутри трубки, в то же время эффективно отводя тепло внешнему потоку жидкости (или, наоборот, добавляя тепло к PCM).

Рис. 18.

Герметичный смеситель / устройство теплопередачи из PCM на основе тепловых трубок.

Рис. 18.

Герметичный смеситель / устройство теплопередачи из PCM на основе тепловых трубок.

5 МОЖЕТ ЛИ ПОМОЩЬ ПРОИЗВОДСТВУ ДОБАВОК В ОПТИМИЗАЦИИ НОВЫХ КОНЦЕПЦИЙ?

Аддитивное производство (AM) (также известное как 3D-печать или быстрое прототипирование) — это метод сборки, который позволяет изготавливать компоненты из полимеров и металлов в формах, невозможных с помощью традиционных процессов литья или механической обработки.Теплообменник, показанный на рисунке 19, например, было бы невозможно отлить, и AM в этом случае позволила изготавливать компактный металлический теплообменник с улучшенными внутренними и внешними поверхностями.

Рис. 19.

Компактный теплообменник от Within Lab производства AM [18] был любезно предоставлен компанией Within Laboratories.

Рис. 19.

Компактный теплообменник от Within Lab производства AM [18] был любезно предоставлен компанией Within Laboratories.

Рисунок 20.

Процесс изготовления и результат изготовления тепловых трубок с использованием AM [19]. Перепечатано из Ameli et al . [19], с разрешения Elsevier.

Рисунок 20.

Процедура изготовления и результат изготовления тепловых трубок с использованием AM [19]. Перепечатано из Ameli et al . [19], с разрешения Elsevier.

Совсем недавно Thermacore, производитель тепловых трубок, совместно с университетами Ливерпуля и Нортумбрии в Великобритании успешно изготовили тепловые трубки из алюминия с использованием AM (рис. 20).

Предназначенные для использования в космических кораблях, эти легкие блоки уникальны тем, что стенка и фитиль — капиллярная структура, необходимая для переноса жидкости из конденсатора в испаритель — были собраны вместе с торцевой крышкой, что эффективно полностью объединяет их и сводит к минимуму тепловое сопротивление. Следовательно, можно встроить тепловые трубки в контейнер для хранения таким образом, чтобы улучшающая структура (например, пена) и система терморегулирования — тепловые трубки — имели идеальный тепловой контакт и были оптимизированы для желаемых характеристик цикла хранения.Таким образом можно было собрать такие элементы, как металлические радиаторы накопителей, а также конструкции для зарядки ПКМ.

5.1 Следующий шаг: 3D-печатный PCM

В исследовании, проведенном в Университете Хериот-Ватт, Эдинбург [20], изучается использование металлических ПКМ для улучшения характеристик химических реакторов Фишера-Тропша (F-T), которые используются для преобразования газа в жидкости на углеводородной основе. Компактные реакторы F – T подобны очень компактным теплообменникам. Можно было бы рассмотреть более эффективные реакторы F – T, собранные с использованием AM, но в то же время включающие в себя металлический PCM в оптимальных местах, которые можно было бы смоделировать ранее, чтобы получить идеальную кинетику реакции.

6 ВЫВОДЫ

TES приобретает все большее значение в целом ряде секторов — от промышленности до транспорта и дома. Основные характеристики тепловой трубки и термосифона — в основном связанные с их высокой эффективной теплопроводностью — могут улучшить характеристики накопителя тепла, что не всегда возможно с другими методами улучшения.

Новые методы производства, в частности AM, в конечном итоге могут позволить изготавливать некоторые материалы для хранения внутри оптимизированных поверхностей теплопередачи способом, который в настоящее время невозможен.

БЛАГОДАРНОСТИ

D.R. признателен Ахмаду Мустаффару из Университета Ньюкасла за подготовку сравнительного анализа теплопередачи от PCM с использованием только тепловой трубы и / или ребер, а также за данные по улучшению PCM.

ССЫЛКИ

1

.

Тепловые трубы: теория, конструкция и применение

, 6 изд.

Butterworh Heinemann

,

2014

,2

et al.

Тепловая трубка с PCM для электронного охлаждения

.

Appl Energy

2011

;

88

:

1825

—

33

,3

и др. . Численное исследование характеристик охлаждения двухфазной замкнутой термосифонной насыпи в районах вечной мерзлоты

.

Cold Reg Sci Technol

2011

;

65

:

203

—

10

,4

et al.

Разработка искусственного хранилища вечной мерзлоты с использованием тепловых труб, доклад № 89-HT-15, Национальная конференция по теплообмену ASME / AIChE

.

Филадельфия, Пенсильвания

,

1989

,5

.

Накопители тепловой энергии — системы и приложения

. 2-е изд.

John Wiley & Sons

,

2010

,6

et al.

Обзор накопления тепловой энергии с использованием материалов с фазовым переходом, анализа теплопередачи и приложений

.

Appl Therm Eng

2003

;

23

:

251

—

83

,7

.

Солнечный водонагреватель с гравитационной тепловой трубкой

.

Тепловая Реков Сист ТЭЦ

1987

;

7

:

343

—

50

,8

.

Исследования и разработки тепловых труб в странах Восточной Европы

.

Тепло Реков Сист ТЭЦ

1989

;

9

:

3

—

18

,9

.

Исследования и разработки тепловых труб в СССР

.

Тепло Реков Сист ТЭЦ

1989

;

9

:

313

—

33

.10

и др.

Мощность аккумулирования тепла с помощью тепловых трубок

.

Тепло Реков Сист ТЭЦ

1989

;

9

:

407

—

10

.12

.

Плавление материала с фазовым переходом при помощи просечно-вытяжной металлической сетки

.

Appl Therm Eng

()

2015

,13

.

Характеристики теплоотдачи затвердевания при наличии двухфазных замкнутых термосифонов в системах хранения скрытой тепловой энергии

. В:

Труды 6-й Международной конференции по тепловым трубам

.

25–29 мая

,

Гренобль

,

1987

.14

.

Новая система вентиляции и охлаждения для снижения кондиционирования воздуха в зданиях. Часть 1: тестирование и теоретическое моделирование

.

Appl Therm Eng

2000

;

20

:

1019

—

37

0,15

и др.

Разработка экспериментального образца интегрированного терморегулятора для когенерационных систем на базе двигателей внутреннего сгорания

.

Appl Energy

2007

;

84

:

1356

—

73

.16

Новая тепловая трубка с переменной проводимостью, соединенная с двигателем Стирлинга

. . () .17

.

