Освоение накопления тепла: ключ к эффективному солнечному водонагреванию

Аккумулирование тепла в системе солнечного водонагрева

В системе солнечного водонагрева для хранения тепла, вырабатываемого солнечными коллекторами, используется резервуар для хранения воды, иногда также называемый теплоаккумулятором. Использование жидкостей (в частности, воды) для аккумулирования тепла является наиболее отработанным, технически обоснованным и широко распространённым методом аккумулирования тепла. Как правило, желательно, чтобы жидкость обладала не только высокой удельной теплоёмкостью, но и высокой температурой кипения и низким давлением паров. Первое условие заключается в предотвращении фазового перехода (перехода в газообразное состояние), а второе — в снижении давления в теплоаккумуляторе. Среди низкотемпературных жидких теплоаккумулирующих сред вода обладает наилучшими характеристиками и поэтому является наиболее распространённым методом.

Преимущества и недостатки использования воды в качестве теплоаккумулятора

Преимущества

① Его физические, химические и термические свойства очень стабильны, он хорошо изучен, а технология его применения отработана.

② Он может служить как носителем тепла, так и носителем тепла, устраняя необходимость в теплообменниках в системах хранения тепла.

③ Обладает превосходной теплопередачей и жидкостными свойствами. Среди широко используемых жидкостей имеет самую высокую удельную теплоёмкость, самый низкий коэффициент теплового расширения и низкую вязкость, что делает его подходящим как для естественной, так и для принудительной циркуляции.

④ Соотношение температуры и давления в равновесии жидкость-газ очень стабильно, что делает его пригодным для плоских солнечных коллекторов.

⑤ Он широко доступен и недорог.

Недостатки

① Образующийся кислород, будучи электролитическим коррозионным веществом, легко разъедает металлы. Он также является растворителем для большинства газов (особенно кислорода), что делает его подверженным коррозии емкостей и трубопроводов.

2. При затвердевании (замерзании) объем жидкости значительно увеличивается (примерно до 10%), что может привести к повреждению емкостей и трубопроводов.

③ При температурах выше умеренных (более 100 °C) давление её паров экспоненциально растёт с ростом температуры воды. Поэтому при использовании воды для аккумулирования тепла как температура, так и давление не должны превышать её критической точки (373,0 °C, 2,2 × 10 Па). Например, стоимость аккумулирования тепла при 300 °C в 2,75 раза выше, чем при 200 °C.

При использовании воды в качестве теплоаккумулятора теплоаккумуляторы могут быть изготовлены из различных материалов, включая нержавеющую сталь, эмаль, пластик, алюминиевые сплавы, медь, железо, железобетон и дерево. Форма может варьироваться от цилиндрической, коробчатой ​​до сферической. Однако следует тщательно учитывать коррозионную стойкость и долговечность используемых материалов. Например, при выборе цемента и дерева в качестве материалов для теплоаккумулятора необходимо учитывать их тепловое расширение, чтобы предотвратить появление трещин и протечек при длительной эксплуатации.

Бак-аккумулятор горячей воды — это устройство, способное накапливать как тепло, так и холод. Он был разработан как компонент систем горячего водоснабжения, отопления и кондиционирования воздуха в зданиях. Его основная функция — выравнивание дисбаланса между потреблением и расходом энергии, тем самым повышая тепловой КПД системы и обеспечивая необходимую тепловую нагрузку.

Баки для хранения горячей воды можно разделить на различные типы в зависимости от характеристик теплоотдачи (полностью экструзионные, полностью смешивающие и частично смешивающие), состояния давления (открытые или закрытые), количества баков (один или несколько), способа установки (вертикальный, продольный, горизонтальный или поперечный), конструкционных материалов и назначения. Далее рассматриваются первые два типа.

Характеристики теплоотдачи резервуара для хранения горячей воды

По характеристикам теплоотдачи (или характеристикам смешения внутри бака) водонагреватели можно разделить на три типа: с полным вытеснением, с полным смешением и с частичным смешением. Если υ представляет собой скорость потока воды, L — длину бака, а E — коэффициент диффузии при смешении, то эти три категории можно классифицировать по степени смешения температуры воды в баке или значению характеристики смешения M=υL/(2E).

