Коломієць Олена Вікторівна
канд. техн. наук, асистент
ДВНЗ «Український державний хіміко-технологічний університет»
м. Дніпро
Мальковський Данило Миколайович
студент, магістр
ДВНЗ «Український державний хіміко-технологічний університет»
м. Дніпро
Сухий Костянтин Михайлович
д-р техн. наук, професор
ДВНЗ «Український державний хіміко-технологічний університет»
м. Дніпро
Анотація
Обгрунтовано необхідність акумулювання тепла. Проаналізовано способи акумулювання тепла, такі як ємнісний, фазоперехідний, хімічний і сорбційний та матеріали які при цьому використовуються. Показано перспективність сорбційнрго способу.
Ключові слова: акумулювання тепла, сорбція, таплоакумулюючий матеріал.
Акумулювання тепла відіграє важливу роль в реалізації таких енергозберігаючих заходів як: узгодження режимів вироблення і споживання тепла; розширення можливості використання вторинних енергоресурсів, нетрадиційних і поновлюваних джерел енергії.
Метою даної роботи є систематизація відомостей щодо способів акумулювання тепла та теплоакумулюючих матеріалів, характеристика їх переваг та недоліків.
За характером фізико-хімічних процесів, які протікають у матеріалах, що акумулюють тепло розрізняють наступні способи акумулювання тепла[1]:
- ємнісний;
- фазоперехідний;
- хімічний та фотохімічний;
- сорбційний.
В основі ємнісного способу лежить використання теплоємності теплоакумулюючого матеріалу, що нагрівається або охолоджується без зміни його агрегатного стану. Кількість акумульованого тепла розраховується за формулою [2 ]:
W = m•c•(Т2 –Т1 ) (1)
де W – тепло, що акумулюється, Дж; m – маса акумулюючої речовини, кг; с – теплоємність акумулюючої речовини, Дж/(кг•K); Т1 – початкова температура акумулюючої речовини, 0С ; Т2 – кінцева температура акумулюючої речовини, 0С.
Питома теплоакумулювальна здатність речовини, кДж/кг:
w = W / m = c•(Т2 –Т1 ) (2)
Значною перевагою ємнісного способу акумулювання тепла є недорога та проста конструкція акумуляторів та довговічність теплоакумулювальних матеріалів.
До недоліків даного способу відносять: малу щільність накопичення енергії, постійну зміну температури при розрядці акумулятора, необхідність великого перегріву теплоакумулювального матеріалу, велику масу, що зумовлює додаткові потреби у вигляді великих площ та будівельних обсягів у розрахунку на акумулювання 1 ГДж теплоти.
В основі лежить використання теплоти плавлення чи затвердівання речовини. Кількість акумульованого тепла розраховується за формулою[ 2 ]:
W = m•[ct•(Тs – Т1) + C + cs•(Т2 –Тs)] (3)
де W – тепло, що акумулюється, Дж; ; m – маса акумулюючої речовини, кг; ct – питома теплоємність теплоакумулюючої речовини в твердому стані Дж/(кг•K); cs - питома теплоємність теплоакумулюючої речовини в рідкому стані Дж/(кг•K); С – теплота плавлення, Дж/кг; Т1 – початкова температура теплоакумулюючої речовини, 0С; Тs – температура плавлення теплоакумулюючої речовини, 0С; Т2 – температура нагріву теплоакумулюючої речовини, 0С.
Перевагами данного способу є велика об’ємну енергоємність та постійну робочу температуру. Ця перевага призводить до суттєвого зменшення маси та об’єму акумулятора в порівнянні з ємнісним типом.
До недоліків даного способу відносять: нестабільність властивостей теплоакумулюючих речовин при багаторазових циклів кристалізації – плавлення, деградація в часі, корозійна активність, потреба в розвинених поверхонь теплообміну та висока вартість.
Перспективними теплоакумулюючими речовинами, для низькотемпературних акумуляторів фазового переходу речовини, являються органічні речовини (насичені та ненасичені вуглеводні) та кристалогідрати неорганічних солей, а для високотемпературних, являються з’єднання й сплави лужних та лужноземельних металів.
Способи засновані на виділенні та поглинанні енергії при оборотних хімічних та фотохімічних реакціях, у яких на перших стадіях відбуваються ендотермічні хімічні реакції, в результаті чого теплова енергія, підведена до хімічно реагуючої суміші, запасається в хімічних зв'язках продуктів реакцій. На другій стадії відбуваються зворотні (екзотермічні) хімічні реакції, і запасена хімічна енергія знову перетворюється у теплову [3]. Авторами робіт [4-6] описано замкнуті цикли акумулювання тепла на основі оборотних хімічних реакцій. В цьому випадку продукти ендотермічної реакції можна передавати на великі відстані до споживача. При проведенні зворотної екзотермічної реакції тепло, що вивільняється, через теплообмінник подається споживачу, а продукти реакції знову під’єднують до джерела енергії для проведення наступного циклу. В якості джерела енергії використовують сонце, геотермальні води, ґрунт, теплові викиди підприємств та інше.