Роль тепловых труб в интенсификации работы агрегата

.

Appl Therm Eng

2013

;

57

:

147

—

53

.18

Компания по производству аддитивов.

,19

и др.

Новый метод производства алюминиевых тепловых трубок (SAHP)

.

Appl Therm Eng

2013

;

52

:

498

—

504

,20

.

Стабилизация температуры в реакторах Фишера – Тропша с использованием материалов с фазовым переходом

. В:

Презентация на 22-м заседании Сети по интенсификации процессов

. . ().

© Автор, 2015. Опубликовано Oxford University Press.

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями некоммерческой лицензии Creative Commons Attribution (http: // creativecommons.org / licenses / by-nc / 4.0 /), который разрешает некоммерческое повторное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии правильного цитирования оригинальной работы. По вопросам коммерческого повторного использования обращайтесь по адресу [email protected]

.

Высокоэффективная технология аккумулирования и отвода тепла

Chanwoo Park
Advanced Cooling Technologies, Inc.,
1046 New Holland Avenue, Lancaster, PA 17601

Кванг Дж. Ким
Лаборатория активных материалов и обработки
Машиностроение, Университет Невады, Рино, Невада 89557
Джозеф Готчлих и Куинн Леланд
Исследовательская лаборатория ВВС, WPAFB, Дейтон, Огайо

РЕФЕРАТ

Мощные твердотельные лазерные системы, работающие в импульсном режиме, отводят переходные процессы и чрезмерно большие отходы тепла от массивов лазерных диодов и усиливают материал.Вариант накопления тепла с использованием материалов с фазовым переходом (PCM) был рассмотрен для управления такими пиковыми тепловыми нагрузками, не полагаясь на слишком большие системы для охлаждения в реальном времени. Однако системы аккумулирования тепла из ПКМ страдают из-за низкой плотности аккумулирования тепла и плохой теплопроводности обычных ПКМ, вследствие чего требуются большие объемы ПКМ, заключенные в теплопроводники, такие как алюминий или пенографит.

Мы разработали высокоэффективную систему аккумулирования тепла на основе гидрида металла для эффективного и пассивного сбора, хранения, транспортировки и рассеивания переходного теплового потока с высоким тепловым потоком от мощных твердотельных лазерных систем.Большая объемная теплоемкость гидридов металлов, чем у обычных PCM, может быть преобразована в очень компактные системы с более короткими путями теплопередачи и, следовательно, меньшим тепловым сопротивлением. Другие исключительные свойства металлогидридных материалов заключаются в быстром тепловом отклике и активной охлаждающей способности, необходимой для точного контроля температуры и кратковременного охлаждения с высоким тепловым потоком.

В этой статье обсуждаются принцип работы и результаты теплоаккумулирующей системы металлогидридной системы аккумулирования тепла посредством анализа системы и тестирования прототипа.Результаты показали превосходные характеристики аккумулирования тепла металлогидридной системой по сравнению с традиционной системой PCM с точки зрения температурного отклонения и требований к объему системы.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: аккумулирование тепла, металлогидрид, материал с фазовым переходом (PCM), твердотельный лазер, охлаждение, тепловая трубка, оружие направленной энергии (DEW)

---

ВВЕДЕНИЕ

Металлогидридная система аккумулирования тепла, интегрированная с тепловой трубкой, была разработана для эффективного и пассивного сбора, хранения и рассеивания переходного теплового потока с высоким тепловым потоком от мощных твердотельных лазерных систем [Park, 2005].Материал для усиления многокиловаттного твердотельного лазера может рассеивать отходящее тепло с высоким тепловым потоком, превышающим 100 Вт / см², на большой площади до 100 см² во время генерации. Для отвода такого кратковременного тепла в режиме реального времени потребуются системы охлаждения большого размера, которые могут оказаться недоступными для многих приложений. Таким образом, системы аккумулирования тепла, которые сохраняют пиковое количество тепла и усредняют охлаждающие нагрузки в реальном времени, значительно помогают уменьшить громоздкую систему охлаждения.

Системы аккумулирования тепла с использованием обычных PCM, таких как парафиновые воски, были рассмотрены для временного аккумулирования тепла и управления температурным режимом [Vrable and Yerkes, 1998; Шанмугасундарам и др.др., 1997; Chow et. др., 1996]. Низкая плотность аккумулирования тепла и плохая теплопроводность обычных ПКМ делают вариант аккумулирования тепла непривлекательным из-за требований к большому объему ПКМ и необходимого улучшения теплопередачи с использованием экзотических материалов-хозяев. Напротив, гидриды металлов обладают большей объемной теплоемкостью по сравнению с ПКМ. Например, Ca _0,2 M _0,8 Ni ₅ , обычный гидрид, имеет плотность хранения тепла 853,3 МДж / м³ в исходных условиях [Huston and Sandrock, 1980], в то время как парафин (Calwax 130) общий органический PCM имеет теплоаккумулирующую способность 177.5 МДж / м³ [Аль-Халладж и Селман, 2000]. Более высокая плотность аккумулирования тепла металлогидридными материалами может быть напрямую преобразована в более компактные системы с более короткими путями теплопередачи, что позволяет точно контролировать температурный скачок для термочувствительных систем.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Гидриды металлов представляют собой бинарную комбинацию водорода и металла или металлического сплава. Гидриды металлов использовались во многих промышленных приложениях, таких как материал электродов батареи, среда для хранения водорода и в различных тепловых системах [Kang et.др., 1996, 1994; Фатеев и др. др., 1996; Park et. др., 1995; Ллойд и др., 1998; Kim et. др., 1998a, 1998b, 1998c; Хьюстон и Санрок, 1980; Шахинпур и Ким, 2002]. Реакции гидрирования (экзотермические) и дегидрирования (эндотермические) гидрида металла могут быть выражены как

, где M — металл (или металлический сплав), x — нестехиометрическая константа, а ∆H _f — теплота образования гидрида. Обратите внимание, что гидриды металлов способны хранить количество газообразного водорода (STP), примерно в 1000 раз превышающее их собственный объем.Реакция гидрирования / дегидрирования имеет быструю кинетику, экологически чиста и безопасна.

На рисунках 1 (a) и (b) показаны кривые давление-концентрация водорода и температура ( p -H / MT) для обычного металлогидрида LaNi5H6 и графики Вант-Хоффа для различных промышленных гидридов [Houston and Sandrock , 1980] соответственно. Кривые p-H / M-T и графики Вант-Гоффа содержат ключевую термодинамическую информацию, необходимую для проектирования любых металлогидридных устройств и систем.

