Схема теплоаккумулятора: Схема подключения теплоаккумулятора — особенности и задачи. Пример типовой схемы подключения буферной емкости

Содержание

Правильная схема отопления с теплоаккумулятором

Содержание:

1. Функциональные особенности теплоаккумулятора
2. Использование теплоаккумуляторов для твердотопливных котлов
3. Тепловой аккумулятор для электрокотла
4. Системы многоконтурного отопления с теплоаккумуляторами
5. Правила установки и расчет

Многие хозяева часто сталкиваются с вопросом касательно того, что такое тепловой аккумулятор, используемый в отопительной системе, и как он функционирует. Об устройстве этих механизмов, а также о том, как должно проходить подключение теплоаккумулятора к котлу, далее и пойдет речь.

Функциональные особенности теплоаккумулятора


Аккумуляторный отопительный бак внешне представляет собой высокую емкость цилиндрической или квадратной формы, оснащенную несколькими патрубками, расположенными на разном уровне. Объем такого резервуара может составлять от 20 до 3000 литров, однако наиболее распространенными образцами являются модели от 0,3 до 2 м³.

Функциональность такого оборудования является действительно высокой и отличается следующими признаками:

  • конструкция может быть оснащена большим числом патрубков (от четырех до нескольких десятков). Влияет на это, в первую очередь, то, какой конфигурацией обладает система отопления с теплоаккумулятором, а также то, сколько контуров в ней имеется;
  • это оборудование можно оснастить теплоизоляцией, которой может выступать такие традиционные материалы, как минеральная вата или вспененный полиуретан. При этом правильнее будет изолировать бак даже в том случае, если он располагается в отапливаемом помещении, поскольку это позволит избежать непредвиденных потерь тепла;
  • материалом для изготовления стенок теплового аккумулятора своими руками могут послужить такие элементы, как черная или нержавеющая сталь. Второй материал обеспечит оборудованию более долгий срок службы, однако приобрести его будет дороже;
  • существует возможность разделения конструкции бака на сообщающиеся сегменты, отделенные друг от друга расположенными горизонтально перегородками. Данная мера позволяет теплоносителю иметь примерно одинаковую температуру в той или иной части механизма;
  • бак может быть оснащен особыми фланцами, предназначенными для установки ТЭНов (трубчатых электронагревателей). Их использование может допускать возможность того, что весь аппарат будет функционировать по принципу электрического котла;
  • в том случае, если оборудуется теплоаккумулятор с теплообменником, емкость аккумулятора может выполнять функцию приготовления горячей воды, пригодной дл питья. При этом теплообменник в этом случае может быть как обычным проточным пластинчатым, так и накопительным баком внутри резервуара. Так или иначе, расчет теплоаккумулятора для отопления не предусматривает большие затраты на нагрев воды для этих целей;
  • снизу агрегата может находиться еще один теплообменник, предназначенный для установки коллектора солнечного тепла. Монтируется он внизу системы потому, что эффективную теплоотдачу можно обеспечить даже при условии, если производительность коллектора будет невысокой, к примеру, в вечернее время. Читайте также: "Солнечная батарея для нагрева воды своими руками".


Использование теплоаккумуляторов для твердотопливных котлов


 Для котлов такого типа схема отопления с теплоаккумулятором предусматривает такой режим работы, при котором топливо сможет по возможности сгорать без какого-либо остатка, а мощность оборудования, равно как и его КПД, будут максимальными. Для того чтобы отрегулировать мощность оборудования, можно ограничить подачу воздуха к камере сгорания.

Схема подключения теплоаккумулятора к твердотопливному котлу предусматривает такую систему, при которой:

  • тепло, производимое работающим при максимальной мощности котлом, направляется непосредственно к резервуару с водой для ее нагрева;
  • по окончании полного сгорания топлива теплоноситель не прекращает циркулировать по системе от бака накопления до радиаторов, постепенно забирая у него тепловую энергию. Читайте также: "Схема подключения твердотопливного котла к системе отопления".

Как результат, растапливать котел придется гораздо реже, что позволит сэкономить значительную часть времени и физических сил.

Тепловой аккумулятор для электрокотла


Самодельный теплоаккумулятор отопления, используемый вместе с котлом, работающим от электричества, также может обеспечить некоторую выгоду, несмотря на то, что большинство современных электрокотлов не требует тщательного ухода и прекрасно функционируют без чьего-либо вмешательства. Читайте также: "Самодельный пиролизный котел".
Особую пользу такая система будет нести при условии ночного тарифа. Так, в темное время суток стоимость на электроэнергию может быть значительно меньшей по сравнению с дневной ценой на киловатт-часы.

Поэтому функционирование аккумулятора отопления проходит по следующей схеме:
  1. В ночное время автоматизированный котел самостоятельно включается в нужное время, при этом нагревая аккумулятор отопления до температуры, равной 90°.
  2. Днем все полученное тепло расходуется на обогрев жилища. При этом регулировать расход воды можно, настроив желаемым образом производительность насоса циркуляции. Читайте также: "Как установить тепловой аккумулятор для отопления разными видами котлов".


Системы многоконтурного отопления с теплоаккумуляторами


Еще одно неоспоримое достоинство бака накопления – это потенциальная возможность эксплуатировать его как гидрострелку (прочитайте: "Гидрострелка для отопления").

Подобная функция является очень нужной, так как ввиду того, что корпус бака оснащен как минимум четырьмя патрубками, появляется возможность отбирать теплоноситель с нужной температурой на том или ином уровне накопительного бака. Это даст возможность оборудовать качественный контур с высокой температурой, оборудованный радиаторами, а также отопление с низкими температурами, как, например, в теплом полу.

Однако не стоит забывать и о насосах, имеющих схемы контроля нагрева, поскольку температура на разных уровнях накопительного резервуара в разное время суток, как известно, отличается.

При этом функция патрубков не сводится исключительно к отводам для отопительных контуров. Сразу несколько систем котлов, оборудованных по разному типу, можно подключить к одному аккумулятору отопления.


Правила установки и расчет


Принцип подключения теплоаккумулятора является таким же, как и у гидрострелки, а основное отличие заключается только в теплоизоляции и объеме. Эти механизмы нужно монтировать между двумя трубопроводами, идущими от котла – обратным и подающим. Подающий элемент подключается к верхней части резервуара, в то время как обратный – к нижней. Читайте также: "Как подобрать теплоаккумулятор для котлов отопления – принцип работы, преимущества использования".
Для того чтобы рассчитать тепловую емкость устройства, можно воспользоваться следующей формулой: Q = mc (T2-T1). В данном случае Q – это количество накопленного тепла, m – масса, которой обладает вода в емкости, c – показатель удельной теплоемкости, измеряемый в Дж/(кг*К) и равный 4200, а Т2 и Т1 – исходный и конечный параметр температуры воды. Читайте также: "Как работает буферная емкость для отопления – преимущества, правила выбора и использования".

Пример использования теплоаккумулятора в схеме отопления:



Данная формула позволит правильно рассчитать то, какую тепловую емкость должен иметь теплоаккумулятор для котлов отопления. При возникновении вопросов относительно создания и монтажа теплоаккумуляторов, а также во избежание неполадок во время дальнейшей эксплуатации всегда можно обратиться за помощью к квалифицированным специалистам, в наличии у которых всегда имеются фото вариантов оборудования, а также подробные видео по их правильной установке.

Подключение буферной емкости и ее использование

Буферная емкость позволяет накапливать много тепловой энергии, в большом объеме нагретого теплоносителя. Затем отдавать ее в систему отопления дома постепенно, с помощью особенной обвязки. Использовать твердотопливный котел с буферной емкостью значительно удобней, комфортно.
Можно топить редко и помногу.

Фактически, буферная емкость с обычным твердотопливным котлом сейчас конкурирует с пеллетным автоматизированным котлом, или с различными модификациями твердотопливного котла на большую загрузку (т.н. длительного горения).
Какие имеются плюсы и минусы, в чем недостатки вариантов – далее…

В чем же особенность применения теплоаккумулятора и как его подключить правильно, чтобы использование было комфортным и безаварийным?

Схема подключения (обвязки) буферной емкости с твердотопливным котлом

На схеме твердотопливный котел и буферная емкость.
Схема упрощенная, не указаны краны, термометры, манометры и др.

Применены два трехходовых клапана.

Первый клапан включен в контур котла. Он предохраняет котел от низкой температуры теплоносителя (от работы ниже точки росы и увлажнения…). Клапан обязателен, так как с буферной емкостью работа кола в неблагоприятном «холодном» режиме продолжительная.

В данной схеме применяется смесительный клапан (смешивает жидкости). Направление движения жидкости по байпасу указано стрелкой.
Клапан управляется термоголовкой, датчик которой расположен на обратке котла.

Клапаном поддерживается температура на обратке котла больше чем 60 градусов.

Второй клапан находится в контуре радиаторов. Он поддерживает температуру в радиаторах по желанию пользователя. Часть обратки от радиаторов через клапан может направляться на подачу.

Здесь применяется разделительный клапан (разделяет потоки). Направление движения жидкости через байпас указано стрелкой. Датчик термоголовки радиатора размещается на подаче на входе в радиаторную сеть.

Следует обратить внимание на расположение насосов. Только с таким расположением насосов относительно трехходовых клапанов обеспечивается их работа.

Но насосы могут располагаться и на подающей ветви, принципиальной разницы нет.

Твердотопливный котел не автоматизирован, его работа должна контролироваться человеком по показаниям термометров, которыми снабжается буферная емкость. А также желательно установить термометр на трубопроводе на подаче в радиаторную сеть (в месте расположения датчика термоголовки).

Используется температурное реле в контуре радиаторов. Оно защищает пластиковые трубопроводы радиаторной сети от слишком высокой температуры. Настраивается на 85 градусов. Отключает насос радиаторного контура и включает звуковой сигнал (звонок), который предупреждает пользователя о срочной необходимости потушить горение в котле.

В сеть параллельно радиаторам может быть включен контур теплого пола.
Какие схемы используются в теплом полу

Вода ГВС нагревается во встроенном в емкость теплообменнике.

Другие схемы обвязки

Схема включения (обвязки) буферной емкости с использованием автоматического управления трехходовым клапаном с помощью сервопривода. Здесь используются одинаковые смесительные клапаны, в контуре радиаторов клапан установлен на подаче.

Схема подключения теплоаккумулятора к твердотопливному котлу с использованием автоматики управления температурой радиаторов. Используется датчик температуры на подающей ветви на радиаторы и информация с комнатных термостатов. А также управление насосом радиаторов (отключение) в случае критического повышения температуры.

Режим топки и объем емкости

Кроме твердотопливного котла буферная емкость будет полезной с электрокотлом, если подключен дешевый ночной тариф электричества. Тогда заряжать теплоаккумулятор можно ночью.

Объем теплоносителя: специалисты рекомендуют примерно тонну воды на 200 м кв. утепленного дома. Если больше – неудобно, долго заряжать. Меньше – чаще топить. При таком объеме топка примерно раз в сутки в средние морозы или реже.

Количество энергии которое может накапливать теплоаккумулятор в зависимости от емкости

Продолжительность топки напрямую будет зависеть от мощности твердотопливного котла. Рекомендуется с буферной емкостью использовать более мощный котел, чем подобранный по теплопотерям. Возможно использование котла в 2 – 3 раза мощнее, что увеличивает комфортность использования, укорачивает топку.

Как правило, с режим топки выбирают по опыту, таким образом, чтобы разогревать теплоноситель до 80 градусов. При этом радиаторная сеть работает в низкотемпературном режиме 50 – 60 градусов. Общее остывание теплоносителя на 20 – 40 градусов в течении суток обеспечивает компенсацию потери тепловой энергии домом. Количество секций радиаторов подбирается на низкотемпературный режим обогрева.

как подобрать радиаторы отопления для дома по мощности, виду

Подбор насосов и балансировка

Чтобы емкость работала правильно, у нее вверху должна находиться более теплая вода. Она же сразу забирается в радиаторную сеть. После начала топки радиаторы нагреваются сразу.
Но для этого вода по емкости должна двигаться сверху вниз. Т.е. в контуре котла расход должен быть больше. Как правило, это достигается даже одинаковыми насосам и одинаковым режимом работы (в контуре котла сопротивление меньше). Или в контуре радиаторов ставится дросселирующий кран.

