Тепловое аккумулиров ание энергии

Обозначения и классификация

На рис. 2.1 показан процесс теплового аккумулирования с использованием сосуда-аккумулятора. Баланс энергии для этого процесса в общем виде можно записать

Евх ЕВЪ1Х —Еак, (2.1)

где Евх — подведенная энергия, £ВЫх — отведенная энергия, а Еак — аккумулированная энергия [2.1, 2.2].

Применяя первый закон термодинамики для подведенной и отведенной энергии к этой открытой системе, получим основное уравнение аккумулирования энергии для открытых систем в дифференциальной форме:

(и + pv + gH + с2/2)ах dmsx - f dQ —

— {u + pv + gH + с2/ 2)вых dmBUX — (2.2)

- dW = d [(и + gH + с2/2)aK /raj,

где /Пак — масса аккумулирующей среды; и — внутреняя энер­гия (отсчитываемая от произвольного нулевого уровня); р — давление; v — удельный объем; g — ускорение силы тяжести; Н — высота (отсчитываемая от произвольного нулевого уров­ня); gH — удельная потенциальная энергия; с — скорость те­чения; с2/2 — удельная кинетическая энергия; dQ — тепло,

= > Рис. 2.1. Энергетический баланс

dW аккумулятора.

подведенное к системе; dW — работа системы, не зависящая от переноса массы (например, при движении стенок системы, электрическая энергия, энергия вала двигателя).

Исследование общего уравнения (2.2) показывает, что аккумулирование энергии может осуществляться в результате изменения а) удельной внутренней энергии; б) удельной по­тенциальной энергии; в) удельной кинетической энергии; г) массы системы. К тепловому аккумулированию энергии обычно относят случай (а), а также случай (б), если удель­ная внутренняя энергия рабочего тела выше, чем окружающей среды

В этой книге определение теплового аккумулирования тем не менее распространяется и на случай изменения массы системы при низкой удельной внутренней энергии, если эксер - гия (располагаемая работа) аккумулирующей среды высокая за счет ее состояния. Сюда относятся например, системы аккумулирования сжатого газа (воздуха), которые способны аккумулировать значительное количество эксергии, даже если газ имеет температуру окружающей среды и, таким образом, его внутренняя энергия пренебрежимо мало отличается от энергии при параметрах окружающей среды. Очевидно, что такая система аккумулирования используется для накопления только механической энергии, тогда как аккумулирование тепла в смысле, соответствующем случаю (а), позволяет по­лучить как механическую энергию, так и тепло.

Если накопление и кинетической, и потенциальной энер­гии исключено (Сак = О, Н = 0) и если, кроме того, члены уравнения (2.2), соответствующие кинетической и потен­циальной энергиям подводимой и отводимой масс, пренебре­жимо малы, а работа ограничена движением поверхностей, ограничивающих систему, т. е. если

dW = paKdVaK,

где Уак — объем аккумулятора, рак— давление в аккумуля­торе, то уравнение (2.2) преобразуется к виду, справедли-

и, следовательно, энергетический баланс (2.1) принимает вид hBX dmBX dQ Лвь1х dmBU]i = d{utn)BK рвк dVах. (2.6)

Соответственно баланс массы запишется как

dm вх ditiBhlx dmBK.

Процессы зарядки и разрядки описываются в общем виде уравнениями (2.4) или (2.6) и (2.7). В простых случаях воз­можно аналитическое решение. В других, более сложных случаях могут быть получены численные решения (в особен­ности это относится к процессу разрядки).

В соответствии с принятыми выше определениями и вы­водами можно провести классификацию аккумуляторов тепла.

а) Аккумулирующая и теплообменная среды

al. Прямое аккумулирование: аккумулирующей и тепло­обменной является одна и та же среда. Аккумулирующая среда может быть твердой, жидкой, газообразной или двух­фазной (жидкость плюс газ).

а2. Косвенное аккумулирование - энергия аккумулируется только посредством теплообмена (например, теплопровод­ностью через стенки резервуара) либо в результате массооб - мена специальной теплообменной среды (в жидком, двух­фазном или газообразном состоянии). Собственно аккумули­рующая среда может быть твердой, жидкой или газообразной (процесс может протекать без фазового перехода, с фазовым переходом твердое тело — твердое тело, твердое тело — жид­кость или жидкость— пар.

аЗ. Полупрямое аккумулирование: процесс протекает как в случае а2, за исключением того, что аккумулирующая ем­кость теплообменной среды играет более важную роль (на­пример, аккумулирование горячей нефти с твердой насадкой).

а4. Сорбционное аккумулирование: в этом случае исполь­зуется способность некоторых аккумулирующих сред абсор­бировать газы с выделением тепла (и поглощением тепла при десорбции газа). Передача энергии может происходить непо­средственно в форме тепла или с помощью газа.

б) Масса аккумулирующей среды

61. Постоянная масса (dmBк = 0): обычно это случай кос­венного аккумулирования. Однако может иметь место и пря­мое аккумулирование, если перемещаемая часть массы после

охлаждения (при разрядке) или нагрева (при зарядке) пол­ностью возвращается в аккумулятор (вытеснительное акку­мулирование) .

62. Переменная масса (dmaK ф 0): это всегда случай пря­мого аккумулирования.

в) Объем аккумулятора

в1. Постоянный объем (dVак = 0): этот случай соответ­ствует аккумулированию в закрытых (или с малым измене­нием объема) резервуарах.

в2. Переменный объем №УакфО): этот случай соответ­ствует аккумулированию при атмосферном давлении или со специальным компрессионным оборудованием.

г) Давление в аккумуляторе

г1. Постоянное давление {dpaк = 0).

г2. Переменное (скользящее) давление (гірак^О).