Как показано на рисунке 1 (а), водород растворяется в твердой решетке металлического сплава с образованием конденсированных гидридных фаз по кривой изотермы поглощения.Весь межузельный водород химически связан в твердой решетке. Конечные точки, H / M _α и H / M _β , называются фазовыми пределами области плато. Изотерма дает абсолютное равновесное давление как функцию концентрации водорода в сплаве, H / M (H = атом водорода и M = атом металла). Изотерма дегидрирования (десорбции) обычно находится немного ниже изотермы гидрирования из-за гистерезиса. Гистерезис связан с безвозвратной потерей энергии, связанной с изменением объема материала гидрида металла во время реакций, хотя реакции гидрирования / дегидрирования обычно считаются обратимыми процессами.

На рис. 1 (b) показаны графики Вант-Гоффа для коммерчески доступных гидридов металлов. Каждая линия описывает равновесное поведение гидрида металла в средней точке плато изотермы десорбции, а равновесное поведение выражается следующим образом:

где R — универсальная газовая постоянная (8,314 кДж / кгмоль-K), T — температура (K), ∆H f — теплота образования (кДж / ч ₂ -кгмоль) и f ∆S — стандартная энтропия образования (кДж / ч ₂ -кгмоль-К).На рисунке в интересующем температурном диапазоне (10 ~ 50 ° C) для охлаждения твердотельным лазером имеются различные гидриды, доступные от Ca _0,2 M _0,8 Ni ₅ при более высоких давлениях до Fe _0,8. Ni _0,2 Ti при более низких давлениях.

Рис. 1 (а) Кривые давление-H / M-температура для LaNi5H6. (б) графики Ван’т-Гоффа для различных промышленных гидридов [Huston and Sandrock, 1980].

Предлагаемая система аккумулирования и отвода тепла из гидрида металла (заявка на патент подана) проиллюстрирована на Рисунке 2.Он состоит из тепловой трубы (или паровой камеры) и слоя гидрида металла. Модульная конструкция легко масштабируется на источники тепла большей площади, просто увеличивая количество модулей. В твердотельной лазерной системе материал для усиления лазера в форме пластины может рассеивать отходящее тепло более 100 Вт / см² на площади до 100 см² (то есть общая тепловая энергия 10 кВт) в течение 5-минутной генерации. Во время работы лазера температура лазерной пластины должна поддерживаться в пределах максимальных пространственных и временных изменений, чтобы избежать вредных термических напряжений, ведущих к механическому разрушению, и для повышения оптической мощности соответственно.Типичный рабочий цикл лазера для применения оружия направленной энергии (DEW) состоит из двух рабочих режимов: активного периода (генерации или ожидания), такого как 5 минут, и гораздо более длительного периода «регенерации», такого как 90 минут, который зависит от способности отвода тепла. Металлогидридная система может временно сохранять избыточную тепловую нагрузку лазера во время короткой операции аккумулирования тепла и позже рассеивать охлаждающую нагрузку, распределенную в течение длительного периода регенерации, с использованием уменьшенной системы охлаждения.

На рис. 2 (а) показана операция «аккумулирования тепла» металлогидридной системы. Тепловая трубка получает тепловую нагрузку (Q) от источника тепла и переносит большую часть тепловой нагрузки (Q _s ) на слой гидрида металла, где происходит реакция дегидрирования (эндотермическая). Выделившийся газообразный водород во время реакции дегидрирования временно хранится в удаленном контейнере для извлечения водорода во время следующего рабочего цикла. Оставшееся тепло (Q _c ), за исключением накопленного тепла (Q _s ), непрерывно отводится из части секции конденсатора тепловой трубы в конечный теплоотвод с использованием системы отвода тепла посредством излучения или конвекции, в зависимости от приложение.

Во время последующего периода «регенерации», как показано на Рисунке 2 (b), когда тепловая нагрузка прекращается, весь модуль должен быть охлажден для восстановления исходных температурных условий. Охлаждение заставляет гидрид металла повторно абсорбировать выделившийся газообразный водород в результате реакции гидрирования (экзотермической реакции). Регенерация завершает полный цикл. Теперь система готова к следующему рабочему циклу

На Рисунке 3 предложенная концепция аккумулирования тепла была повторно объяснена с использованием кривых давление-H / M-температура.Во время периода «хранения тепла» гидрид металла поглощает тепло от источника тепла и выделяет водород в процессе дегидрирования, начиная с начального состояния (точка A) до конечного состояния (точка B). Во время последующего периода «регенерации» гидрид металла охлаждается системой отвода тепла и поглощает выделяющийся водород, идущий из точки B в точку A. Эта операция является полностью управляемым температурой и почти обратимым процессом. ∆T _MH и ∆p _h3 — это изменения температуры и давления во время цикла аккумулирования тепла соответственно.

Рисунок 2. Принцип работы предлагаемой системы аккумулирования тепла на основе гибридных металлов: (а) аккумулирование тепла и (б) операции регенерации

Рисунок 3. Кривые давление — H / M-температура, поясняющие предлагаемую концепцию.

Предложенная система гидридов металлов адаптировала технику «микрокапсулирования» для увеличения теплопроводности гидридов металлов. Этот метод покрывает порошки гидрида тонким слоем меди и прессует порошки с покрытием в пористые гранулы.На рисунке 4 показана фотография, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа, частиц LaNi ₅ (D _p ~ 40 мкм), заключенных в тонкий слой меди (толщиной ~ 1 мкм) и кольцевую таблетку гидрида металла с использованием покрытых медью гидридов металлов. Краткое описание процесса микрокапсулирования: в первую очередь, гидриды металлов просеиваются до диаметра D _p 25 ~ 40 мкм, а затем микрокапсулируются тонкой медной оболочкой (которая проницаема для газообразного водорода) с использованием химического нанесения покрытия. техника.Затем микрокапсулированные частицы смешивают с небольшим количеством металлических связующих и прессуют в гранулы гидрида металла. В предыдущих экспериментах измерялась теплопроводность этих гранул при температуре от 5 до 7 Вт / м-К, что более чем в 50 раз больше, чем у необработанных слоев порошка
(~ 0,1 Вт / м-К) [Lloyd et al., 1998].