Давление в системе с буферной емкостью делается пониженное – 0,7 -1,5 атм. Гидроаккумулятор подбирается объемом – 12% от объема воды в системе.

Важно. Насос контура котла нужно отключать после того как котел прогорит. Иначе произойдет ускоренное охлаждение теплоносителя через теплообменник котла и дымоход. Удобно сделать автоматику на отключение после снижения температуры в котле. В любом случае, выключатели двух насосов нужно расположить удобно на стене в месте обслуживания отопления, так как пользоваться отключением насосов придется часто.

Преимущества применения тепловых аккумуляторов

Помимо всего прочего, буферная емкость позволяет эксплуатировать твердотопливный котел в оптимальном режиме. Сжигание дров (угля) производится с наибольшей подачей воздуха, максимально эффективно (с наибольшим КПД), с наибольшей температурой, при этом образуется меньше СО, смолы и недогоревшей золы (сгорает). Все режимы с ограничением подачи воздуха являются не оптимальными для горения.

В продаже можно встретить множество дорогих буферных емкостей от Европейских производителей. Но местного производства обойдутся в 2 – 3 раза дешевле. Заказывают часто из нержавейки. Делают теплоаккумуляторы и отдельные мастера, «гаражная» емкость из черного металла 3 – 4 мм будет дешевой, но сколько времени ее можно эксплуатировать под давлением…

  • Система с твердотопливным котлом и буферной емкостью отличается значительными первоначальными затратами. Но в дальнейшем отопление дровами или (и) углем наиболее дешевое, а комфортность повышенная. В схему «просится» электрический котел, обеспеченный дешевым тарифом, что только повысит комфортность отопления.
  • Пеллетный котел автоматизированный требует обслуживания, как правило, раз в неделю. Но он еще дороже сам по себе, чем первая схема, и топливо также дорогое.
    Чем выгоднее отапливать частный дом
  • Так называемые «котлы длительного горения» с большим объемом загрузки, в целом, имеют массу недостатков, сложны и дороги (хоть и не настолько как первые схемы), рекомендованы быть не могут.
    Подробнее Какие встречаются котлы длительного горения

Схема отопления с теплоаккумулятором в частном доме

Твердотопливные котлы – отличное оборудование для отопления частного дома в сельской местности или в пригороде, вдали от газовых магистралей. Как и любое другое оборудование котлы на твердом топливе претерпевают изменения, модифицируются и усовершенствуются, поэтому современные модели представлены пиролизными аппаратами, котлами с теплоаккумуляторами, пеллетным оборудованием, оснащены автоматикой и средствами контроля параметров. Стандартная схема отопления с теплоаккумулятором заслуживает особого внимания, так как экономит топливо, которое и без того стоит недешево – ведь платить приходится не только за дрова, торф, пеллеты или уголь, но и за их доставку. Теплоаккумулятор для электрических и твердотопливных котлов отопления эффективнее себя проявит, если подсчет электроэнергии ведется по дневному и ночному тарифам. Отопительное оборудование с тепловым аккумулятором

Устройство отопления с ТА

Тепловой аккумулятор (ТА) для котлов отопления – составная часть отопительной системы, работающая на увеличение временного отрезка между циклами подачи топлива в топочную камеру. Конструктивно это герметичная утепленная емкость большого объема, наполненная теплоносителем из системы отопления, который постоянно циркулирует по контуру (контурам). В качестве теплоносителя используются традиционные жидкости – дистилированная вода, антифриз, водно-глюколевые растворы.

Единственная особенность, которую обязательно нужно учитывать при принятии решения о включении в схему ТА – объем отапливаемых помещений. Чем он меньше, тем меньше смысла в установке теплоаккумулятора – мощности котла и нагревательных приборов (радиаторов, батарей) вполне достаточно для обогрева небольших помещений. Как функционирует отопление с тепловым аккумулятором – упрощенная схема подключения:

  1. Теплоаккумулятор включается в разрыв между котлом и трубной разводкой, то есть, нагретая в котле жидкость сразу направляется в емкость;
  2. Из аккумулятора горячая жидкость перетекает в отопительные приборы посредством трубной разводки;
  3. По обратной подаче жидкость снова направляется в аккумулятор, а из него – в котел для нового цикла нагревания.
Принципиальная схема работы отопления с тепловым аккумулятором

Потоки подачи и обратки должны постоянно смешиваться – это условие эффективной работы теплового аккумулятора. Но нагретый теплоноситель поднимается вверх, а остывший – опускается вниз, поэтому сложность обеспечения работоспособности системы заключается в том, чтобы создать такие условия, при которых некоторый объем горячей жидкости опускался на дно аккумулятора для нагрева остывшей жидкости из обратки. Заряженный аккумулятор – это резервуар, в котором весь объем теплоносителя имеет одинаковую температуру.

После сгорания очередной порции твердого топлива котел перестает нагревать воду, и начинает работать ТА. Горячий теплоноситель продолжает двигаться в системе, отдавая тепло и охлаждаясь в батареях. Циркуляция будет продолжаться до тех пор, пока теплоноситель не остынет полностью, или в котел не загрузится новая порция дров или угля.

При наличии системы автоматики критическое охлаждение теплоносителя не допускается, так как подача твердого топлива в системе отопления с твердотопливным котлом контролируется датчиками температуры: при достижении определенного значения, означающего, что котел перестал поддерживать горение, датчик подает сигнал в исполнительную систему, которая открывает задвижку подачи топлива – угля, пеллет или торфа. Автоматическая загрузка топлива в твердотопливный котел

Недостатки работы системы отопления с теплоаккумулятором для дачных и садовых домиков с сезонным проживанием:

  1. Помещения прогреваются дольше;
  2. Из-за маленьких размеров ТА увеличивается объем отопительного контура, поэтому самый дешевый теплоноситель для таких систем – вода. Антифриз и другие синтетические жидкости обойдутся слишком дорого.


Но каждый раз по приезде вновь наполнять систему водой – занятие хлопотное, а, если выездите на дачу два-три раза в месяц – просто бессмысленное. Поэтому в ТА встраиваются дополнительные стальные спиральные трубы, выполняющие роль отопительных контуров. Теплоноситель, протекающий по спиралям, не контактирует с теплоносителем в ТА, а является отдельным и автономным контуром отопления или ГВС. Реализацией такого несложного приема можно добиться универсальности применения любого котла, даже простейшего одноконтурного. Причем КПД такого оборудования будет использован максимально. Теплоаккумулятор со спиралевидным контуром

Роль таких пассивных спиралей могут выполнять и активные элементы – электрические ТЭНы, которые могут подключаться к электрической сети или быть автономными – работать от энергии солнца (солнечных аккумуляторов). Такой способ нагрева теплоносителя или ГВС считается вспомогательным.

Схема обвязки с тепловым аккумулятором

Схем отопления с твердотопливным котлом и теплоаккумулятором можно разработать сколько угодно – все будет зависеть от реальных условий эксплуатации отопления, расположения помещений, их площади, применяемого оборудования, и т.д. Традиционная и стандартная обвязка твердотопливного котла отопления схема с теплоаккумулятором работает следующим образом:

На рисунке ниже стрелками указаны перемещения теплоносителя по системе, при этом обратка вверх двигаться не может. Чтобы забирать теплоноситель из обратки, в схему включается циркуляционный насос между аккумулятором и котлом, который перекачивает больше жидкости, чем насос до ТА. Таким образом, образуется перепад давлений в трубах, и жидкость забирается из трубы обратной подачи в резервуар. Небольшой недостаток этой схемы заключается в том, что контур будет нагреваться дольше. Простейшая схема обвязки с теплоаккумулятором

Для уменьшения этого временного отрезка реализуется такое устройство отопления (рисунок ниже по тексту) с замкнутым циклом прогревания котла. Работает схема так: теплоноситель не поступает из ТА в котел до тех пор, пока она не нагреется в рубашке котла до заданной температуры. После достижения заданного значения некоторый объем жидкости из трубы подачи поступает в аккумулятор, а часть смешивается в системе с жидкостью из ТА, и снова подается в котел. Обвязка теплоаккумулятора с контуром прогревания котла

В результате реализации такой схемы котел всегда принимает нагретую жидкость, что поднимет его КПД, уменьшает время прогрева отопительного контура и позволяет организовать автономный режим работы включением двух байпасов:

  1. При неработающем насосе и перекрытом вентиле нижнего байпаса работает обратный клапан;
  2. При неработающем насосе и обратном клапане работает нижний байпас.


Из-за высокого сопротивления обратного клапана потоку теплоносителя его можно не включать в схему: Обвязка без обратного клапана для системы с естественной циркуляцией теплоносителя

При аварийном отключении электричества шаровый вентиль открывается вручную. При работе схемы только с принудительной циркуляцией теплоносителя обвязка с ТА делается по следующей схеме: Обвязка для системы с принудительной циркуляцией теплоносителя

Как рассчитать требуемый объем теплоаккумулятора

Слишком большой или слишком маленький резервуар для накопления тепла в виде нагретого теплоносителя– это неэффективное решение, поэтому требуемый объем резервуара подлежит математическому расчету, точные результаты которого получить сложно из-за приблизительных первоначальных данных – тепловых потерь в помещении, свойств утеплителя стен и фундамента дома, теплоизолирующих качеств стройматериалов стен, перекрытий и перегородок, этих же параметров оконных и дверных проемов. Но приблизительно провести расчет теплоаккумулятора все же можно, и рассчитан такой прием именно на незнание точных тепловых потерь здания, тем более, если его только предстоит построить.

Выбор размеров и объема резервуара под тепловой аккумулятор можно сделать, отталкиваясь от следующих параметров:

  1. Общая площадь отапливаемых помещений;
  2. Тепловая мощность нагревательного оборудования.

Эти два параметра и определяют объем ТА.

Допустим, необходимо вычислить объем теплового аккумулятора для отопительной системы, исходя из отапливаемой площади помещения. Формула для расчета простая: площадь в квадратных метрах умножается на четыре (Sx 4). Например, для дома общей отапливаемой площадью 50 м2 потребуется резервуар на 200 литров. При таком объеме ТА, как показывает практика, загружать котле твердым топливом можно всего одни раз в сутки. Это – очень хорошая экономия и очень хороший КПД.

Расчет объема теплоаккумулятора отопления

Знающие хозяева скажут, что можно просто установить пиролизный котел, который будет работать так же. Но работа такого котла немного сложнее и менее эффективна, так как:

  1. Сначала топливо возгорается и разгорается;
  2. Затем ограничивается подача воздуха;
  3. Последним активируется тление топлива (пиролиз).

При возгорании топлива температура теплоносителя резко возрастает, а пиролизный процесс поддерживает ее на заданном уровне, причем во время протекания пиролиза много тепловой энергии просто исчезает в трубу дымохода, не обогревая почти ничего. Еще один минус – при открытой системе отопления на пиках разогрева теплоноситель может закипать и выплескиваться из расширительного бачка, а при использовании ПВХ труб для разводки отопления они быстрее выходят из строя от высокой температуры.

 

Теплоаккумулятор схема. Схема отопления с теплоаккумулятором.

Схема подключения теплоаккумулятора к твердотопливному котлу

Теплоаккумулятор – это та составляющая каждой системы отопления, вокруг которой ходит большое количество домыслов. С ростом популярности твердотопливных котлов, мы все чаще слышим о теплоаккумуляторах, также нам рассказывают, что они способны делать чудеса. Насчет чудес не знаем, но тот факт, что с подключением этого оборудования система отопления стает эффективней – это неоспоримый факт. Но, для того, чтобы получить максимальную выгоду, нужно правильно подобрать тип бака и его схему подключения, так как их на рынке существует очень много и очень легко запутаться в их выборе.

 

Сегодня мы будем вести разговор о том, какие бывают теплоаккумулятор схема его подключения. Ведь многие уже знают, что с этим устройством можно увеличить эффективность своей системы отопления, а также получить другую выгоду. Тип подключения теплоаккумуляторов зависит от параметров теплоносителя вашей системы отопления   и от того какой тип бака вы думаете приобрести.

 

Рассмотрим ситуацию, при которой температура теплоносителя на выходе с котла равняется температуре теплоносителя в самой системе отопления. Тогда теплоаккумулятор схема установки будет иметь очень простой вид. В этом случае бак будет применяться для защиты котла от перегрева, а так же для эксплуатации котла при максимальной эффективности. Труба подачи с котла подключается в верхний выход бака, с другой стороны емкости труба идет в систему отопления. Обратный трубопровод подключается по такому же принципу. Сначала будет прогреваться система отопления, потом излишки тепла будут накапливаться в емкости.