Переваги термохімічногоспособу перетворення енергії полягають у наступному [7]:
- досягається надзвичайно висока щільність акумулювання, завдяки наявності великої енергоємності продуктів хімічної реакції, забезпечуючи при цьому високу ефективність акумулювання енергії та її перетворення;
- дозволяє зберігати акумульовану енергію довгий час без втрат та транспортувати її на великі відстані (більше 100 км);
- дозволяє акумулювати як високо так і низько потенційне тепло, завдяки широкому діапазону температур при яких протікають різні оборотні хімічні реакції.
До недоліків даного виду акумулювання можна віднести шкідливість деяких хімічних реагентів, які приймають участь у термохімічних реакціях, а також проблему, яка пов’язана з можливістю протікання оборотної екзотермічної реакції при охолодженні суміші продуктів ендотермічної реакції. Дані проблеми можна вирішити за допомогою використання замкнутих циклів, підбору відповідних хімічних реакцій, шляхом використання різних методів керування граничних параметрів оборотних термохімічних реакцій та ін. [8 ].
Сорбційний посіб заснований на оборотних реакціях сорбції-десорбції. Актуальність сорбційного способу обумовлена такими показниками як: висока густина запасання енергії, незначні втрати тепла та багатоциклічність у використанні.
Адсорбція є результатом взаємодії між твердим тілом (сорбентом) і рідиною (адсорбатом) на основі фізичної або хімічної реакції [9]. Фізична адсорбція відбувається, коли молекули адсорбату за рахунок Ван-дер-Ваальсових сил, фіксуються на поверхні пористих твердих елементів (адсорбенту), що призводить до накопичення адсорбату на поверхні адсорбенту (сорбція). При нагріванні молекули адсорбату можна видалити з поверхні адсорбенту (десорбція). У свою чергу, результатом хімічної адсорбції є іонні або ковалентні зв'язки, що утворюються між молекулами адсорбату і адсорбенту. Сила з'єднання набагато більше, ніж для фізичної адсорбції та виділяється більше тепла. Однак, складно провести оборотний процес, так як цей тип з'єднання сприяє хімічній зміні адсорбованої речовини, а отже молекули адсорбату і адсорбенту не повернуться до свого початкового стану після десорбції. [10-14]. Тому, більшість адсорбційних перетворювачів тепла (АПТ), в основному, працюють на основі фізичної адсорбції. Актуальність системи акумулювання енергії на основі сорбційних явищ полягає в їх високій енергетичній густині та їх незначній втраті тепла і повторюваності операцій акумулювання [14,15]. Матеріали, що використовуються в сорбційноїму акумулюванні мають вищу густину запасання енергії з всіх вивчених носіїв [5] та деякі матеріали, мають густину запасання енергії близьку до біомаси [16].
На рис. 1. наведено енергоємність та робочу температуру найбільш вживаних теплоакумулювальних матеріалів ємнісного (вода, камінь), фазоперехідного (парафіни, CaCl2H2O, Na2HPO4 H2O, Na2SO4H, NH3-H2O, LaNiH), сорбційного (силікагель, цеоліт, активоване вугілля) типів та енергетичний вихід хімічних реакцій. З представлених данних видно, що ємнісні матеріали мають найменшу сорбційну ємність та найбільшу массу та об’єм для акумулювання 10 ГДж тепла. Фазоперехвдні матеріали займають проміжне місце між ємнісними та сорбційними але є проблема зі стійкістю властивостей протягом декількох циклів та екологічністю використовуємих матеріалів. Здатність до акумулювання тепла в оборотних реакцій є вишчою, ніж у сорбційних матеріалів, але хімічні реагенти, що приймають участь у реакціях є шкідливими для навколишнього середовища і людини та не завжди є можливість протікання оборотної екзотермічної реакції при охолодженні суміші продуктів ендотермічної реакції [18].
Рис. 1 Енергоємність та робоча температура найбільш вживаних теплоакумулювальних матеріалів [19].
Завдяки найменшій масі і об’єму теплоакумулювального матеріалу для акумулювання 1 ГДж тепла та екологічності використовуємих матеріалів найбільш перспективним для вивчення є сорбційний спосіб акумулювання тепла.
Література
1. Осташенков А.П. Аккумулятор теплоты на фазовых переходах со шнековым теплообменником / А.П. Осташенков, Е.М. Онучин, А.А. Медяков // Научный журнал КубГАУ, 2013. - №9(07). –С.1 – 12.