Рис. 4 (a) СЭМ-фотография микрокапсулированного LaNi5 (ясно показана декрепитация LaNi5) [Kim et al., 1998a.] (B) Фотография гранулы гибрида металла (центральное отверстие предназначено для вставки тепловой трубки) [ Парк, 2005]

ИЗУЧЕНИЕ И ОБСУЖДЕНИЕ СИСТЕМЫ

Одним из соображений при проектировании эффективной системы аккумулирования тепла на основе гидрида металла является создание и поддержание благоприятных граничных условий давления водорода во время реакции дегидрирования (эндотермической).Газообразный водород, выделяющийся в течение периода аккумулирования тепла, необходимо удалить из системы аккумулирования тепла в относительно большой контейнер для поддержания активного процесса дегидрирования. В противном случае чрезмерно повышенное давление водорода в системе замедляет реакцию дегидрирования, потребляющую тепло (т.е. эндотермическую реакцию), и в конечном итоге повышает температуру гидрида металла, что приводит к ухудшению получения тепла. Обратите внимание, что, поскольку контейнер для хранения водорода может быть удален от основной системы аккумулирования тепла, как показано на рисунке 2, металлогидридная система может быть спроектирована в очень компактном форм-факторе.Исследование системы с использованием четырех
различных вариантов хранения водорода было кратко обсуждено следующим образом:

Вариант 1: Контейнер с водородом: Как показано на Рисунке 2, во время периода хранения тепла выделяющийся водород хранится в контейнере для хранения водорода. Во время последующей регенерации водород извлекается из водородного резервуара. Хотя этот вариант является наиболее простым и надежным, объем резервуара для водорода может быть относительно большим по сравнению с объемом гидрида металла.Тепловая энергия E _s , запасенная в гидриде металла, определяется количеством выделившегося газообразного водорода n _h3 (H ₂ кгмоль). Поскольку давление в резервуаре с водородом может быть приближено к давлению гидрида металла, предполагая, что газообразный водород хранится в контейнере (V _h3 ) при температуре окружающей среды T∞, запасенная тепловая энергия E _s может быть оценена как

Здесь T _{MH, i} и T _{MH, f} — начальная и конечная температуры металлогидрида во время режима аккумулирования тепла соответственно.p _h3 — изменение давления в резервуаре для хранения водорода (атм). Из уравнения. (3) демонстрируя, что Es линейно пропорционален p _h3 и объему V _h3 резервуара для водорода
, делается вывод, что больший запас тепла для данного объема резервуара для водорода реализуется за счет большего повышения давления водорода p _h3 .

Вариант 2: Отвод / подзарядка водорода: Во время периода аккумулирования тепла выделяющийся водород сбрасывается в окружающую среду или подается в другие системы, которые будут потреблять газообразный водород (например,грамм. топливные элементы). Во время последующей регенерации свежий водород из водородных резервуаров высокого давления (например, 10 000 фунтов на квадратный дюйм) повторно загружается в систему гидрида металла. Емкость перезарядки водородом ограничивает количество рабочих циклов.

Вариант 3: Механическое сжатие: Во время периода хранения тепла выделяющийся водород хранится в водородном контейнере. Во время следующей регенерации используется механический компрессор для возврата водорода обратно в металлогидрид. Эта опция требует источника электроэнергии для работы компрессора.Хотя компрессор может способствовать накоплению водорода во время операции аккумулирования тепла, вибрации компрессора во время генерации можно избежать, если он используется только для регенерации. Требуемый объем будет меньше, чем вариант 1.

Вариант 4: Термическое сжатие с использованием двойных гидридов металлов: в течение периода хранения тепла выделившийся газообразный водород хранится в удаленном вторичном контейнере с гидридом металла, имеющем другой вид гидрида металла, чем основной гидрид металла, который накапливает тепло от источник тепла.Во время последующей регенерации температура вторичного гидрида повышается с помощью внешних нагревательных средств для увеличения давления водорода и возврата водорода к первичному гидриду металла. Для этого варианта требуется источник тепловой энергии (например, электрический нагреватель или отработанное тепло). Однако тепловое сжатие не включает никаких механических движущихся частей, в отличие от механических компрессоров. Требуемый объем будет наименьшим среди вариантов или равным варианту 3.

Вариант 4 подробно обсуждается в следующих параграфах.На рис. 5 показан принцип работы варианта 4 с использованием двойной металлогидридной системы MH _A и MH _B . На рисунке показаны тепловые потоки и потоки водорода между двумя гидридными реакторами. Во время периода «хранения тепла» тепловая нагрузка Q _A , сохраняемая в MH _A , инициирует реакцию дегидрирования (эндотермическую), в результате которой выделяется газообразный водород. В то же время, когда открывается клапан в линии транспортировки водорода, водород, выделяющийся из MH _A , свободно переносится в MH _B из-за разницы давлений между гидридными реакторами.Следовательно, реакция гидрирования (экзотермическая) в MH _B генерирует внутреннее тепло (Q _B ), которое увеличивает температуру или давление MH _B до тех пор, пока в системе не будет достигнуто равновесное давление.

Рис. 5. (a) Принцип работы с использованием «двойных гидридов» MHA и MHB и (b) диаграмма Вант-Гоффа, поясняющая операции аккумулирования и регенерации тепла.

Последующая операция регенерации состоит из двух режимов: «восстановление водорода» и «охлаждение системы».Во время рекуперации водорода после накопления тепла к MH _B подводится внешнее тепло Q _D , чтобы поднять давление водорода MH _B (то есть тепловое сжатие) и, следовательно, обратить поток водорода в обратном направлении. Как только весь водород полностью извлечен с помощью MH _A , клапан в линии транспортировки водорода закрывается, чтобы предотвратить реверсирование водорода. Во время последующего периода «охлаждения системы» (не показан на рисунке 5) оба металлогидридных реактора охлаждаются до исходных температур, чтобы быть готовыми к следующему рабочему циклу.Тепловая энергия Er, необходимая для регенерации, равна накопленной энергии E _s . Следовательно,
общий отвод тепла в окружающую среду за завершенный цикл удваивается.

Q _D , необходимый для регенерации, может быть намного меньше, чем Q _A от источника тепла, если разрешен более длительный период регенерации. В результате самопроизвольный коэффициент полезного действия (COP _C = Q _A / Q _D ) двойной гидридной системы может быть намного больше единицы.Обратите внимание, что Q _A и Q _D — это скорости теплопередачи (мощность), а не общая теплопередача (джоуль). Также обратите внимание, что обычная система сжатия пара с воздушным охлаждением имеет COP _C около 3.