Также возможна ситуация, в которой теплоаккумулятор схема отопления будет включать в себя несколько отопительных приборов, которые имеют разную по своему потенциалу температуру теплоносителя. Это может быть при работе твердотопливного котла и солнечного коллектора или теплового насоса. Тогда бак будет включать в себя дополнительный теплообменник, который будет расположен в нижней части емкости. Так как теплоноситель с высокой температурой будет находиться вверху, а более холодный внизу – то коллектор подключаем в нижний теплообменник.  Так как зимой такой источник тепла способен выдавать температуру не более 30-40 градусов.

 

Также теплоаккумулятор схема возможна с применением всех троих источников нагрева. Для этого нужен бак, который имеет два или больше теплообменника. Сама процедура подключения та же, что и в предыдущих вариантах. Дополнительно можно подключать электрический нагревательный элемент. Для этого большинство баков имеют специальные фланцы с резьбой. Сама процедура установки ТЭНа занимает несколько минут. Это очень удобно, когда твердотопливный котел потух, а по причине длительных снегопадов солнечный коллектор не может выдавать теплоноситель нужной температуры.

 

Может быть также у теплоаккумуляторов схемы подключения, которые включают в себя узлы подмеса. Это делается в том случае, если температура теплоносителя в котле и самом баке выше, чем необходимая температура в контуре отопления. Это актуально, если у вас теплые полы, или ваш котел предусматривает автоматический контроль в разных контурах отопления. Для этого нужно устанавливать специальный подмешивающий узел, который будет смешивать холодную с обратного трубопровода в подающий. Лишнее тепло будет переходить в теплоаккумулятор.

Схема отопления с твердотопливным котлом и теплоаккумулятором

Если вам нужна еще горячая вода для хозяйственных нужд, тогда теплоаккумулятора схема еще должна иметь или специальный эмалированный бак или медный теплообменник с большим количеством витков. Все эти детали должны находится в верхней части бака, где температура теплоносителя максимальная.

Обвязка теплоаккумулятора: схемы, пояснения, принцип работы

Подключить теплоаккумулятор (буферную емкость) для отопления можно десятком разных способов. Есть самые простые — просто трубы подключить, есть сложнее, с большим количеством элементов, которые решают различные задачи. Разберем, как подключить теплоаккумулятор, по порядку, с возможностями схем, для разных потребителей. Рассмотрим плюсы и минусы каждой из схем.

Обвязка теплоаккумулятора: упрощенная схема

Буферную емкость ставят между водогрейной печью/котлом и системой отопления. В самом простом варианте подключают трубы напрямую, без каких-либо излишеств (см. рисунок ниже). Вот только лучше поставить отсечные краны  на каждом из отводов — перед и после емкости. Это даст возможность отключать емкость, проводить ремонтные работы с баком и не сливать при этом теплоноситель из системы. Еще очень желательны фильтры.

В чем недостаток такой схемы подключения теплоаккумулятора для системы отопления? При поступлении в теплообменник котла теплоносителя с низкой температурой, образуется конденсат. Он состоит из очень едких жидкостей, которые разрушают металл. Испаряясь, этот конденсат оставляет толстый слой налета на теплообменнике, что очень сильно снижает эффективность (теплообменник хуже нагревается). Ситуация с холодной обраткой появляется во время старта системы, пока не нагрет теплоноситель. Так как в данной схеме греться должен весь объем, конденсат выпадает продолжительное время, что приводит к быстрому снижению эффективности отопления, разрушению теплообменника.

Самая простая схема подключения теплового аккумулятора к системе отопления

Второй недостаток этой схемы: вода в емкости может быть очень горячей — до 90°C и больше. Если подавать ее в радиаторы напрямую, в помещениях может быть слишком жарко, к тому же о нагретые до такой температуры радиаторы можно серьезно обжечься. На теплый водяной пол, такой горячий теплоноситель вообще давать нельзя — все расплавиться.

И, самое важное, в данной схеме нет циркуляционного насоса. То есть, движется теплоноситель по естественным причинам: благодаря уклону труб (не забудьте, кстати, о правильном уклоне) и разнице температур между подачей и обраткой. Но такое движение медленное и малоэффективное, особенно при понижении температуры в баке. Такая схема малоэффективна. Для того чтобы теплоноситель двигался быстрее, ставят циркуляционный насос.

Куда поставить циркуляционный насос

В большинстве схем обвязки теплоаккумулятора с циркуляционным насосом, он стоит в обратном трубопроводе перед котлом. В обратке — потому что тут ниже температуры, но можно поставить и на подаче. Современные насосы рассчитаны на прокачку теплоносителя до 110°C, так что они там неплохо себя чувствуют. Второй момент: при установке на подаче, насос не будет создавать дополнительное давление на теплообменник, что продлит срок его службы.

В любом случае при установке циркуляционного насоса в подаче или на обратке, возможность естественной циркуляции отсутствует. То есть, при отключении электроэнергии, циркуляция остановится, котел неминуемо закипит. Чтобы избежать этого, ставят четырехходовой клапан, через который организуют сброс перегретой воды в канализацию и подпитку холодной водой из ХВС. Так организуется аварийное охлаждение теплообменника и предупреждается закипание теплоносителя.

Один из способов избежать перегрева теплоносителя в котле отопления

Обратите внимание, что реализовывать эту схему можно только на стальных или медных теплообменниках. С чугунными — нельзя. При попадании холодной воды они могут лопнуть.

Есть и другой способ. Он более щадящий по отношению к теплообменнику (подходит и для чугунных) и требует меньше материалов. Можно сделать обвязку между котлом и теплоаккумулятором для отопления так, чтобы сохранить естественную циркуляцию. В таком случае при отключении электропитания котел не закипит — будет продолжать греть воду в емкости.

Для сохранения естественной циркуляции теплоносителя, насос ставят в отдельном, специально созданном контуре. Чтобы схема работала, в контуре ставят лепестковый обратный клапан большого сечения.

Так сохраняется естественная циркуляция даже при отсутствии электропитания

Когда не работает циркуляционный насос, он пропускает поток теплоносителя от ТА. При работе циркуляционного насоса, он своим напором подпирает клапан и теплоноситель идет через насос. На насос идет труба не менее дюйма в диаметре. Только в этом случае может сохраниться естественная циркуляция.

Решаем проблему конденсата

Логичное решение проблемы слишком холодной воды на обратке — добавить горячую с подачи. Реализуется это при помощи перемычки и установленного на отводе регулируемого трехходового смесительного клапана. Клапан должен быть смесительного типа: при достижении выставленной температуры, он плавно начинает сдвигать клапана в двух подключенных трубах. Таким образом получается постепенное и плавное изменение температуры.

Обвязка теплоаккумулятора: добавочный контур для подмеса теплой воды в обратку

Холодная вода в обратном трубопроводе появляется в нескольких случаях: при разгоне котла, когда вода в теплоаккумуляторе сильно остыла (после простоя), а котел в работе. Давайте рассмотрим, как работает эта схема подключения аккумулятора тепла в обоих случаях. Движение теплоносителя показано на иллюстрациях ниже.

Пока котел не разогрелся, теплоноситель совсем холодный. В этом случае трехходовой клапан перекрывает поток теплоносителя на ТА и он движется по малому кругу (рисунок внизу, верхняя левая картинка). Прогрев происходит быстро, так как воды мало, время, образования конденсата минимально. На рисунке принято, что трехходовой клапан настроен на 55°C. Пока вода в малом круге не достигнет этой температуры, она так и циркулирует в нем.

Когда теплоноситель в малом кольце разогревается до 55°C, клапан сдвигает заслонки, включается в работу теплоаккумулятор для отопления. В этом случае одновременно идут три потока (правый рисунок в верхнем ряду):

  • малый, как на первой картинке;
  • часть теплоносителя идет на ТА через клапан;
  • из ТА по обратке, через клапан, на насос и в теплообменник котла (третий круг).

В таком положении все находится до тех пор, пока теплоноситель в баке не прогреется до выставленной температуры (в данном случае до 55°C).

Как работает трехходовой смесительный клапан в схеме с ТА

Когда температура в баке достигает 55°C, трехходовой клапан отсекает подмес. Жидкость движется по большому кругу (нижний рисунок):

  • подача — не заходя на клапан — в ТА;
  • обратный поток — через клапан, на насос, в котел.

В таком состоянии все работает до тех пор, пока горит топливо. Чтобы обвязка теплоаккумулятора была завершенной, добавим контролирующие элементы — в трубопровод подачи устанавливается группа безопасности: манометр, предохранительный (аварийный) клапан сброса давления, автоматический воздухоотводчик. Для установки аварийного клапана, в некоторых котлах есть специальные штуцера. В противном случае аварийный клапан ставят с остальными компонентами сразу на выходе котла — до первого ответвления.

Окончательный вид обвязки ТА со стороны котла (группа безопасности не нарисована, стоит на подаче после котла)

Еще устанавливается расширительный бак мембранного типа. Он будет принимать в себя лишнюю воду по мере расширения (при нагреве жидкости увеличиваются в объеме). Теплоаккумулятор для отопления к котлу мы подключили. На этом обвязка теплоаккумулятора со стороны котла окончена.

Подключение ТА к потребителям

С другой стороны теплоаккумулирующую емкость надо подключить к системе отопления. Если подключаем только радиаторы, все просто — с одного из верхних выходов идет труба в трубопровод подачи, в нижний подключаем обратку. Но, в этом случае, возможен перегрев радиаторов. Когда вода в баке нагрета до температуры выше 60°C, это может быть опасным, а температура может быть 90°C и даже выше. При касании к таким горячим радиаторам, высока вероятность получения нешуточного ожога. К тому же в помещении явно будет жарко.

Подключение радиаторов

Чтобы избежать подачи слишком горячего теплоносителя, ставят еще один трехходовой смесительный клапан. Схема работает также как описано выше. Выставляем на регуляторе требуемую температуру, например, 50°C. Как только теплоноситель в подаче будет горячее, клапан откроет подмес воды из обратки.

Одна из выгод установки теплоаккумулятора — возможность приготовления ГВС в той же емкости (средняя картинка на рисунке ниже). Для этого в бак встраивают теплообменник или емкость. Его выход подключают к гребенке горячего водоснабжения.

Схемы обвязки буферной емкости со стороны системы отопления

Так как и в этом случае тоже возможен перегрев, тут также необходим узел подмеса. Вот только добавлять надо холодную водопроводную воду. Реализуется этот узел при помощи еще одного трехходового смесительного клапана. Выход от холодного водопровода подключаем к смесительному трехходовому клапану ГВС. Чтобы при отсутствии разбора горячей воды она не попадала в гребенку холодной воды, на линии подачи от ХВС ставим обратный клапан.

Эта схема обвязки теплоаккумулятора имеет существенный недостаток: когда горячая вода не используется, вода в трубах остывает. Чтобы «добыть» теплую, приходится сливать остывшую просто в канализацию. Это неудобно, так как приходится ждать, и неэкономно. Для решения проблемы, от последней точки разбора тянут обратную линию, в которой устанавливают свой циркуляционный насос. Этот контур называется рециркуляционным. Пока кран нигде не открыли, вода бегает по кругу. Таким образом, из всех кранов постоянно идет теплая вода. Обратите внимание на установку обратных клапанов — они обязательны для работоспособности схемы.

Обвязка теплоаккумулятора для индивидуального отопления со всеми функциональными элементами и арматурой

Для окончательной проработки схемы надо еще оговорить место установки арматуры. Это автоматические воздухоотводчики, которые ставят в самых высоких точках системы. Еще нужны запорные краны. Их устанавливают возле каждого крупного функционального узла так, чтобы при необходимости, можно было перекрыть краны и снять оборудование для ремонта или профилактики.

Как запитать теплый водяной пол

К теплоаккумулятору можно очень неплохо подключить и теплый пол. Обвязка в этом случае ничем не отличается от случая с радиаторами. Нужен тот же узел подмеса со смесительным трехходовым клапаном, но настроен он должен быть на более низкую температуру — не выше +40°C. В этом случае можно подключить теплый пол без смесительного узла — температура должна контролироваться при выходе из котла. Но можно и перестраховаться — поставить второй смесительный узел на распределительном коллекторе теплого пола.