(1) Полный поток экструзии

Также известно как поршневой поток, то есть поток в резервуаре для воды полностью поршневой, и в резервуаре есть две области горячей и холодной воды. Граница между ними очень четкая, что указывает на то, что смешивания почти нет. В это время можно считать, что E → 0 или M → ∞. Когда резервуар для хранения горячей воды отдает тепло (охлаждается), вода поступает снизу (сверху), и все тепло может быть использовано. Это идеальное состояние, как показано на рисунке 2-11. Предположим, что в резервуаре для хранения горячей воды есть 100 л горячей воды с температурой 80 ℃, а затем из нижнего входного отверстия A медленно впрыскивается холодная вода температурой 20 ℃, и вся вода, вытекающая из выходного отверстия B, имеет температуру 80 ℃. Но как только количество вытекающей воды превышает 100 л, температура воды немедленно падает до 20 ℃.

(2) Полностью смешанный поток

Температура в баке абсолютно однородна, что свидетельствует о тщательном перемешивании. В данном случае можно рассматривать E→∞ или M→0. В обычных условиях это достигается только при установке мощного миксера в баке-аккумуляторе горячей воды и медленном впрыске холодной воды с одновременным перемешиванием. Вначале температура воды на выходе B составляет 80 °C. Затем, со временем, температура воды снижается по экспоненциальному закону. Когда объём вытекающей воды достигает 100 л, температура воды опускается примерно до 80 × e≈29,3 °C.

(3) Частично смешанный поток

Также известное как температурно-стратифицированный поток, это явление указывает на неравномерное распределение температуры в резервуаре с водой и возникновение стратификации. В этом случае значение E можно считать конечным, то есть равным 0.

Состояние давления в резервуаре для хранения горячей воды

В зависимости от состояния давления водонагреватели можно разделить на две категории: открытые и закрытые. При нормальном атмосферном давлении форма пространства, которую необходимо принять, зависит от конкретной ситуации.

(1) Открытого типа

Поскольку резервуар для воды открыт атмосфере, он подвергается меньшему давлению, но легко подвергается коррозии под воздействием кислоты. Поскольку кислород легко растворяется в воде, от резервуара требуется высокая коррозионная стойкость. Кроме того, система должна обеспечивать высокий напор. Этот тип резервуара обычно используется в крупных солнечных энергетических системах.

(2) Закрытого типа

Поскольку бак заполнен водой, сверху следует установить расширительный бак, чтобы избежать повреждения теплоаккумулятора. Преимуществами являются простая система трубопроводов, малый напор водяного насоса и меньшее потребление энергии циркуляционным насосом; недостатками – относительно большое статическое давление, высокая устойчивость к давлению, необходимая для теплоаккумулятора, и высокая стоимость оборудования, устойчивого к давлению. Обычно он используется в небольших солнечных энергетических системах.

На практике система горячего водоснабжения здания и крышный резервуар для хранения тепла (используемый совместно с системой горячего водоснабжения с естественной циркуляцией) чаще всего являются системами открытого типа. Кроме того, использование пространства фундаментной балки в качестве резервуара для хранения тепла и использование отдельного бетонного резервуара также относятся к системам открытого типа. И наоборот, при рабочей температуре системы, превышающей 100°C, резервуар для хранения горячей воды должен быть закрыт, если не используется специальный теплоноситель. Кроме того, резервуары для хранения горячей воды в наземных системах горячего водоснабжения с принудительной циркуляцией, как правило, закрыты.

Баки для хранения горячей воды открытого типа часто изготавливаются из оцинкованной стали, нержавеющей стали и стекловолокна, тогда как баки закрытого типа часто изготавливаются из эмали, нержавеющей стали и стекловолокна.