Было проведено сравнительное исследование конкурирующих технологий, включая ПКМ, гидриды металлов и аммиак. Системное исследование было выполнено для накопителя тепла 1 МДж, и результаты суммированы в Таблице 1. При исследовании системы предполагалось, что помимо основной структуры (т.е. тепловой трубы и контейнера) парафиновый воск (Calwax 130) содержится в алюминии (Al г) пена 20об.%, и гидрид металла был смешан с медью (Cu) и оловом (Sn) в количестве 17 об.% для повышения теплопроводности. Основываясь на конструкции прототипа, которая будет обсуждаться в следующем разделе, объемное отношение основной структуры к теплоаккумулирующим материалам было принято равным 1,0. Основной объем аккумулирования тепла (V ₁ ) включает в себя теплоаккумулирующий материал и основные структурные объемы. Обратите внимание, что гидридные и аммиачные системы требуют дополнительных объемов хранения газа (V ₂ ) в отличие от системы PCM.Исходя из температуры насыщения аммиака T = 25 ° C. + На основании предварительного системного исследования, выполненного для данной работы.

Для системы с одним металлогидридом (MH) основной объем аккумулирования тепла (V ₁ ) оценивается в 2,8 литра, а при добавлении дополнительного объема аккумулирования водорода (V ₂ ) в 26,4 литра общий объем системы (V ₃ ) становится 29,2 литра. Напротив, для парафиновой восковой системы общий объем системы (V ₃ ) оценивается как 12.8 литров. Обратите внимание, что основной объем аккумулирования тепла (V ₁ ) металлогидридных систем в 4,5 раза меньше, чем система PCM из-за большей плотности аккумулирования тепла металлогидридных материалов. Объем хранения водорода (V ₂ ) для металлогидридных систем предназначен только для хранения водорода и не участвует напрямую в процессе аккумулирования тепла.

Из-за большой плотности хранения водорода в металлогидридных материалах вторичный гидрид в системе с двумя гидридами может хранить водород в значительно уменьшенном объеме (V ₂ ) по сравнению с системой с одним гидридом металла.В результате объем двойной гидридной системы (V ₃ ) примерно на 13,5% меньше, чем парафиновая парафиновая система. Аммиачная система оценивалась исходя из предположения, что все подводимое тепло используется для испарения жидкофазного аммиака при 25 ° C в парообразный аммиак при 50 ° C. Оценка не включала какую-либо необходимую активную перекачку жидкости или конденсатор, который потребовался бы для аммиачной системы.

ИСПЫТАНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОТОТИПА

Для демонстрации технологии аккумулирования тепла на основе металлогидрида был разработан, построен и испытан небольшой прототип системы.На рис. 6 показана испытательная установка, состоящая из модуля аккумулирования тепла на основе гидрида металла и системы подачи водорода. Объем контейнера с металлогидридом составляет 99 куб. См. Четыре водородных контейнера объемом 123 куб. См, 2, 4 и 8 литров были использованы для исследования влияния объема водородного контейнера на характеристики аккумулирования тепла. Комбинация из четырех водородных баллонов обеспечивает различные объемы от 123 куб. См до 14,1 л.

Рис. 6. Испытательная установка для прототипа гибридной системы аккумулирования тепла.

Для прямого сравнения идентичная система аккумулирования тепла была построена с использованием парафинового воска (производитель: Rubitherm GmbH, модель No.Rubitherm RT 35, температура плавления: 35ºC) и протестирован параллельно. В качестве источника тепла использовались электрические патронные нагреватели, а для охлаждения модуля аккумулирования тепла использовалась охлаждающая водяная рубашка. Две термопары, измеренные в контейнере с материалом для аккумулирования тепла, использовались для измерения температуры каждого материала для аккумулирования тепла. Для металлогидридной системы использовался датчик давления (производитель: Omega, модель № PX303, p_max = 1000 фунтов на кв. Дюйм), чтобы контролировать изменение переходного давления во время испытания.

На рис. 7 (a) показаны измеренные профили температуры и давления в исходных условиях: подвод тепла 200 Вт в течение 300 секунд и фиксированный объем хранения газообразного водорода 10 литров при равновесном давлении в реакторе с гидридом металла. Как показано на Рисунке 7 (a), после приложения тепловой нагрузки в 200 Вт температуры источника тепла быстро увеличиваются, а за ними следует температура материала аккумулирующего тепло: температура гидрида металла намного ближе к температуре источника тепла, чем температура парафина.Это указывает на то, что металлогидридная система имеет меньшее тепловое сопротивление между источником тепла и стоком. В конце периода нагрева (300 секунд) температура источника тепла металлогидридной системы достигла 47,7 ° C, в то время как температура источника тепла в системе PCM достигла 62,8 ° C. Обратите внимание, что максимальная температура парафина была намного выше температуры плавления (35 ° C), что указывает на то, что весь воск расплавился.

Рис. 7. Измеренные профили температуры и давления в исходных условиях для (а) резервуара с водородом объемом 10 литров и (б) с объемом резервуара для водорода 4 литра.

На рис. 7 (b) показаны результаты измерения температуры при тех же условиях, за исключением условий с водородом: объем водородного контейнера был уменьшен до 4 литров при начальном вакууме. Вакуумный контейнер использовался для моделирования условий изначально низкого давления, которые, вероятно, были обнаружены в вариантах 2, 3 и 4. Результаты испытаний ясно показывают, что металлогидридная система очень способна сохранять тепло 60 кДж (= 200 Вт × 300 с) с температурный скачок при максимальной норме 25ºC. При подаче тепла 200 Вт в течение 300 секунд повышение температуры источника тепла металлогидридной системы составило 16.1ºC, в то время как у PCM повышение температуры составило 41,6ºC.

Как показано на рисунках 8 (a) — (c), параметрические испытания были выполнены с использованием различных объемов хранения водорода, периодов хранения тепла и начальных зарядов водорода в зависимости от подводимого тепла, соответственно. На рис. 8 (а) показано влияние объема накопителя водорода на повышение температуры источника тепла. Во-первых, при объеме контейнера с водородом 123 куб. См (наименьший) отклонение температуры источника тепла все еще меньше, чем у восковой системы.Большие объемы водородных баллонов привели к еще более низким отклонениям температуры. Для подводимой теплоты 312,5 Вт при объеме водородного резервуара 4 литра под вакуумом система гидрида металла имела повышение температуры на 30,6 ° C, что на 31,4 ° C ниже, чем температурный скачок 62,0 ° C в системе парафина под давлением. такое же состояние.