Обвязка теплоаккумулятора с теплым водяным полом (в зеленом контуре)

Есть и второй вариант обвязки теплоаккумулятора с теплым полом — подавать той же температуры теплоноситель, что идет на радиаторы. Понижать ее будет смесительный узел. Хлопот и затрат меньше (нужны только тройники для отвода от основной магистрали), но и надежность такого решения ниже. Хотя, справляется же это оборудование с теплоносителем, который подает обычный котел.

Схема отопления с теплоаккумулятором - Система отопления

На этой странице мы попытаемся выбрать для своего дома нужные компоненты монтажа. Схема обогревания насчитывает, радиаторы терморегуляторы, крепежную систему, расширительный бачок, провода или трубы, автоматические развоздушиватели, фиттинги, механизм управления тепла, циркуляционные насосы котел отопления. Система отопления квартиры имеет определенные части. Любой элемент роль. Поэтому соответствие всех частей конструкции нужно планировать обдуманно.

Схема отопления с теплоаккумулятором

Схема подключения теплоаккумулятора зависит от теплового и гидравлического режима источника и потребителя тепла, а так же от количества источников и потребителей.

Схема с прямым подключением теплоаккумулятора к контуру источника и потребителя, применяется если:

  • Требования к качеству теплоносителя в контуре источника и потребителя тепла одинаковые.
  • Рабочее давление у потребителя тепла (на всех режимах) не превышает максимально допустимого давления для источника тепла и самого теплоаккумулятора.
  • Температура теплоносителя в теплоаккумуляторе на всех режимах, соответствует необходимой температуре для потребителя.

Данная схема используется в небольших системах отопления частных домов с количественным регулированием на отопительных приборах. При этом на выходе источника тепла, а соответственно и в теплоаккумуляторе, поддерживается постоянная температура.

Если тепловой режим потребителя предполагает качественное регулирование с различной температурой поступающего теплоносителя в зависимости от времени суток или температуры наружного воздуха, данную схему дополняют узлом смешения.

Схема подключения потребителя к теплоаккумулятору с узлом смешения. используется если:

  • Требования к качеству теплоносителя в контуре источника и потребителя тепла одинаковые.
  • Температура теплоносителя на выходе из источника тепла на каком либо из режимов превышает, температуру необходимую для потребителя.
  • Рабочее давление у потребителя тепла (на всех режимах) не превышает максимально допустимого давления для источника тепла и самого теплоаккумулятора.

Данная схема получила применение системах отопления с качественным регулированием при котором температура теплоносителя поступающего в систему отопления зависит от температуры наружного воздуха, времени суток, дня недели или от температуры в воздуха в контрольном помещении.

Трёхходовой клапан, установленный в контуре системы отопления, к горячему теплоносителю отбираемому из верхней части теплоаккумулятора подмешивает теплоноситель из обратного трубопровода, в пропорции необходимой для получения заданной температуры смеси подаваемой в систему отопления.

Возможность поддерживать максимально высокую температуру воды в теплоаккумуляторе является одним из преимуществ данной схемы, так как позволяет увеличить его аккумулирующую способность.

Если рабочее давление у потребителя тепла превышает рабочее давление для теплоаккумулятора или источника, применяют независимое подключение потребителя (через теплообменный аппарат).

Если рабочее давление в контуре источника тепла превышает допустимое давление для теплоаккумулятора или системы отопления, применяют схему с теплообменным аппаратом в контуре источника.

Схема подключения теплоаккумулятора со встроенным теплообменником. применяется если:

  • Рабочее давление в контуре источника тепла превышает допустимое давление для системы отопления.
  • Различные требования к качеству теплоносителя в контуре источника и потребителя тепла.

Если площадь поверхности теплообменных аппаратов встроенных в теплоаккумуляторы недостаточна для нагрева необходимого объёма воды за заданное время, применяют схемы с внешним теплообменником и загрузочным насосом.

Схема подключения теплоаккумулятора с внешним теплообменником и загрузочным насосом, применяется если.

  • Серийно встраиваемые теплообменные аппараты не обеспечивают нагрева бака за заданное время.
  • Давление теплоносителя в контуре источника тепла превышает допустимое давление для потребителя или теплоаккумулятора.
  • Различные требования к качеству теплоносителя в контуре потребителя и источника тепла.

Теплоаккумуляторы со встроенным баком. применяются для подключения систем горячего водоснабжения с непродолжительным, но высоким пиковым расходом воды.

Такие теплоаккумуляторы отличаются тем, что могут кратковременно, обеспечить высокую пиковую потребность в горячей воде, но после заполнения встроенного бака холодной водой её повторный нагрев займёт длительное время.

В системах с потребностью в высокой длительной мощности нагрева устанавливают теплоаккумуляторы со встроенным или внешним теплообменным аппаратом системы горячего водоснабжения.

Схема подключения теплоаккумулятора со встроенным теплообменником системы горячего водоснабжения. применяется при необходимости в высокой длительной мощности подогрева горячей воды.

Тепловые аккумуляторы со встроенным теплообменником системы ГВС обеспечивают высокую длительную мощность, но не могут покрыть пиковых нагрузок за её пределами.

Если заданная длительная мощность подогрева воды не обеспечивается серийно устанавливаемыми теплообменными аппаратами, применяют теплоаккумулятор с внешним теплообменником и загрузочным насосом.

Бивалентная схема подключения теплоаккумулятора с солнечным коллектором. Солнечный коллектор подключают к теплоаккумулятору через встроенный теплообменный аппарат в нижней части бака. При этом предполагается работа в режиме максимально возможного нагрева бака солнечной энергией а, при необходимости догрева за счёт второго источника.

В данной схеме дополнительным источником может быть газовый, твердотопливный или электрический котёл.

Подключение потребителя через теплоаккумулятор от нескольких источников тепла. К применению в современных системах нескольких источников тепла принуждает, различная стоимость единицы тепловой энергии полученная от каждого из них.

Тепло полученное от солнца имеет минимальную стоимость, но оно есть не всегда и пики его поступления, как правило, не совпадают с пиками потребления.

Тепло полученное от теплового насоса обходится несколько дороже солнечного и его можно получить всегда, но чтобы покрыть за счёт него всю тепловую мощность потребителя необходимы существенные капитальные затраты, поэтому мощность теплового насоса, обычно ниже потребной мощности системы.

Тепло полученное от газового, электрического или твердотопливного котла - самое дорогое, поэтому его используют только для догрева при недостаточной мощности первых двух источников.

Тепловой аккумулятор позволяет накопить тепловую энергию от нескольких источников и использовать её одним или несколькими потребителями. Низкотемпературные источники такие как, тепловой насос и солнечный коллектор присоединяют к нижней части бака, а высокотемпературные, такие как твердотопливный газовый или электрический котёл к верхней.

* Пояснения условных графических обозначений на схемах

Источник: http://www.ktto.com.ua/skhema/bat

Схема отопления с теплоаккумулятором

Преимущества работы твердотопливного котла в системе отопления частного дома с буферной емкостью, в качестве аккумулятора тепла, описаны в предыдущей статье “Котел отопительный твердотопливный с аккумулятором тепла” .

В бак теплоаккумулятора часто встраивают электронагреватель, который является резервным источником тепла. Электроэнергию удобно использовать в межсезонье; для подогрева воды ночью, когда стоимость электроэнергии и нагрузка на сеть минимальны; при длительных перерывах между топками котла.

Система отопления, представленная на рисунке, является закрытой. Из-за отсутствия соединения с атмосферой, теплоноситель в системе находится под давлением, выше атмосферного. Тепловое расширение воды при нагревании компенсируется мембранным баком, поз.7.

Твердотопливный котел для работы в закрытой системе должен быть специального исполнения - рассчитан на работу при повышенном давлении.

Часто первичный контур системы отопления – котел и бак теплоаккумулятора, делают открытым (соединенным с атмосферой) . Работа котла и бака под атмосферным давлением снижает требования к их изготовлению и удешевляет это дорогостоящее оборудование.

Однако, в малоэтажных домах, давление воды в самотечной (гравитационной) системе, как правило, не достаточно для нормального функционирования теплых полов и радиаторов.

Поэтому вторичный контур системы отопления - трехходовой смесительный клапан (поз.13), циркуляционный насос (поз.12), радиатор отопления (поз.13), делают закрытым , присоединяя его к теплообменнику, расположенному внутри бака аккумулятора тепла.

Рассмотрим еще одну схему отопления частного дома твердотопливным котлом . которую предлагает один из российских производителей буферных емкостей - аккумуляторов тепла. С подробным описанием конструкции буферного бака можно познакомиться здесь.

Источник: http://domekonom.su/2013/02/chema-tverdotoplivnyi-kotel-teploakkumuljator.html

Схема отопления с теплоаккумулятором

Тепловые аккумуляторы из черной стали серии ВТА используются в сочетании с различными источниками теплоснабжения (котлы — твердотопливные, газовые, электрические; солнечные коллекторы; тепловые насосы) для аккумулирования тепла и его использования на нужды отопления и ГВС. Конструкция теплоаккумуляторов серии ВТА предусматривает наличие теплообменника из нержавеющей и черной стали, а также фланца и возможность установки ТЭНов .

Теплообменник из нержавеющей стали, который используется в моделях ВТА −1, ВТА −2, конструктивно расположен в верхней части бака и предназначен для приготовление воды для ГВС.

Теплообменник из черной стали используется в моделях ВТА −1, ВТА −3, конструктивно расположен в нижней части бака. Данный теплообменник используется с солнечными коллекторами или низкотемпературными системами нагрева.

Уникальностью ВТА −1 — СОЛАР ПЛЮС является увеличенный теплообменник из нержавеющей стали, часть которого расположена непосредственно в теплообменнике из черной стали. За счет такого расположения повышается производительность теплообменника для ГВС.

Отсутствие теплообменников в модели ВТА −4 и ВТА −4 — ЭКОНОМ делает их идеальными для использования с твердотопливными котлами. Теплоноситель, который нагревается котлом, будет аккумулироваться в теплоаккумуляторе и в дальнейшем использоваться для отопления. Отличительной чертой ВТА −4 — ЭКОНОМ является упрощенная конструкция за счет минимизации количества присоединительных патрубков и отсутствии фланца, что уменьшает стоимость изделия.

Источник: http://www.teplobak.com.ua/ru/about/chernaya_stal

Так же интересуются
27 августа 2021 года

Схема подключения твердотопливного котла с буферной емкостью

Давайте разберемся, какие бывают схемы обвязки буферной емкости с котлом. Для чего это нужно и какие преимущества дает сама буферная емкость?


Многие владельцы твердотопливного оборудования или желающие его приобрести часто задумывались, а почему бы не произвести обвязку твердотопливного котла с буферной емкостью.


Для чего нужна буферная емкость

Теплоаккумулятор выступает сохранителем излишнего тепла, выработанного котлом. Поступление в него горячей воды больше чем отдача, соответственно происходит накопление тепла, которое постепенно отдается в систему отопления.

Особенно ощутимо это при средних-низких температурах (около 0 °С), когда вырабатывается гораздо больше тепла, чем требуется на обогрев дома. При сильных морозах, эффекта от применения теплоаккумулятора не будет, так как котел будет вырабатывать столько же энергии, сколько и уходит на теплопотери. Но хочется отметить, таких дней в году не много, а в наших широтах температура в зимнее время варьируется от -10 до +5 °С, для этого периода и необходима буферная емкость.

Выбрать теплоаккумуляторы, узнать подробнее про технические характеристики, можно в данном разделе.


Преимущества использования буферной емкости

  • Экономия на обогреве дома.

  • Увеличивается ресурс котла.

  • Защита от перегрева.

Перечисленные факторы делают теплоаккуамуляторы популярным устройством, которое окупается за несколько отопительных сезонов.


Как происходит обвязка

Чтобы система функционировала эффективно, котел должен обладать достаточной мощностью, необходимо обеспечить обогрев здания и накопление энергии в буфере.


На иллюстрации наглядно продемонстрирована схема подключения твердотопливного котла Drew-met с буферной емкостью. Как видно, обязательными атрибутами при связке является использование запорной арматуры и циркуляционного насоса. Опять-таки, это сложная схема с большим количеством оборудования для отопления и водоснабжения, тот же бойлер косвенного нагрева, водяной теплый пол, наличие двух расширительных баков.

