Тепловое аккумулиров ание энергии

Аккумулирующая среда

Для аккумулирующей среды с использованием теплоты фазового перехода важны следующие свойства:

1) низкая стоимость;

2) высокие энтальпия фазового перехода и плотность;

3) удобная из эксплуатационных условий температура плавления;

4) высокая теплопроводность в твердой и жидкой фазах (хорошие теплообменные свойства),

5) высокая теплоемкость в твердой и жидкой фазах (если используется и изменение внутренней энергии);

6) отсутствие тенденции к расслоению, температурная ста­бильность;

7) отсутствие возможности переохлаждения при затверде­вании и перегрева при плавлении;

8) низкое термическое расширение и незначительное из­менение объема при плавлении;

9) слабая химическая активность (это позволяет исполь­зовать недорогой материал для изготовления сосудов);

10) безопасность (отсутствие ядовитых паров, а также опасных реакций с рабочей или теплообменной средой).

а) Чистые вещества. Часть (а) табл. 2.3 содержит свой­ства чистых веществ, такие, как /ф, ДЛф, рДЛф (где р отно­сится к жидкому или твердому состоянию), теплопроводность и др. По удельным теплоемкостям жидкой и твердой фаз можно судить о пригодности данной среды для аккумулиро­вания внутренней энергии. Теплопроводность среды опреде­ляет теплообмен, особенно во время разрядки. Изменение плотности и химическая активность (агрессивность) опреде­ляют конструкцию и материал аккумулятора. В таблице даны также примечания, касающиеся вопросов безопасности.

Из перечисленных в таблице веществ (вода/лед, соли и металлы) фторид лития имеет наивысшую теплоту плавле­ния; он также имеет самую высокую стоимость. Почти такая же теплота фазового перехода и подходящая температура плавления гидроокиси лития позволяют использовать это ве­щество для многих процессов. Однако стоимость ее также высока. Все соли характеризуются низкой теплопроводностью и большим объемным изменением в процессе плавления. Ме­таллы имеют высокую теплопроводность; некоторым из них свойственна высокая плотность энергии.

в) Бинарные системы. При аккумулировании с использо­ванием теплоты фазового перехода бинарные системы могут обладать некоторыми преимуществами, а именно:

— точка плавления может оказаться более подходящей;

— высокие плотности энергии могут быть достигнуты даже при низких температурах плавления;

— дорогостоящие вещества с хорошими теплоаккумули­рующими свойствами могут быть использованы в смеси с де­шевыми; при этом тепловая емкость остается почти неиз­менной.

Бинарные системы при их использовании в аккумулято­рах должны плавиться и затвердевать аналогично гомоген­ному чистому веществу. Это условие выполняется для двух специальных составов смесей — эвтектического и дистектиче - ского.

1. Эвтектический состав представлен самой нижней точ­кой на диаграмме плавления. Уже при небольшом отклоне­нии состава смеси от эвтектического обычно наблюдается сильное повышение температуры плавления.

TOC o "1-5" h z 100 80 80 40

I 1------------- 1-------- ;"1---- 1---- 1---- і---- 1 ) 1

О го 40 60 80

~ ► % LijCOj Массовое содержание

Рис. 2.М. Фазовая диаграмма системы L12CO3—К2СО3 f2.l8). а — днстектическая точка; Ь, с — эвтектические точки.

2. Дистектический состав представляет собой смесь со стехиометрическим составом, который создает смешанную фазу (химическое соединение). Поэтому смесь такого состава ведет себя почти как чистое вещество. На диаграмме плав­ления такая смесь бывает представлена промежуточным мак­симумом. Днстектическая точка для смеси Ід2СОз—К2СО3 в мольном соотношении 1 : 1 (или 35 % Li2C03/65 % К2СО3 по массе) показана на рис. 2.11. Этот состав имеет эвтектики с К2СО3 (28/72 по массе) и с LiC03 (47/53 по массе) [2.18].

Если смесь не отвечает условиям эвтектики или дистек - тики (или если днстектическая смесь метастабильна), то про­цесс плавления становится неконгруэнтным, т. е. твердая фаза распадаетс*/ на жидкость и другую твердую фазу. Раз­личные составы образующихся и исчезающих фаз и, следо­вательно, различные плотности жидкости и твердой фазы мо­гут приводить к расслаиванию. Типичным примером этого крайне нежелательного эффекта может служить глауберова соль (Na2S04-IOH2O), которая была предложена для низко­температурного аккумулирования солнечного тепла в целях обогрева помещений с учетом ее низкой стоимости, подходя­щей температуры плавления, равной 34 °С, и высокой теплоты плавления (2.22].

Свойства некоторых эвтектических и дистектических сме­сей приведены в части (б) табл. 2.3. Хлориды недороги, но
подвержены сильному изменению объема; напротив, смеси карбонатов характеризуются малым изменением объема, но они более дороги.

в) Тройные смеси. Эвтектические смеси могут состоять из трех и более компонентов. В части (в) табл. 2.3 перечислены смеси хлоридов и карбонатов, имеющие такие же хорошие термические свойства, как и двойные смеси, но отличаю­щиеся более низкой температурой плавления при меньшей стоимости.