На рис. 8 (b) показано влияние периода нагрева на изменение температуры. В течение длительного периода нагрева в 600 секунд отклонение температуры восковой системы увеличивается экспоненциально, в отличие от периода нагрева в 300 секунд.Это указывает на то, что при тепловой нагрузке 200 Вт в течение 600 секунд восковая система аккумулировала тепло в виде явного тепла, которое ускоряет рост температуры. На рис. 8 (c) показано влияние начального заряда водорода в металлогидридной системе на температурный скачок. Перед каждым испытанием свежий водород загружали в резервуар для хранения тепла из гидрида металла. Хотя меньший начальный заряд водорода дает лучшие характеристики, дальнейшее уменьшение заряда водорода увеличит отклонение температуры из-за недостатка водорода.Следовательно, оптимум для начального заряда водорода будет существовать в низком диапазоне.

Рис. 8. Влияние (а) подводимого тепла, (б) периода нагрева и (в) начального заряда водорода на изменение температуры источника тепла.

НОМЕНКЛАТУРА

D _p диаметр частицы (м)
E энергия (Дж)
H / M концентрация водорода в металле (или сплаве)
H атом водорода
M атом металла (сплава)
p давление (атм)
Q скорость теплового потока (Вт)
R универсальная газовая постоянная (= 8.314 кДж / кмоль-K)
T температура (K)
t время (с)
V объем (литр)
x нестехиометрическая константа

Греческий

α, β металлогидридные фазы
∆H f теплота образования (кДж / ч3-кгмоль)
∆S f стандартная энтропия образования (кДж / ч3-кгмоль-K)

Индексы

Металлогидридные реакторы A, B
c охлаждение
f образование или окончание
ч высокий
i начальный
л низкий
металлогидрид MH
p частица
r выпуск
s источник тепла или хранится

ПОДТВЕРЖДЕНИЕ

Работа выполнена в соответствии с Контрактом I фазы MDA STTR.FA8650-04-М-2517. Авторы хотели бы поблагодарить г-на Дэвида Саррафа и г-на Джея Уивера, оба из Advanced Cooling Technologies, Inc., за их усилия по рисованию и испытаниям металлогидридной системы. Кроме того, KJK благодарит своих аспирантов Д. Кима и С. Вемури за помощь в микрокапсулировании гидридов металлов.

ССЫЛКИ

1. Парк Чану, 2005 г., «Пассивная высокоэффективная технология аккумулирования и рассеивания тепла для переходного процесса управления тепловым оборудованием
большой мощности», Заключительный отчет по фазе I MDA STTR FA8650-04-M-2517.

2. D.L. Врабле, К. Йеркес, 1998 г., «Концепция управления температурным режимом для дополнительных применений в электрических системах питания самолетов», SAE Transactions, 981289.

3. В. Шанмугасундарам, Дж.Р. Браун и К.Л. Йеркес, 1997 г., «Управление тепловым режимом источников с высоким тепловым потоком с использованием материалов с фазовым переходом: процедуры оптимизации конструкции», Американский институт аэронавтики и астронавтики, Труды 32-й теплофизической конференции, 23-25 ​​июня, AIAA-97-2451.

4. L.C. Чоу, Дж.К. Чжан и Дж. Э. Бин, 1996, «Повышение теплопроводности для носителей информации с фазовым переходом», Int. Comm. Тепломассообмен, Том 23, Номер 1, стр.91-100.

5. E.L. Хьюстон и Г.Д. Сандрок, 1980, «Технические свойства гидридов металлов», Journal of Less Common Metals, Vol.74, pp.435-443.

6. С. Аль-Халладж и Дж. Р. Селман, 2000, «Новая система терморегулирования для аккумуляторных батарей электромобилей с использованием материала с фазовым переключением», Журнал Электрохимического общества, Том 147, №9. С. 3231-3236.

7. B.H. Канг, К.-В. Парк и К.С. Ли, 1996 г., «Динамическое поведение теплопередачи и переноса водорода в металлогидридной системе охлаждения», Международный журнал водородной энергетики, том 21, № 9, стр. 769-774.

8. Г.А. Фатеев, Б. Канг, К.Дж. Ким и Ч.-В. Парк, 1996. «Численное моделирование и экспериментальное исследование цикла преобразования тепла в металлогидридных средах», Тепломассообмен. MIF-96 Тепло- и массообмен в капиллярно-пористых телах, А.В. Институт тепло- и массообмена им. Лыкова, Минск, Вып.7. С. 169-182.

9. C.-W. Парк, Б. Кан, С. Чжон и К.С. Ли, 1995, «Экспериментальное исследование тепломассопереноса во время процессов абсорбции и десорбции в слое гидридного материала», Журнал Корейского общества машиностроения, Том 19, № 1, стр. 202-211 (на корейском языке).

10. B.H. Канг, К.-В. Парк и К.С.Ли, 1994, «Динамическое поведение теплопередачи и водородного переноса в металлогидридном охладителе», 1994 ICR.

11. Г.К. Ллойд, К.Дж. Ким, К. Фельдман-младший и А.Разани, 1998 г. «Измерение теплопроводности металлогидридных уплотнителей, разработанных для реакторов большой мощности», AIAA-Journal of Thermophysics and Heat Transfer, Vol.12, No. 2, pp.132-137. 12. К.Дж., Ким, К.Т. Фельдман-младший, Г.К. Ллойд и А. Разани, 1998a, «Разработка тепловых насосов с компрессорным приводом с использованием пористых металлогидридных уплотнителей», Транзакции ASHRAE, 1998-Зимнее совещание, Сан-Франциско, том 104, часть 1, SF-98-18-4.

13. K.J. Ким, Г. Ллойд, А. Разани и К. Фельдман младший, 1998b, «Разработка порошковых металлогидридных композитов LaNi5 / Cu / Sn», Powder Technology-An International Journal, Vol.99, стр 40-45.

14. K.J. Ким, Г. Ллойд, К. Т. Фельдман, младший, и А. Разани, 1998c, «Термический анализ металлогидридного реактора Ca0,4Mm0,6Ni5», Прикладная теплотехника, Том 18, № 12, стр.1325 -1336.

15. K.J. Ким, личное сообщение, 1996-2004 гг.

16. М. Шахинпур, К.Дж. Ким, 2002, «Новые металлогидридные искусственные мышцы», Патент США №6,405,532.

Теплоаккумулятор — KNUDSEN; НИЛЬС К.