Также существуют варианты обвязки с применением коллекторов, где на каждое устройство используется отдельный контур. Такая конструкция предоставляет возможность регулировать температуру в отдельном приборе, что позволяет более эффективно использовать энергию. Минусом будет дороговизна монтажа и вложение больших средств в запорную арматуру.


Пример более простой схемы обвязки, где отопительный агрегат используется только для обогрева помещения.


В подведении итогов хочется сказать, что перед покупкой оборудования, нужно тщательно продумать весь процесс обвязки. Лучше монтажные работы доверить квалифицированным специалистам, так как данный процесс требует серьезных знаний. Идеальным способом считается установка под ключ, так как покупка товаров для отопления происходит в одной компании, которая будет отвечать и за результаты монтажа.

Если у Вас остались вопросы, специалисты Progreem.by с радостью ответят на них. Мы являемся поставщиком огромного перечня отопительных приборов и работаем уже 10 лет, нам есть что рассказать Вам. Обращайтесь!

Конструкция и оценка производительности двухконтурного модуля аккумулирования тепловой энергии для кондиционеров

Основные характеристики

Представлен двухконтурный модуль аккумулирования тепла (~ 3,5 кВтч) для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Двухконтурная конструкция может улучшить системную интеграцию и операционную гибкость.

Высокая теплопроводность достигается за счет использования пористых графитовых пен с n -C 14 H 30.

Сопротивление термического контакта между трубками и материалом, обозначенным как узкое место.

Различные сценарии управления демонстрируют эксплуатационную гибкость двухконтурной конструкции.

Реферат

Мы представляем экспериментальные результаты и подтвержденную численную модель двухконтурного модуля накопления тепловой энергии с фазовым переходом для кондиционеров. Модуль содержит материал с фазовым переходом, заключенный в сжатый вспененный природный графит.Мы использовали n -тетрадекан в качестве PCM с температурой перехода (~ 4,5 ° C), подходящей для систем кондиционирования воздуха. Теплообмен между модулем и модулем осуществляется посредством двух контуров жидкости, работающих как источник тепла и сток, встроенные в несколько пластин из композитного материала. Эта двухконтурная конструкция упрощает интеграцию с оборудованием для кондиционирования воздуха и обеспечивает повышенную гибкость в работе системы по сравнению с современными системами аккумулирования тепла.При интеграции с кондиционером эта конструкция позволяет снизить пиковые нагрузки и повысить эффективность работы. Теплоаккумулятор рассчитан на номинальную емкость ~ 3,5 кВтч. Мы оценили характеристики теплопередачи и накопления энергии этого устройства с помощью автономных экспериментов по теплопередаче, чтобы оценить ключевые термические сопротивления и определить улучшения конструкции перед интеграцией с кондиционером. В численной модели теплообменника используется комбинация дискретизированных и сосредоточенных параметров для поддержания баланса между точностью и вычислительными затратами.Наш анализ показывает, что геометрические характеристики и интеграция трубок для жидкости являются ключевыми факторами сопротивления тепловому контакту между жидкостью и материалом, аккумулирующим тепло, и, следовательно, в общей производительности модуля аккумулирования тепла. Наши автономные эксперименты также выявили важные рабочие сценарии, в которых этот модуль аккумулирования тепла может использоваться для кондиционирования воздуха в зданиях.

Ключевые слова

Накопитель тепловой энергии

Композитный материал с фазовым переходом

Сжатый расширенный природный графит

Моделирование

Теплообменник

Рекомендуемые статьи Цитирующие статьи (0)

Полный текст

© 2021 Elsevier Ltd.Все права защищены.

Рекомендуемые статьи

Цитирующие статьи

Накопительный электроаккумулятор (PHES)

Краткое содержание

В аккумулирующем электрическом аккумуляторе (PHES) электричество используется для привода накопителя, подключенного к двум большим тепловым накопителям. Для хранения электроэнергии электрическая энергия приводит в действие тепловой насос, который перекачивает тепло из «холодного хранилища» в «горячее хранилище» (аналогично работе холодильника). Для рекуперации энергии тепловой насос превращается в тепловой двигатель.Двигатель забирает тепло из горячего хранилища, отдает отработанное тепло в холодильный склад и производит механическую работу. При рекуперации электроэнергии тепловой двигатель приводит в действие генератор.

Обсуждение

PHES требует следующих элементов: два недорогих (обычно стальные) резервуары, заполненные минеральными частицами (гравийные частицы измельченного горная порода) и средство эффективного сжатия и расширения газа. Закрытый контур, заполненный рабочим газом, соединяет два хранилища, компрессор и расширитель.Одноатомный газ, такой как аргон, идеально подходит в качестве рабочего газа. тепло / охлаждает намного больше воздуха при таком же повышении / падении давления - это в Turn значительно снижает стоимость хранения.

Процесс протекает следующим образом: аргон при атмосферном давлении. и температура (верхний левый край цепи на схеме) входит в компрессор (на схеме показан символ вращающегося компрессора - все оборудование в факт взаимный). Компрессор приводится в действие двигателем / генератором (вверху) с использованием электричество, которое необходимо хранить (желтые стрелки вверху).Аргон сжатый до 12 бар, + 500 ° C. Он поступает в верхнюю часть емкости для горячего хранения и медленно (обычно менее 0,3 м / с) протекает через твердые частицы, нагревая твердых частиц и охлаждения газа. По мере того, как частицы нагреваются, движется горячий фронт. вниз в резервуар (примерно 1 м / час). На дне резервуара аргон на выходе, все еще при почти 12 бар, но теперь при температуре окружающей среды. Затем он входит расширитель (внизу) и расширяется до давления окружающей среды, охлаждая до минус -160 ° С. Затем аргон поступает на дно холодного сосуда и течет. медленно поднимается, охлаждая частицы и нагреваясь.Он оставляет верх резервуара обратно при атмосферном давлении и температуре.

Для восстановления мощности (т. Е. Разряда) расход газа (и все стрелки на схеме) просто перевернут. Аргон при температуре окружающей среды и давление поступает в холодный резервуар и медленно стекает через него, согревая частицы и сами становятся холодными. Он оставляет нижнюю часть бак при -160 ° C и поступает в компрессор. Он сжимается до 12 бар, подогрев до температуры окружающей среды. Затем он попадает в нижнюю часть горячий бак.Он течет вверх, охлаждая частицы и нагреваясь. до + 500 ° С. Затем горячий сжатый газ поступает в детандер, где он отказывается от своей работы по производству энергии, которая приводит в движение двигатель / генератор. Ожидаемый КПД от переменного тока к переменному току составляет 75-80%.

Заключение

PHES может работать на рынках, требующих времени отклика в регионе минут вверх. Система использует гравий в качестве носителя информации, поэтому предлагает очень дешевое решение для хранения. Нет потенциального предложения ограничения на любой из материалов, используемых в этой системе.Размер растения ожидается в пределах 2-5 МВт на блок. Группировка юнитов может предоставить установки размером с ГВт. Это охватывает все рынки в настоящее время решается гидроаккумулятором и рядом других, подходящих для местное распределение, например, поддержка напряжения. Технологии в стадия разработки и коммерческие системы намечены на 2014 год.

Как тепло можно использовать для хранения возобновляемой энергии

Влияние ископаемого топлива на чрезвычайную климатическую ситуацию стимулирует международный толчок к использованию низкоуглеродных источников энергии.На данный момент лучшими вариантами для производства низкоуглеродной энергии в больших масштабах являются энергия ветра и солнца. Но, несмотря на улучшения за последние несколько лет, как их производительности, так и стоимости, остается серьезная проблема: ветер не всегда дует, и не всегда светит солнце. Энергосистема, которая полагается на эти колеблющиеся источники, изо всех сил пытается постоянно соответствовать спросу и предложению, поэтому возобновляемая энергия иногда тратится впустую, потому что она не производится, когда это необходимо.

Одно из основных решений этой проблемы - крупномасштабные технологии хранения электроэнергии.Они работают, накапливая электричество, когда предложение превышает спрос, и высвобождая его, когда происходит обратное. Однако одна проблема с этим методом заключается в том, что он требует огромного количества электроэнергии.

Существующие технологии хранения, такие как батареи, не подходят для такого рода процессов из-за их высокой стоимости на единицу энергии. В настоящее время более 99% крупномасштабных аккумуляторов электроэнергии приходится на гидроаккумулирующие плотины, которые перемещают воду между двумя резервуарами с помощью насоса или турбины для хранения или производства энергии.Однако существуют пределы того, сколько гидроаккумулирующих ГЭС может быть построено из-за географических требований.

Перспективным вариантом хранения является гидроаккумулятор. Эта относительно новая технология существует уже около десяти лет и в настоящее время проходит испытания на пилотных установках.

Преобразование электроэнергии в тепло происходит в центральном контуре, а затем сохраняется в горячих и холодных резервуарах. Пау Фаррес Антунес, автор предоставил

Насосный накопитель тепловой энергии работает путем преобразования электричества в тепло с помощью крупномасштабного теплового насоса.Это тепло затем накапливается в горячем материале, таком как вода или гравий, внутри изолированного резервуара. При необходимости тепло снова превращается в электричество с помощью теплового двигателя. Эти преобразования энергии выполняются с помощью термодинамических циклов, тех же физических принципов, которые используются для работы холодильников, автомобильных двигателей или тепловых электростанций.

Известная технология

Накопительный накопитель тепловой энергии имеет много преимуществ. В процессах преобразования в основном используются традиционные технологии и компоненты (например, теплообменники, компрессоры, турбины и электрические генераторы), которые уже широко используются в энергетической и перерабатывающей промышленности.Это сократит время, необходимое для проектирования и строительства гидроаккумулирующих аккумуляторов, даже в больших масштабах.

Резервуары для хранения могут быть заполнены обильными и недорогими материалами, такими как гравий, расплавленные соли или вода. И, в отличие от батарей, эти материалы не представляют угрозы для окружающей среды. Большие резервуары для расплавленной соли в течение многих лет успешно использовались на электростанциях концентрированной солнечной энергии, которые представляют собой технологию возобновляемой энергии, которая быстро развивалась в течение последнего десятилетия.Концентрированная солнечная энергия и накопители тепловой энергии с насосом имеют много общего, но в то время как концентрированные солнечные электростанции производят энергию, сохраняя солнечный свет в виде тепла (а затем преобразуя его в электричество), накопители тепловой энергии с накачкой накапливают электроэнергию, которая может поступать из любого источника - солнечного, ветровая или даже ядерная энергия, среди прочего.

Концентрированная солнечная электростанция. Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии, CC BY-NC-ND

Простота развертывания и компактность

Насосные ТЭЦ могут быть установлены где угодно, вне зависимости от географии.Их также можно легко масштабировать в соответствии с потребностями хранения в сети. Другие формы накопителя энергии ограничены местом, где они могут быть установлены. Например, для гидроаккумулирования необходимы горы и долины, где можно построить значительные водохранилища. Хранение энергии сжатым воздухом основано на больших подземных пещерах.

Накопительный накопитель тепловой энергии имеет более высокую плотность энергии, чем гидроаккумулирующие плотины (он может хранить больше энергии в данном объеме). Например, из 1 кг воды, хранящейся при температуре 100 ° C, можно получить в десять раз больше электроэнергии по сравнению с 1 кг воды, хранящейся на высоте 500 метров на гидроаккумулирующей станции.Это означает, что для заданного количества запасенной энергии требуется меньше места, поэтому воздействие завода на окружающую среду меньше.

Резервуары расплавленной соли для хранения тепловой энергии на солнечной электростанции, работающей на концентрате. Абенгоа

Долговечность

Компоненты гидроаккумулятора тепловой энергии обычно служат десятилетиями. Батареи, с другой стороны, со временем изнашиваются, и их необходимо заменять каждые несколько лет - на большинство аккумуляторов электромобилей обычно предоставляется гарантия только на срок от пяти до восьми лет.

Однако, несмотря на то, что есть много вещей, которые делают гидроаккумуляторы хорошо подходящими для крупномасштабного хранения возобновляемой энергии, у них есть свои недостатки. Возможно, самым большим недостатком является его относительно скромная эффективность - то есть, сколько электроэнергии возвращается во время разряда по сравнению с тем, сколько было вложено во время зарядки. Большинство гидроаккумулирующих систем хранения тепловой энергии нацелены на эффективность 50-70%, по сравнению с 80-90% для литий-ионных батарей или 70-85% для гидроаккумулятора.