Баки для хранения горячей воды часто имеют цилиндрическую форму. Во-первых, они просты в изготовлении и герметизации, что делает их экономичными. Во-вторых, они обеспечивают лучший отвод тепла и минимизируют застойные зоны. В-третьих, они лучше выдерживают давление (при постоянном внутреннем давлении напряжение, действующее на стенку цилиндра, пропорционально его радиусу).

Термодинамические характеристики теплоаккумуляторов

(1) Основные параметры термодинамических характеристик

① Размер мертвой зоны в теплоаккумуляторе;

② Величина величины характеристики смешения М определяется степенью смешивания воды при различных температурах в теплоаккумуляторе;

③ Температурный градиент внутри теплоаккумулирующего материала;

④ Теплоемкость теплообменника;

⑤ Теплоемкость системы трубопроводов, подключенных к теплоаккумулятору;

⑥ Теплоемкость самого теплоаккумулятора и окружающей среды, контактирующей с ним (применимо к теплоаккумуляторам, закопанным под землю).

Для теплоаккумуляторов, в которых в качестве теплоносителя используется вода, два вышеуказанных пункта 3 и 4 можно проигнорировать, поскольку теплообменник не требуется.

(2) Факторы, влияющие на теплодинамические характеристики

① Состояние смешивания жидкости в резервуаре для воды. При фактическом использовании теплоаккумулирующих баков линия подачи воды может образовывать неполную форму поршневого потока, что не только не позволяет полностью сохранять тепло, но также делает невозможным полное использование накопленного тепла.

② Конструкция резервуара для воды и объем циркулирующей воды — в первую очередь это касается количества и конфигурации перегородок внутри резервуара, количества, диаметра и расположения соединительных труб, а также формы резервуара и объема циркулирующей воды.

③ Потери и приток тепла — Поскольку сам резервуар для воды имеет защитную поверхность, потери и приток тепла неизбежны. Для краткосрочных резервуаров для хранения тепла, предназначенных для смягчения кратковременных пиков потребления тепла, их заглубление под землю и изоляция могут фактически негативно повлиять на их термодинамику. Это связано с тем, что почва, благодаря своей теплоёмкости, также может выполнять определённую функцию по накоплению тепла.

4. Температуры накопления и отвода тепла. Температура накопления тепла определяется как средняя температура воды в баке в конце накопления тепла; температура отвода тепла определяется как температура воды на выходе в момент отвода тепла из бака. Возможность полного использования тепла и срок службы бака-аккумулятора тесно связаны с тем, как измеряются эти две температуры.

Переходные характеристики резервуаров для хранения тепла

При использовании теплоаккумулятора колебания температуры воды на выходе имеют решающее значение для определения тепловой нагрузки. Теоретически функциональную зависимость между температурой на входе и температурой на выходе (обычно называемыми температурами на входе и выходе) можно получить, рассчитав распределение температуры воды в баке. Однако для этого требуется решение трёхмерного уравнения неразрывности, уравнения сохранения импульса и уравнения сохранения энергии, что является сложным процессом и требует длительной вычислительной программы.

При практическом проектировании не требуется непосредственного понимания распределения температуры воды в баке. Достаточно знать временное изменение температуры на входе и подводимого тепла, а также уметь рассчитать временное изменение температуры на выходе. В настоящее время наиболее распространённым методом является «метод переходных процессов», который рассматривает весь бак как единую систему. Если предположить линейную зависимость между температурой на входе и выходе (что можно приблизительно предположить, когда температуры воды на входе и выходе одинаковы), то изменение температуры на выходе можно рассчитать при любом изменении температуры на входе с помощью интеграла свертки.

Подводя итог, можно сказать, что использование теплоаккумуляторов в качестве небольших кратковременных накопителей тепла для систем горячего водоснабжения, отопления и кондиционирования воздуха играет важную роль в использовании солнечной энергии и нашло ряд практических применений. Если требуется крупномасштабное и долгосрочное хранение тепла в течение всего сезона, некоторые страны в последние два-три десятилетия начали изучать подземные водоносные горизонты как эффективный способ хранения тепла и энергосбережения.