Изобретение относится к подземному аккумулятору тепла низкотемпературного типа с подземными вертикально расположенными двойными трубами для накопления солнечной энергии для отопления жилых помещений.

Аккумуляторы для хранения солнечной энергии имеют либо изолированный резервуар для воды, либо аккумулируются непосредственно в земле около заглубленных труб, которые могут быть покрыты теплоизоляционным материалом на поверхности земли. В системах, где солнечная энергия хранится в подземном аккумуляторе тепла низкотемпературного типа с вертикально расположенными двойными трубами, солнечная энергия подается от солнечного коллектора к нижней части внешней трубы через внутреннюю трубу, а тепло сохраняется в Тепловой аккумулятор отдается снизу внешней трубы через внутреннюю трубу в тепловую систему через испаритель теплового насоса.Трубы могут быть наклонены от круглой зоны большего диаметра, чем зона хранения, и могут быть покрыты изоляционным слоем, который также изолирует соединения с трубами.

Такие методы требуют значительных и дорогостоящих земляных работ, чтобы установить трубы и изоляцию или другое определяющее покрытие, а связанные с этим затраты не позволяют использовать солнечную энергию для обычного отопления жилых помещений. Накопительная способность и эффективность часто оказываются слишком низкими при повышении температуры в аккумуляторах, имеющих слишком ограниченный объем аккумулирования, так что увеличение средней температуры солнечного коллектора приводит к значительно более плохому улавливанию тепла.Поэтому площадь солнечного коллектора должна быть очень большой и, соответственно, дорогой.

Тепловой аккумулятор согласно изобретению отличается тем, что трубы расположены вертикально, имеют конический наклон с общей геометрической вершиной у поверхности земли.

Очень маленькая площадь у поверхности земли сводит к минимуму потери тепла, и в то же время наклонное положение труб охватывает очень большое количество земли в качестве накопительного объема.

Конический монтаж труб обеспечивает рациональную работу при установке гидроаккумулятора и обеспечивает очень большую аккумулирующую способность, оптимизируя эффективность солнечного коллектора и связанного с ним теплового насоса.Следовательно, экономически и технически возможно использовать солнечную энергию на практике для обычного отопления жилых помещений.

Центральный колодец теплового аккумулятора может быть уменьшен в соответствии с изобретением, поскольку верхняя часть внешней трубы ниже поверхности земли образована трубчатой ​​теплоизоляционной рубашкой на дне центрального колодца.

Расчеты показывают корреляцию между диффузией тепла в земле и затраченным временем, в то время как температура влияет не на степень диффузии, а только на количество тепла.Распространение на поверхность земли, таким образом, можно предотвратить, выкопав центральный колодец настолько глубокий и широкий, что трубы уходят в землю только на рассчитанную глубину, но можно сэкономить много работы и больших затрат, используя гораздо меньший центральный колодец и вместо этого утеплить трубы в земле на желаемую глубину.

Потери тепла от аккумулятора на поверхность земли должны быть минимизированы для обеспечения эффективности и предотвращения неблагоприятных колебаний температуры на поверхности земли и последующего нарушения естественной температуры.

В соответствии с изобретением емкость теплового аккумулятора может быть выгодно рассчитана путем изменения физического размера аккумулятора таким образом, чтобы обеспечить ежегодное равновесие между способностью аккумулирования и потреблением тепла путем определения количества и длины. двойных труб из одного или нескольких центральных колодцев.

Исходная температура земли обеспечивает дополнительный запас энергии, который можно использовать после периода нескольких солнечных дней.В следующем году эффективность солнечного коллектора увеличится из-за более низкой температуры потока от аккумулятора.

Желаемое потребление тепла и требуемая площадь солнечного коллектора адаптирована к аккумулятору таким образом, чтобы температура двойных труб наверху около низа центрального колодца не сильно отличалась от исходной температуры земли в длительные периоды, но только в конце периода накопления осенью может произойти небольшое повышение температуры.Во время последующего потребления верхняя часть двойных труб быстро отдает тепло, тем самым сокращая период повышения температуры. Продолжительность периода — это время, которое необходимо использовать при определении длины теплоизоляционной рубашки от дна центрального колодца.

Тепловой аккумулятор согласно изобретению показан на чертеже, на котором

ФИГ. 1 представляет собой схематический вертикальный разрез гидроаккумулятора с соответствующими трубными соединениями на схеме,

Фиг.2 показывает кривую, иллюстрирующую диффузию накопленного тепла в земле, а

— фиг. 3 показана кривая для периода с апреля по апрель с накоплением и последующим потреблением в процентах кВтч от потребности в тепле.

Теплоаккумулятор представляет собой центральный колодец 1 с крышкой 2 на поверхности земли. Со дна центрального колодца вырывают внешнюю трубу 3 с дном 4 и внутреннюю трубу 5, идущую вниз до дна 4 внешней трубы 3. Для сохранения достаточного количества энергии необходимо установить несколько таких двойных труб, которые соединены параллельно от распределительной трубы 6 с внешними трубами 3 и другой соединительной трубы 7 с внутренней трубой 5.Распределительные трубы 6 и 7 соединены с солнечным коллектором 8, от которого тепло отводится антифризом с помощью насоса 9, имеющего клапаны 10 и 11, открытые для потока в трубу 7, которая передает тепло во внутренние трубы. 5 и дно 4 внешних труб 3. По пути вверх по трубам 3 тепло отдается окружающей земле, которая, согласно расчетам, может накапливать значительное количество тепла, которое очень медленно передается окружающей земле, так как по этой причине потеря тепла в окружающую среду минимальна.

Когда тепло поступает от аккумулятора, клапаны 10 и 11 закрываются, а клапаны 12 и 13 открываются, и насос 9 передает тепло в испаритель 14 теплового насоса, причем тепло передается от внешней трубы 3 через внутреннюю трубу 5 к соединительной трубе 7 и через клапан 12.

Для экономии копания до размеров центрального колодца 1 на верхней части наружной трубы 3 установлена ​​теплоизоляционная рубашка 15.

Копка для центральный колодец 1 также может быть изменен, закопав двойные трубы соответственно глубже в землю, но затраты делают выгодным вместо этого изолировать верхнюю часть внешней трубы 3.

