Тепловое аккумулиров ание энергии

Внутренние устройства для аккумулирующих сосудов с вытеснением

Внутренние устройства в сосудах с вытеснением предна­значаются для того, чтобы свести к минимуму температурное выравнивание между горячей и холодной частями объема. Температурное выравнивание означает потери эксергии и емкости аккумулирования; кроме того, к концу разрядки тем­пература так или иначе снижается.

Существует пять механизмов температурного выравнива­ния:

1) турбулентное смешение во время операций зарядки и разрядки;

2) осевая теплопроводность от горячей аккумулирующей среды в верхней части сосуда к холодной в нижней его части;

3) теплопроводность вдоль стенки сосуда и/или в обшивке сверху вниз;

4) тепловые потери в окружающую среду через поверх­ность цилиндрической части и днищ сосуда;

Рис. 4.5. Внутренние устройства вертикального аккумулирующего сосуда вытеснительного типа [6,21].

М~то же, что и на рис. 4.4; 6 — отверстле для датчиков температуры; 7 — линия холодной. воды; 8 — нижнее распределительное устройство; 9 — теп­лоизолированная линия горячей воды; 10— верхнее распределительное устройство; И — компенсатор; 12 — дренажная линия; 13 — уровень воды; 14 — пе­реходная зона.

5) смешение вследствие циркуляции, обусловленной по­верхностными потерями (в системах с малой высотой столба жидкости, например в аккумулирующих прудах, неустойчи­вость может быть вызвана интенсивным охлаждением поверх­ностного слоя).

Для снижения потерь от турбулентного смешения (п. 1) применяются внутренние устройства, способствующие сниже­нию входной скорости и распределению потока по всему по­перечному сечению. На рис. 4.5 показаны внутренние устрой­ства вертикального сосуда такого типа [6.21], а на рис. 4.6 — бак нормального давления с плавающей верхней частью, ко­торая позволяет приспосабливаться к изменениям уровня воды [4.6].

В отличие от процессов турбулентного смешения осевая теплопроводность (п. 2) может быть описана аналитически [4.7]. Одномерное уравнение теплопроводности дает локаль­ное распределение температур по времени в любой точке внутри сосуда. С течением времени температура выравни­вается. На рис. 4.7 показано распределение относительной температуры по безразмерной высоте вертикального сосуда с безразмерным временем (число Фурье) т = (4.20)

в качестве параметра, где а =Я/рс — температуропровод­ность (м2/с), і — время (с), X — расстояние от днища сосуда до центра переходной зоны (м).

Например, в вертикальном сосуде с //=12 м, заряжен­ном наполовину, X = Я/2 = 6 м, при рабочей температуре 260/60°С, средней температуре воды 160°С (^=0,69 Вт/(м-К), р = 910 кг/м3, с = 4320 Дж/(кг-К)), а = 0,69/910-4320 = = 0,17-10—6 м2/с, после времени существования переходной зоны в течение 12 сут (t = 1036 800 с) х составляет 0,005. Если переходную зону определить как участок, где температура на­ходится между 250 и 70 °С (Т = 0,95 и 0,05), то высота зоны определяется как (0,575—0,425) Я и оказывается равной 0,15 Я, или 1,8 м.

Теплопроводность стали (35 Вт/(м-К)) примерно в 50 раз больше, чем воды (0,698 Вт/(м-К)). Следовательно, несмотря на меньшее поперечное сечение, передача тепла теплопровод­ностью вдоль стенок сосуда больше, чем в аккумулирующей среде. Для сосуда с диаметром 3 м и толщиной стенки 50 мм, рассчитанного на давление 5,5 МПа, отношение площадей поперечных сечений жидкости и стенок около 0,06 и эффек­тивная теплопроводность примерно в 4 раза больше, чем у воды. Время, после которого будет достигнуто температурное распределение, соответствующее т = 0,005, для такого сосуда в действительности оказывается равным 3 сут.

Были предложены теплоизолированные разделяющие та­релки, плавающие между горячей и холодной водой [4.24],

Эти тарелки уменьшают турбулентность и передачу тепла теплопроводностью по воде, но не изменяют теплопроводности стенок.

Как видно из уравнения (4.20), высокие сосуды позволяют решить эту задачу другим, более простым путем.