Но, пожалуй, больше всего имеет значение стоимость: чем она ниже, тем быстрее общество может двигаться к низкоуглеродному будущему. Ожидается, что гидроаккумулирующие устройства для хранения тепловой энергии будут конкурентоспособны с другими технологиями хранения - хотя это будет неизвестно до тех пор, пока технология не станет зрелой и не будет полностью коммерциализирована. В настоящее время несколько организаций уже имеют действующие прототипы в реальном мире. Чем раньше мы протестируем и начнем развертывание гидроаккумулирующих аккумуляторов тепловой энергии, тем скорее мы сможем использовать их для перехода на низкоуглеродную энергетическую систему.

границ | Анализ накачиваемых аккумуляторов тепловой энергии с отключенными тепловыми накопителями

Графический реферат . Графическое представление системы аккумулирования тепловой энергии с накачкой 1 ГВт-ч.

Введение

Антропогенное изменение климата связано с выбросом парниковых газов, таких как двуокись углерода. Усилия по увеличению доли низкоуглеродной электроэнергии в национальной энергосистеме сдерживаются непостоянным характером возобновляемых источников энергии, что требует значительного накопления энергии.Маккей предположил, что для обеспечения будущего прогнозируемого проникновения возобновляемых источников энергии Великобритании потребуется 20 кВтч хранилища на человека; что эквивалентно 1,200 ГВтч накопленной энергии.

Батареи были и остаются хорошо изученным подходом к хранению энергии. Это неудивительно, потому что они могут обеспечить эффективность оборачиваемости 67–86% (Mongird et al., 2019). Они особенно подходят для небольших хранилищ и в случаях, когда требуется быстро настраиваемая мощность.Отсюда их широкое применение в обезуглероживании дорожных транспортных средств. Если предположить, что весь автопарк Великобритании может быть переведен на электрические, то потребность в хранении на человека будет удовлетворяться за счет аккумуляторов транспортных средств. Однако национальные энергетические стратегии, которые зависят от потенциального предоставления населением личных транспортных средств для электросетей, в настоящее время трудно себе представить. Батареи также нашли более широкое применение в электросетях. В частности, обеспечение краткосрочного хранения, чтобы частота подачи электроэнергии в сеть оставалась в допустимых пределах; Задача, которая стала более распространенной с переходом на возобновляемые источники энергии от угольных электростанций, которые естественным образом обеспечивали стабильность частоты за счет высокоинерционных механических компонентов.Тем не менее, батареи связаны с проблемами, связанными с нехваткой основных материалов, таких как кобальт, большим углеродным следом, связанным с производством, и стоимостью масштабируемости.

Для крупномасштабных накопителей энергии, способных уравновесить сеть с высоким уровнем проникновения возобновляемых источников энергии, гидроэнергетика является наиболее хорошо зарекомендовавшим себя подходом, и, по словам Маккея, Великобритания потенциально может расширить свои нынешние 30 ГВтч до 400 ГВтч (Маккей , 2009). Гидравлический насос имеет хороший КПД от 65 до 80% (Kougias and Szabo, 2017) и может обеспечивать длительное хранение.Однако это явно зависит от географии и требует значительных затрат на гражданское строительство, например, строительство плотин.

Накопитель энергии на сжатом воздухе (CAES) был испытан на заводе в Германии и Канаде, но КПД от цикла до сих пор был довольно низким (<50%). Adiabatic-CAES достигла более высокой эффективности разворота, достигая значений 63–74% на небольшом экспериментальном демонстраторе в туннеле в Швейцарских Альпах (Geissbühler et al., 2018), но пока эти схемы не были продемонстрированы в целом. шкала.Крупномасштабное CAES также зависит от географического положения и требует наличия соляных пещер.

PTES накапливает тепло в горных породах или гравии и использует оборудование для сжатия и расширения для ввода и извлечения энергии. Низкая стоимость носителей для хранения энергии делает технологию легко масштабируемой. Было предсказано, что приведенная к стоимость хранения (LCoS) (Smallbone et al., 2017) будет конкурентоспособной с более устоявшимися методами, такими как гидроаккумулятор и CAES. Однако, в отличие от гидроаккумулятора и CAES, PTES не зависит от географического положения и может быть размещен практически где угодно; например, рядом с крупными ветряными электростанциями или на месте угольных электростанций, которые были преобразованы для работы на газе и больше не требуют земли, занятой угольными отвалами.PTES для крупномасштабного хранилища значительно дешевле, чем аккумуляторное хранилище эквивалентного масштаба, и разумно ожидать, что разница будет увеличиваться с увеличением емкости хранилища, потому что, в отличие от аккумуляторов, сам материал хранилища является незначительным фактором для LCoS.

В основе системы накачки тепловой энергии (PTES) лежит обратимый цикл, в котором в режиме зарядки рабочая жидкость сжимается (1-2), отдает свое тепло в горячий накопитель (2-3), расширяется до низкой температуры (3-4), где он охлаждает холодильный склад (4-1) перед повторным сжатием (Рисунок 1).Здесь работа компрессора намного выше, чем работа детандера, поэтому механическая энергия поглощается и передается в накопленное тепло в термоклинах уплотненного слоя. Работа, поглощаемая системой, - это область в пределах цикла против часовой стрелки на диаграмме T-S. После нагнетания направление жидкости меняется на противоположное, рабочая жидкость охлаждается, проходя через холодильный склад (1-4), прежде чем попасть в компрессор (4-3). Затем жидкость, выпускаемая из компрессора при температуре окружающей среды, нагревается путем прохождения через горячий накопитель (3-2) перед расширением в детандере (2-1) (Рисунок 1).Здесь работа компрессора сводится к минимуму, а работа расширителя максимальна, чтобы вернуть как можно больше энергии. Цикл теперь идет по часовой стрелке, поэтому область внутри цикла представляет проделанную работу. Если сжатие и расширение являются изоэнтропическими, а теплообмен в накопителях тепла был идеальным без падения давления, тогда площадь цикла разряда такая же, как у цикла заряда; подчеркивая теоретически обратимый характер этого метода хранения энергии. Достигнутая эффективность цикла зависит от термодинамической обратимости компрессора и детандера, эффективности тепловых накопителей при возврате газа во время нагнетания как можно ближе к температуре зарядки, падений давления в контуре и утечек тепла в и из схема.

Рисунок 1 . Диаграмма температура-энтропия для идеальной системы ПТЭС, режим заряда - против часовой стрелки, режим разряда - по часовой стрелке.

За последнее десятилетие было проведено большое количество научных работ по гидроаккумулирующим устройствам. В 2010 году Desrues et al. описал новый тип процесса накопления тепловой энергии для крупномасштабных электрических приложений (Desrues et al., 2010). Они описывают систему PTES с тепловым накопителем высокого и низкого давления и четырьмя турбомашинами и представляют выражение для КПД поворота на основе политропного КПД для всех турбомашин.В 2011 году Morandin et al. (2012) описал концептуальный дизайн системы хранения термоэлектрической энергии на основе транскритического цикла CO 2 . В этом исследовании накопители горячей воды и льда отделены от тепловых машин теплообменниками, которые передают энергию в виде тепла от термодинамического цикла к подсистемам накопления. В 2012 году Mercangoz et al. (2012) также представили транскритическую систему хранения CO 2 и предсказали, что стоимость системы значительно упадет для крупномасштабных систем, и дал предел эффективности цикла в 74%.Затем в 2013 году Morandin et al. (2013) опубликовали технико-экономическую оптимизацию своей концептуальной системы и пришли к выводу, что эффективность оборачиваемости> 64% практически неосуществима. В работе Howes (2012) описывается развитие реверсивного теплового насоса как стратегии накопления энергии и показаны некоторые результаты прототипа поршневого теплового насоса, которые во многом повлияли на развитие недавней успешной демонстрации PTES. Хоус также сделал важное замечание о том, что для применения накопителя энергии идеальный термодинамический цикл, который имеет потенциал для достижения эффективности Карно, не является необходимым, но вместо этого важным требованием является то, что идеальный цикл теоретически обратим.Также отмечается, что PTES, по-видимому, предлагает эффективность, сопоставимую с существующими насосными гидроустановками, в сочетании с очень конкурентоспособными затратами на установку, внутренней безопасностью и возможностью развертывания в различных масштабах. White et al. (2013) показывают, что производительность ПТЭС в основном определяется соотношением между самой высокой и самой низкой температурами в каждом пласте. Также анализируется чувствительность КПД туда и обратно к различным параметрам потерь, и это указывает на особую подверженность сжатию и необратимости расширения.Концептуальная установка CHEST (Compressed Heat Energy Storage), представленная Steinmann (2014), представляет собой концепцию PTES, основанную на среднетемпературном паровом цикле с блоками хранения как явной, так и скрытой тепловой энергии. Стейнман подчеркивает, что высокотемпературные адиабатические компрессоры, необходимые для эффективных систем PTES, в настоящее время не существуют. Моделирование концепции CHEST показывает эффективность поворота> 70% при максимальной температуре системы всего 400 ° C. Потери давления в трубопроводах и системах хранения не учитываются и предполагается, что система адиабатическая, т.е.е., отсутствие утечки тепла в окружающую среду. Первый демонстрационный объект PTES был построен компанией, известной как Isentropic Ltd, а затем он был передан центру сэра Джозефа Суона в Университете Ньюкасла для ввода в эксплуатацию и тестирования объекта. Система имеет емкость хранения 600 кВтч и номинальную выходную мощность 150 кВт, а также запатентованное оборудование обратимого сжатия и расширения с коэффициентом давления 12. Рабочая жидкость проходит непосредственно через тепловые аккумуляторы, а горячий тепловой аккумулятор представляет собой сосуд высокого давления, способный выдерживать давление. выдерживает 12 бар и температуру 773 К.В 2019 году было сообщено об успешной демонстрации эффективности 65% оборачиваемости в этой первой в своем роде системе, и мы считаем, что это большое достижение, демонстрирующее потенциал PTES.

Пока завершалось строительство первого демонстрационного объекта ПТЭУ, академическая работа продолжалась. В 2017 году Бенато (2017) провел комплексное исследование PTES, а также предложил систему PTES с дополнительным электрическим нагревом и одним теплообменником с воздухом в качестве теплоносителя. Он также использовал и протестировал одномерные численные модели тепловых накопителей со слоем насадки.Лафлин (2017) поделился своей концепцией системы PTES, в которой тепло добавляется и удаляется из рабочей жидкости двигателя Брайтона с замкнутым циклом с помощью теплообменников с встречно текущими жидкостями-накопителями. В этой системе используются две резервуарные системы хранения тепла с расплавленной солью и углеводородной жидкостью для горячего и холодного теплоносителя соответственно. В 2017 году Лафлин говорит о своей концепции PTES, что «это реализация гидроаккумулятора, который отличается от других, главным образом, заменой теплообменников на термоклины.Он указывает, что в пределе производство энтропии теплообменниками равно нулю. Он также делает интересное сравнение PTES с гидроаккумулятором, говоря: «Один кг воды, падающей с высоты 380 м, передает 3,4% энергии на лопасти турбины, которую передает 1 кг рабочей жидкости аргона, когда она движется по контуру Брайтона. В случае азотной рабочей жидкости она составляет 1,7%. Для аккумулирования тепла также используется меньше земли, чем для гидроэлектроэнергии, и, конечно же, для него не нужны горы или водоснабжение.”Tauveron et al. (2017) представили экспериментальное исследование сверхкритического CO 2 в системе термоэлектрического накопления энергии, включая циклы Ренкина и теплового насоса, в 2017 году. Они цитируют численное моделирование переходных процессов для всей системы, обеспечивающее КПД в оба конца ~ 30–35%. из-за потерь при хранении и необратимых изменений в теплообменниках и оборудовании.