РИС. 2 показывает в виде кривой распространение тепла от теплопроводящей трубы в земле. Время в месяцах отложено на горизонтальной оси диаграммы, а радиальная диффузия в метрах отложена на вертикальной оси. Кривая рассчитывается по эмпирической формуле: H = 10,42 D ² (ln D-ln d)

H — время в часах, D — диаметр диффузии в метрах, а d — диаметр трубы в метрах, диффузия — нанесен на диаграмму как радиус R = 1 / 2D.Из формулы видно, что температура не включается в расчет степени диффузии.

РИС. 3 показана кривая накопления в период с апреля по октябрь и последующего прекращения потребления в апреле следующего года, период нанесен на горизонтальную ось, а соответствующее накопленное количество тепла в процентах в процентах — на вертикальной оси. Кривая показывает, что можно аккумулировать часть количества тепла, которое требуется тепловому насосу для отопления жилых помещений в период отопления, что соответствует примерно 75% от общего количества тепла, в зависимости от выбранного типа теплового насоса.

Таким образом, при использовании показанного теплового аккумулятора в сочетании с солнечным коллектором в системе теплового насоса, коэффициент мощности теплового насоса значительно повышается, и в то же время снижается риск образования вечной наледи в земле вокруг труб. избегали.

Роль тепловой трубки в повышении производительности

5.1 Следующий шаг: 3D-печатный PCM

Исследования в Университете Хериот-Ватт, Эдинбург [20], исследуют

использование металлических PCM для повышения производительности Химические реакторы Fischer —

Tropsch (F – T) — они используются для преобразования газа

в жидкости на углеводородной основе.Компактные реакторы F – T похожи на высококомпактные теплообменники

. Можно было бы представить себе бесплатные реакторы F – T

, собранные с использованием AM, но в то же время включающие в себя металлический PCM в оптимальных местах, для которых было предварительно смоделировано

для получения идеальной кинетики реакции.

6 ВЫВОДЫ

TES приобретает все большее значение в целом ряде секторов — от

промышленности до транспорта и дома. Основные характеристики

— тепловая трубка и термосифон — в основном связанные с их высокой эффективной теплопроводностью

— могут улучшить характеристики накопителя тепла

, что не всегда возможно с другими методами улучшения.

Новые методы производства, в частности AM, могут, в конечном итоге, позволить сконструировать некоторые накопительные материалы на оптимизированных поверхностях теплопередачи способом, который в настоящее время невозможен.

БЛАГОДАРНОСТИ

D.R. признателен Ахмаду Мустаффару из Университета Ньюкасла за

за подготовку сравнительного анализа теплопередачи от PCM

с использованием только тепловой трубы и / или ребер, а также за данные по усовершенствованию

PCM.

ССЫЛКИ

[1] Reay DA, Kew PA, McGlen RJ. Тепловые трубы: теория, конструкция и применение,

6 изд. Butterworh Heinemann, 2014.

[2] Weng Y-C, Cho H-P, Chang C-C, et al. Тепловая трубка с PCM для электронного охлаждения

. Appl Energy 2011; 88: 1825–33.

[3] Zhang M, Lai Y, Zhang J et al. Численное исследование характеристик охлаждения двухфазной замкнутой термосифонной насыпи

в районах вечной мерзлоты. Холодная

Reg Sci Technol 2011; 65: 203–10.

[4] Машико К., Окяи Р., Мочизуки М. и др. Разработка искусственного хранилища вечной мерзлоты

с использованием тепловых труб, доклад № 89-HT-15, ASME / AIChE

Национальная конференция по теплообмену. Филадельфия, Пенсильвания, 1989.

[5] Dincer I, Rosen MA. Накопители тепловой энергии — системы и приложения.

2-е изд. , 2010.

[6] Залба Б., Марин Дж. М., Кабеза Л. Ф. и др. Обзор накопления тепловой энергии с использованием материалов с фазовым переходом

, анализа теплопередачи и приложений.Appl Therm

Eng 2003; 23: 251–83.

[7] Азад Э., Бахар Ф., Мозтарзаде Ф. Солнечный водонагреватель, использующий гравитационную трубу

. Система рекуперации тепла ТЭЦ 1987; 7: 343–50.

[8] Поласек Ф. Исследования и разработки тепловых труб в странах Восточной Европы.

Тепло Реков Сист ТЭЦ 1989; 9: 3–18.

[9] Васильев ЛЛ. Исследования и разработки тепловых труб в СССР. Heat Recov

Syst CHP 1989; 9: 313–33.

[10] Карузо А., Гракович Л.П., Паскетти Р. и др.Производительность аккумулирования тепла с тепловыми трубками —

. Тепло Реков Сист ТЭЦ 1989; 9: 407 — 10.

[11] http://www.lsbu.ac.uk/case-studies/lsbu-research-helps-london-underground-

пассажиры сохраняют свои -cool (6 марта 2015 г., дата последнего обращения).

[12] Мустаффар А., Харви А., Рей Д.А. Плавлению материала с фазовым переходом способствовал

с помощью просечно-вытяжной металлической сетки. Отправлено на SET2014. Appl Therm Eng (специальный выпуск

) 2015.

[13] Ли Й, Ву Цз. Характеристики теплоотдачи затвердевания при наличии

двухфазных замкнутых термосифонов в системах накопления скрытой тепловой энергии.В:

Труды 6-й Международной конференции по тепловым трубам, 25–29 мая,

Гренобль, 1987.

[14] Тернпенни Дж. Р., Этеридж Д. В., Рей Д. А.. Новая система вентиляции и охлаждения для

, снижающая кондиционирование воздуха в зданиях. Часть 1: тестирование и теоретическое моделирование —

эллинг. Appl Therm Eng 2000; 20: 1019 –37.

[15] Huangfu Y, Wu JY, Wang RZ, et al. Разработка экспериментального образца

интегрированного терморегулятора для внутреннего сгорания-

когенерационных систем на базе двигателей.Appl Energy 2007; 84: 1356–73.

[16] Новая тепловая трубка с переменной проводимостью, соединенная с двигателем Стирлинга.

Grant EP / L505912 / 1. http://www.epsrc.ac.uk/research/ourportfolio/

vop / (6 июля 2014 г., дата последней обращения).

[17] Рэй Д.А., Харви А.П. Роль тепловых труб в интенсификации работы агрегата.

Appl Therm Eng 2013; 57: 147–53.

[18] Компания по производству присадок. http://withinlab.com/case-studies/

index11.php

(6 июля 2014 г., дата последнего доступа).

[19] Амели М., Агнью Б., Леунг П.С. и др. Новый метод производства алюминиевых тепловых трубок sin-

(SAHP). Appl Therm Eng 2013; 52: 498–504.