2. Sharma Atul Review on thermal energy storage with phase change materials and applications / Atul Sharma, V.V. Tyagi, C.R. Chen, D. Buddhi // Renevable and Sustainable Energi Reviews, 2009. – V. 13. – p. 318 – 345.
3. Ахмедов Р.Б. Преобразование и аккумулирование солнечной энергии при помощи простых термохимических реакций. Фотокаталитическое преобразование солнечной энергии: ч. 1./ Р.Б. Ахмедов, М.А. Бберченко // Новосибирск: Наука, 1985. – С. 58 – 68.
4. Расчет эффективности преобразования солнечной энергии в замкнутом термохимическом цикле на основе каталитической паровой конверсии метана / В.И. Аникеев, С.К. Баймухалов, В.А. Кириллов [и др.] // Гелиотехника. – 1987. - №3. – С. 3-15.
5. Аникеев В.И. Термодинамический анализ каталитических циклов с обратимым преобразованием химического состава рабочего тела / В.И. Аникеев, В.А. Кириллов, В.К. Баев // Известия Академии наук СССР. Серия техническая. – 1990. - № 3. – С. 107.
6. Chemical heat pump using of reversible catalytic reactions / G. Cacciola, V. Anikeev, V. Recupero [at al.] // It. J. of Energy Researth. – 1987. – V. 11. - № 4. – P. 519 – 529.
7. Перспективы создания хемотермических систем теплоснабжения на базе высокомолекулярных ядерных реакторов / Л.А. Мелентьев, Н.Н. Пономарев-Степной, Ю.И. Корякин [и др.] // Атомно-водородная энергетика и технология. – М., Энергоатомиздат, 1988. – Вып. 8. – С. 39 – 65.
8. Прокопьев С.И. Кинетический и термодинамический анализ предельных параметров термохимического преобразования атомной и тепловой энергии с использованием обратимых каталитических реакций: автореф. дис. … канд. хим. Наук:02.00.15 / С.И. Прокопьев; Ин-т катализа им. Г.К. Борескова СО РАН – Новосибирск, 1994.
9. Hauer A. Sorption theory for thermal energy storage. Thermal energy storage for sustainable energy consumption / A. Hauer. – Netherlands: Springe, 2007. – pp. 393–408.
10. Vasiliev L.L. Heat pipe applications in sorption refrigerators / L.L. Vasiliev, A.G. Kulakov // Sadık Kakacё HFS, Avelino MR, editors. Low temperature and cryogenic refrigeration: proceedings of the NATO advanced study institute. Held in Altin Yunus/Cesme, Izmir, Turkey(June 23–July 5). – 2002. – p. 401.
11. Inglezakis VJ, Adsorption, ion exchange and catalysis: design of operations and environmental applications / VJ. Inglezakis, S. Poulopoulos. – Elsevier, 2006.
12. Aveyard R, An introduction to the principles of surface chemistry / R. Aveyard, DA. – Haydon CUP: Archive, 1973.
13. Srivastava N.C. A review of adsorbents and adsorbates in solidvapour adsorption heat pump systems / N.C. Srivastava, I.W. Eames //Applied Thermal Engineering. – 1998. – № 18(9–10). – Р. 707 – 14.
14. Wang L.W. A review on adsorption working pairs for refrigeration / L.W. Wang, R.Z. Wang, R.G. Oliveira // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2009. – №13(3). – Р. 518 – 34.
15. Demir H. A review on adsorption heat pump: problems and solutions / H. Demir, M. Mobedi, S. UЁ lkЁu // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2008. – № 12(9). – Р. 2381 – 403.
16. Hastings R. Energy Conservation in Buildings & Community Systems Programme, editors. Sustainable solar housing: exemplary buildings and technologies / R. Hastings, M. Wall // Earthscan. – 2007. – № 4. – Р. 234 – 239.
17. Hadorn J/C. Thermal energy storage for solar and low energy buildings—state of the art / J/C. Hadorn. – Lleida, Spain: Servei de Publicacions de la Universitat de Lleida, 2005.
17. Прокопьев С.И. Кинетический и термодинамический анализ предельных термохимического преобразования атомной и тепловой энергии с исполь зованием обратимых каталитических реакций: автореф. дис. … канд. хим. Наук:02.00.15 / С.И. Прокопьев; Ин/т катализа им. Г.К. Борескова СО РАН – Новосибирск, 1994.
19. Bales C. Solar Energy Research Center (SERC). Chemical and sorption heat
storage / С. Bales // Proceedings of DANVAK seminar, DANVAK seminar (solar heating systems – Combisystems – heat storage). – 2006. – Р. 2017.