С момента постройки демонстратора работа McTigue et al. (2019) на PTES со сверхкритическими циклами CO 2 показано, как цикл с неидеальным газом может дать лучшую эффективность цикла по сравнению с идеальным газом.Используя коэффициент потери температуры и давления, рассчитывается эффективность цикла как функция изоэнтропической эффективности для идеальных и неидеальных газовых циклов. Включая все коэффициенты потерь, заявлено, что эффективность поворота для PTES от 40 до 70% возможна (McTigue et al., 2019). Лаланн и Бирн (2019), также в 2019 году, представили крупномасштабную систему аккумулирования тепловой энергии с использованием насосов, использующую CO 2 в качестве рабочей жидкости в сочетании с подземной насосной гидросистемой, в которой использовались каверны в облицованных породах для хранения среды хранения.Для герметизации используется стальная футеровка, а затем бетонная засыпка используется для передачи сил давления от сжатого газа в контейнере к скальной породе. Отмечается, что при высоких рабочих давлениях 7–15 МПа стальные сосуды цилиндрической формы на открытом воздухе, не ограниченные горной массой, не могут быть экономически выгодными для диаметров более 5 м, поскольку большие надземные сосуды под давлением имеют преимущество. из-за отсутствия эффекта масштаба с точки зрения массы строительных материалов, а также из-за того, что сборка металла большой толщины является слишком дорогостоящей, связанной со сварочными работами и ее сертификацией.

Мы исследуем систему с развязанной системой и сравниваем ее с системой с развязкой . Разделенная система отличается наличием отдельного рабочего контура, который соединен с двумя термоканалами низкого давления со слоем насадки (один горячий и один холодный) через теплообменники. Наличие теплоносителя в хранилищах тепла, близкое к атмосферному, означает, что резервуары для хранения могут быть увеличены в размерах без ограничений, налагаемых наличием рабочей текучей среды в хранилище горячего воздуха под высоким давлением.Это также может сделать более осуществимым работу контура рабочей жидкости с более высокими отношениями давления.

Мотивированные многообещающей работой, проделанной на данный момент над PTES, и надвигающимся спросом на крупномасштабные накопители энергии, мы предлагаем здесь несколько предложений. Во-первых, изолированную зависимость КПД ПТЭС от изоэнтропических КПД турбомашин. Во-вторых, концептуальный дизайн и анализ производительности несвязанной системы PTES мощностью 1 ГВт-ч, включая сравнение с объединенным аналогом.

Этот анализ показывает ожидаемую производительность с реалистичными проектными параметрами и влияние различных проектных параметров в анализе чувствительности по отдельности; дана разбивка потерь по каждому компоненту. Используемая модель включает изоэнтропическую эффективность оборудования для сжатия и расширения, падение давления в теплообменниках и численное представление тепловых накопителей термоклина. В анализе также рассматривается вопрос о долговременной эффективности накопления энергии в системе PTES путем изучения производительности по мере увеличения времени пребывания заряда.Наконец, мы рассмотрим некоторые практические аспекты обеих систем и проведем простой анализ затрат.

Модели системы PTES

Сначала рассмотрим более простую модель сопряженной системы, в которой рабочая жидкость проходит непосредственно через тепловые накопители (рис. 2). Тепловые хранилища будут заполнены гравием, в основном состоящим из кварца со средним размером гальки около 4–10 мм в диаметре. Мы предполагаем, что теплообмен с окружающей водой возможен. Во время фаз зарядки и разрядки рабочие температуры оборудования сжатия и расширения значительно различаются.Например, на этапе зарядки расширитель может иметь температуру на входе 300 К и температуру на выходе около 100 К, тогда как во время разряда расширитель может иметь температуру на входе около 1000 К и температуру на выходе около 300 К. турбомашины с потоком могут использоваться для требований сжатия и расширения, и мы предполагаем, что наличие различных машин для условий заряда и разряда поможет разработать машины с высокой изоэнтропической эффективностью.Показан ряд двухходовых клапанов, которые переключаются между режимами зарядки и разрядки; изменение направления потока через тепловые аккумуляторы и включение и выключение соответствующего оборудования для сжатия и расширения. Когда рабочая жидкость проходит через тепловые накопители, горячий накопитель всегда будет иметь давление нагнетания компрессора или близко к нему; что требует наличия резервуара высокого давления для хранения горячего гравия.

Рисунок 2 . Спаренная система ПТЭС в режиме заряда (обратите внимание на расположение клапанов для переключения в режим разряда).

То, что мы называем отсоединенной системой , - это система, в которой тепловые накопители имеют свой собственный теплоноситель, циркулирующий внутри них, который не проходит через контур сжатия-расширения (рисунки 3, 4) или то, что мы называем как рабочая схема . Отдельный рабочий контур передает тепло контурам накопителя тепла через разделительные теплообменники . Рабочий контур по существу такой же, как и сопряженная система, за исключением того, что теплопередача при почти постоянном давлении осуществляется в разделительных теплообменниках, а не непосредственно с теплоаккумулирующим материалом.Потенциальным преимуществом этого является то, что тепловые накопители, в частности, накопители горячей воды, не должны находиться под повышенным давлением рабочего контура и, таким образом, могут работать при давлении, близком к атмосферному. На первый взгляд, это открывает путь к проектированию больших тепловых накопителей без ограничений и ограничений по размерам, которые имеют цилиндрические сосуды высокого давления с толстыми стенками, которые признаны наиболее эффективной геометрией для сосудов высокого давления. Разъединенная система требует двух вентиляторов для циркуляции теплоносителя через тепловые накопители и разъединяющие теплообменники.Это приводит к дополнительным потерям, но падение давления через накопитель тепла и разделительный теплообменник можно уменьшить, чтобы свести к минимуму это.

Рисунок 3 . Отключенная система ПТЭС в режиме зарядки.

Рисунок 4 . Отключенная система ПТЭС в режиме разряда.

Зависимость КПД ПТЭС от изэнтропического КПД турбомашин

Отметим, что за последнее десятилетие было представлено несколько уравнений для эффективности цикла (Desrues et al., 2010; White et al., 2013; Laughlin, 2017), включая, в частности, общее выражение Уайта для эффективности поворота. Это общее выражение теперь разработано в несколько иной форме, которая напрямую показывает зависимость эффективности вращения от изоэнтропической эффективности как компрессора, так и детандера, а также степени перепада давлений.

Мы рассматриваем идеализированную систему PTES, в которой рабочий газ рассматривается как идеальный газ, а единственная рассматриваемая потеря - это необратимость компрессора и детандера.Работа, связанная с компрессором и детандером, рассчитывается из уравнения энергии установившегося потока. Изменение температуры на каждой машине зависит от степени давления и изоэнтропической эффективности, что дает следующие выражения для работы компрессора и детандера, соответственно.

Wc = mg.CpgTINcηc (rpγ-1γ-1) (1) We = mg.CpgTINeηe (1-1rpγ-1γ) (2)

Отсюда следует, что чистая работа, поглощаемая системой PTES во время зарядки, и чистая работа, выполняемая во время разрядки, представлены в следующих уравнениях, где мы отмечаем, что соотношение давлений при зарядке и разрядке одинаково.

Wnet (зарядка) = WC-WE = m˙CpgT1 (rpα-1) ηc-m˙CpgT4 (1-1rpα) ηE (3) Wnet (разрядка) = WE-WC = m˙CpgT2 (1-1rpα) ηE-m˙CpgT5 (rpα-1) ηc (4)

Из определения изоэнтропической эффективности можно определить следующие выражения для отношения температур в компрессоре и детандере в зависимости от перепада давлений и изоэнтропической эффективности. T2T1 = (1 + rpαηC-1ηC) (5) T5T4 = (1-ηE + ηErpα) (6)

Предполагая, что система заряжается и разряжается в течение одного и того же времени, мы вычисляем эффективность цикла следующим образом:

ηtr = Wnet (разрядка) Wnet (зарядка) (7)

Мы также предполагаем, что T 1 = T 4 и что у нас есть идеальные тепловые накопители, которые возвращают газ при температуре зарядки, так что температуры на входе расширителя и компрессора во время разгрузки всегда эквивалентны температурам горячего и холодного хранения, достигнутым во время зарядка.Подставляя уравнения (5) и (6) в уравнение (4), а затем подставляя уравнения (3) и (4) в (7), мы получаем следующее выражение для эффективности разворота.

ηtr = (1 + rpαηc-1ηc) C2ηE- (1-ηE + ηErpα) C1ηcC1ηc-C2ηE (8)

где

C1 = rpα-1, C2 = 1-1rpα и α = γ-1γ

На рис. 5 показан результат расчета КПД при обороте по уравнению (8) для рабочего тела, состоящего из аргона, и перепада давлений 20. Поскольку это предполагает отсутствие других потерь в системе, это представляет собой максимально возможный КПД при обороте. достижима при заданной степени давления и изоэнтропической эффективности компрессора и детандера, которые являются параметрами, обычно используемыми в промышленности для описания производительности машины.Понятно, что минимизация необратимости в обеих машинах имеет решающее значение для эффективного PTES. Мы также отмечаем более сильное падение производительности, поскольку изоэнтропический КПД детандера снижается по сравнению с таковым компрессора. Это связано с тем, что необратимость компрессора приводит к более высокой температуре на выходе, чем у теоретически совершенной изоэнтропической машины, и поэтому некоторая дополнительная работа, необходимая для питания несовершенной машины, преобразуется в полезное высокопотенциальное тепло, которое может храниться во время фазы зарядки.Это не относится к расширителю, где несовершенная машина просто приводит к более высокой температуре холодильной камеры и меньшей работе расширителя при разгрузке, что снижает эффективность оборачиваемости по обоим параметрам.

Рисунок 5 . Эффективность вращения как функция изоэнтропической эффективности компрессора и детандера, рассчитанная с использованием уравнения (8) с коэффициентом давления 20 и соотношением удельных теплоемкостей для одноатомного газа, такого как аргон.

Эскизный проект несвязанной системы ПТЭС мощностью 1 ГВт / ч

Мы моделируем систему PTES, которая способна многократно выдавать 1 ГВтч электроэнергии с номинальной выходной мощностью порядка 100 МВт.Внутренний объем горячего и холодного склада составляет 30 000 и 60 000 м 3 3 соответственно. Простой термодинамический анализ ПТЭС показывает, что теплые и холодные тепловые накопители должны иметь одинаковую тепловую массу (Davenne et al., 2017). Однако из-за снижения теплоемкости носителя при низкой температуре (Anderson, 1936) холодильная камера должна быть примерно вдвое больше горячей. Общая масса гравия, необходимая для заполнения тепловых накопителей, при условии, что доля пустотного объема равна 0.5 составляет ~ 90 тыс. Тонн. Конструктивная конструкция имеет аккумуляторы тепла, которые окружены слоем изоляции из керамического волокна толщиной 0,5 м с теплопроводностью 0,5 Вт / мК. Диаметр гальки выбран 4 мм, поскольку это дает хороший компромисс между перепадом давления и площадью поверхности теплопередачи. Тепловые накопители имеют низкое соотношение сторон с минимальной шириной 30 м и глубиной в направлении потока 10 м. Низкое соотношение сторон также оказалось полезным с точки зрения минимизации падения давления и связанных с этим потерь энергии (Cardenas et al., 2018). Тепловые накопители питаются от коллектора, состоящего из серии воздуховодов диаметром 5 м, что гарантирует, что перепад давления в коллекторе значительно ниже, чем перепад давления теплового накопителя. Это должно помочь обеспечить равномерность потока в теплоаккумуляторе и избежать проблем, связанных с нестабильностью термоклина (Davenne et al., 2018). Мы выбираем аргон в качестве рабочей жидкости контура и азот в отключенных тепловых накопителях, что упрощает сравнение с сопряженной системой, использующей аргон. Более высокое отношение удельных теплоемкостей аргона по сравнению с азотом означает, что более высокие отношения температур могут быть достигнуты для данного отношения давлений.Из уравнения (8) видно, что при перепаде давлений 20 с аргоном и 64 с азотом будет достигнута эквивалентная эффективность поворота. Максимальный температурный коэффициент для системы PTES будет ограничен допустимой рабочей температурой материалов для хранения и материалов, используемых для конструкции турбомашин, температурой сжижения газа и степенью сжатия, достижимой с турбомашинным оборудованием. Рабочая текучая среда аргон с коэффициентом давления 20 приближается к практическому максимальному коэффициенту температур в пределах обычно достигаемых промышленных коэффициентов давления компрессора с осевым потоком (т.е.э., до 30) (Boyce, 2011). Мы предполагаем использование компрессоров и детандеров с осевым потоком и выбираем значение изоэнтропической эффективности 0,9 для компрессора и 0,95 для детандера. Согласно Balmer (2011) изоэнтропический КПД турбины и компрессора современных авиационных газотурбинных двигателей обычно находится в диапазоне 85–95% и 80–90% соответственно. Хотя мы взяли оптимистические значения в верхней части этих диапазонов, мы также показываем влияние на производительность системы, если эти значения не будут достигнуты.Изэнтропическая эффективность для других машин, таких как спиральные, корневые или винтовые компрессоры / расширители, как правило, ниже, чем требуется здесь; т.е. порядка 0,7 (Dumont et al., 2018).

Теперь мы представляем несколько архитектурных изображений эскизного проекта системы 1 ГВтч, чтобы дать представление о масштабе и содержании такой системы (рисунки 6–8). Два тепловых накопителя расположены с каждой стороны зала передачи энергии , который содержит рабочую цепь. Тепловые накопители встраиваются в подземную нишу, а затем верхний коллектор скользит по тепловым накопителям после того, как он был заполнен гравием.На рис. 6 показан меньший горячий резервуар, полностью заполненный гравием, а верхний коллектор все еще находится в частично открытом положении. Большая холодильная камера все еще заполняется с полностью открытым верхним коллектором. На Рисунке 7 более подробно показан зал для передачи энергии, содержащий коаксиальное оборудование для сжатия и расширения в центре здания. Затем эти машины подключаются к разделительным теплообменникам через воздуховоды диаметром 1,5 м. Эти теплообменники являются критическими компонентами с точки зрения эффективности системы, и их расчетный размер, составляющий 20 м в длину и 7 м в диаметре, обусловлен необходимостью высокой эффективности и низкого перепада давления.Несмотря на то, что разделенная система потребует больших теплообменников, есть свидетельства того, что с помощью современной технологии компактных теплообменников желаемая производительность достижима (см. Раздел «Результаты»). Показано расположение вентиляторов, циркулирующих азот в накопителях тепла, а также теплообменников окружающей воды и клапанных коробок, позволяющих переключаться из режима зарядки в режим разгрузки. На рис. 8 показан вид объекта из-под земли, показывающий нижние коллекторы, построенные под тепловым накопителем, и глубину углубления, содержащего гравий.

Рисунок 6 . Вид объекта в конфигурации обслуживания (тепловые накопители открыты).

Рисунок 7 . Вид зала передачи энергии и тепловых накопителей в рабочей конфигурации.

Рисунок 8 . Подземный вид объекта в рабочей конфигурации.

Перечислим выбранные проектные параметры для эскизного проекта несвязанной системы PTES (Таблица 1).

Таблица 1 .Краткое изложение общих проектных параметров.

Моделирование PTES

В MATLAB был написан сценарий для моделирования производительности системы PTES. Основной сценарий вызывает несколько подпрограмм для моделирования подсистем, таких как тепловые накопители, компрессоры, расширители и теплообменники. Алгоритм, показанный на рисунке 9, предназначен для демонстрации базовой логики, используемой сценарием, и того, в каком порядке вызываются модели подсистем. Он показывает значения температуры и давления на входе и выходе для каждой подсистемы.Сценарий основан на полунеявном численном методе маршевого движения вперед, который используется для определения профилей накопления тепла. Стабильность решения была исследована путем проверки того, что согласованные результаты даются в виде временного шага, а пространственные шаги варьируются вокруг номинально используемых значений, которые представляют собой временной шаг 20 с и пространственный шаг 0,01 м. В этом разделе исследуются уравнения, лежащие в основе каждой из моделей подсистем.

Рисунок 9 . Алгоритм моделирования ПТЭС.

Тепловой накопитель Модель

В основе модели PTES лежит моделирование тепловых накопителей. Изменяющийся профиль температуры и давления в тепловых накопителях определяется с помощью численного метода временного марша, примененного к одномерной модели термоклинов уплотненного слоя. Здесь следует отметить, что эта модель предполагает круговую геометрию насадочных кроватей, несмотря на то, что архитектурные изображения показывают прямоугольные склады (однако общий объем такой же, как в этой модели).Это не потому, что круг предпочтительнее, а потому, что для одномерной модели было удобно иметь геометрию, которая может быть определена одним измерением; кроме того, при больших объемах изображений с низким соотношением сторон (например, нарисованных на изображениях архитекторов) результаты все еще являются репрезентативными. Модель включает в себя газовый и твердый элементы в каждой точке z вдоль магазина, а также учитывает передачу тепла к стенке и от стены теплоаккумулятора и утечку тепла через внешний слой изоляции, как показано на рисунке 10.

Рисунок 10 . Одномерная конечно-элементная модель термоклина, показывающая твердые и газовые элементы, стенку сосуда, изоляцию и периферийную утечку тепла.

Тепловой баланс, учитывающий элементарный теплообмен между газом и твердым телом, qh , и конвекцию тепловой энергии между элементами вверх и вниз по потоку, qout, qin , дает следующие два дифференциальных уравнения, известные как уравнения Шумана (Schuman, 1929 г.).

∂Tg∂z = - (Tg-Ts) l (9)

и

∂Ts∂t = (Tg-Ts) τ (10)

где

l = mgCpgd6hA (1-ε) (11)

Мы используем полунеявный метод для решения этой системы уравнений, как описано Уайтом (2011).Мы начинаем с интегрирования уравнения (9) по пространственному шагу, предполагая, что T s постоянно на этом шаге, что дает следующие

[ln (Ts-Tg)] = [- zl] (13)

Добавление пределов по каждой стороне пространственного шага дает

Tgin = Ts (1-e-Δzl) + Tgi-1ne-Δzl (14)

Затем используя следующий

Ц = Ци-1н + Цин2 (15)

получаем

Tgin = Tsi-1n (1-e-Δzl) + Tsin (1-e-Δzl) + Tgi-1ne-Δzl (16)

Затем проинтегрируйте уравнение (10) по каждому временному шагу, предполагая, что T g является постоянным.Следуя той же процедуре дает аналогичное выражение для T s , а затем запись двух выражений в матричной форме дает следующее

[10,5 (a-1) 0,5 (b-1) 1] [TginTsin] = [Tsi-1n (1-a) + Tgin-1aTgin-1 (1-b) + Tsi-1nb] (17)

Где a = e-Δzl и b = e- Δtτ

Затем инвертируйте матрицу 2 × 2, чтобы найти [TginTsin], который представляет температуры газа и твердого тела на следующем шаге по времени. Вычислительное пространство показано на рисунке 11.

Рисунок 11 .Вычислительное пространство.

Начальное условие для всех значений в пространстве, т.е. все значения n применяются к левому столбцу узлов ( i = 0). Значение n = 0 остается вводимым пользователем для всех i, поскольку оно соответствует температуре на входе в магазин. Зная значение T g и T s при i = 1, n = 0 и i = 0, n = 1, тогда значение i = 1, n = 1 можно найти с помощью обращения матрицы.После завершения каждого столбца в пространстве алгоритм переходит к следующему столбцу, соответствующему шагу вперед во времени.

Тепловая инерция стенки теплового аккумулятора учитывается путем расчета температуры стены в каждом месте вдоль теплового аккумулятора, а теплопередача между газом внутри теплового аккумулятора и стеной рассчитывается следующим образом:

qw = UAw (Tg (n) -Tw (n)) (18)

, где UA w представляет собой общий коэффициент теплопередачи между газом в хранилище и центром масс стены.Периферийные потери тепла от накопителя тепла в окружающую среду учитываются с использованием общего коэффициента теплопередачи между стеной и окружающим воздухом. Это зависит от пути проводимости через внешнюю изоляционную рубашку и предполагаемого коэффициента естественной конвекции. Периферийные потери тепла от каждого дискретного элемента теплового накопителя определяются с помощью

qp = UAp (Tw (n) -Tamb) (19)

Где

UAp = 12πkδzln (R4R3) + 12πhncR3δz (20)

А R 3 и R 4 - это внешний радиус теплового накопителя и внешний радиус утеплителя соответственно.Утечка тепла в горячем или холодном конце тепловых накопителей определяется следующим образом, где w - толщина изоляции сверху и снизу тепловых аккумуляторов.

qend = UAe (Tg (n = 1) -Tamb) (21) UAe = 1wkπR22 + πhncR22 (22)

Дискретизированная версия уравнения Эргуна (Ergun, 1952) используется для определения перепада давления в накопителях тепла на каждом временном шаге

δP = (P (n) -P (n-1)) = 150μ (1-ε) 2d2ε3vsδz + 1.75ρ (1-ε) dε3vs2δz (23)

Температурная зависимость свойств газа означает, что перепад давления в тепловых накопителях зависит от их степени заряженности и рассчитывается на каждом временном шаге.

Модель термодиффузии

Мы также учитываем влияние на эффективность поддержания тепловых накопителей в заряженном состоянии. При отсутствии потока через теплоаккумуляторы профили температуры будут изменяться из-за тепловой диффузии в уплотненном слое и из-за утечки тепла через изоляцию в атмосферу. Мы численно решаем следующее уравнение диффузии, где β - коэффициент температуропроводности, основанный на эффективной теплопроводности термоклина уплотненного слоя (Dietz, 1979).

∂Ts∂t-β∂2Ts∂z2 = qloss (24)

В дискретной форме для каждого временного шага мы имеем следующее изменение энергии в элементе накопителя тепла, где k eff - эффективная теплопроводность накопителя тепла уплотненного слоя.

δE (n) = keffπR12δz (2Ts (n) -Ts (n + 1) -Ts (n-1)) δt-UAw (Ts (n) -Tw (n)) δt-UAp (Tw (n) -Tamb ) Δt (25)

Затем температура элемента на следующем временном шаге пересчитывается следующим образом:

Ts (n, i + 1) = Ts (n) + δE (n) δmCp (26)

Интеграция Exergy

Эксергия, связанная с изменением температуры массы из исходного состояния 0 в состояние 1, задается следующим интегралом

B = 01mCp (1-T0T) dT (27)

Мы выполняем этот интеграл для каждого элемента в тепловом аккумуляторе, чтобы определить эксергию, удерживаемую в каждом тепловом аккумуляторе.Мы использовали зависимое от температуры выражение для теплоемкости гравия (уравнение 48). Подставляя это в уравнение (27) и интегрируя, получаем следующее выражение для эксергии, содержащейся в n-м элементе теплового аккумулятора.

B (n) = CA (Ts2 (n) 2 + T022-Ts (n) T0) + CB (Ts (n) -T0 + T0ln (T0Ts (n))) (28)

Мы также можем найти поток эксергии в теплоаккумулятор и из него следующим образом:

Бункер (i) = mg.Cpg (Tg (n = 1) -T0 + T0ln (T0Tg (n))) (29)

Модель компрессора / детандера

Мощность компрессора зависит от степени давления и изоэнтропической эффективности, как ранее показано в уравнении (1).В отличие от раздела, посвященного изучению изоэнтропической эффективности изолированно, мощность детандера теперь рассчитывается следующим образом:

We = mg.CpgTINeηe (1-1rpeγ-1γ) (30)

Где T IN представляет собой температуру на входе компрессора и расширителя. Что касается модели системы (Рисунок 3), то T INc = T1 и T INe = T4 в режиме заряда и T INc = T5 и T INe = T2 в режиме разряда (Рисунок 4). Степень давления в детандере определяется из степени сжатия компрессора и расчетных падений давления в тепловых накопителях следующим образом.

rpe = rp-ΔPh-ΔPwh2 + ΔPc + ΔPwc (31)

Где в случае сопряженной системы Δ P h и Δ P c - перепады давления в горячих и холодных тепловых накопителях, соответственно, полученные путем интегрирования уравнения ( 23) по длине термоклинов. Δ P wh и Δ P wc - это перепады давления в теплообменниках окружающей воды. В случае разъединенной системы Δ P h и Δ P c - это расчетные перепады давления в разделенных теплообменниках.Чистая потребляемая или передаваемая мощность просто определяется из

.

Во время фазы зарядки воздухозаборник компрессора и расширителя поддерживается близкой к температуре окружающей среды за счет теплообмена окружающей воды, т.е.T 4 ≈T 1 ≈Tamb. В режиме зарядки температура нагнетания компрессора рассчитывается следующим образом:

Т2 = Т1 (1+ (rpα-1ηc)) (33)

, а температура на выходе из расширителя рассчитывается следующим образом:

Т5 = Т4 (1-ηe (1-1rpα)) (34)

Во время фазы нагнетания температура на входе компрессора и детандера определяется на выходе из тепловых накопителей с учетом утечек тепла и эффективности теплообменника в отсоединенном корпусе.

Модель вентилятора

В отключенной системе теплоноситель проталкивается через теплообменники и тепловые накопители с помощью вентилятора. Работа вентилятора по сжатию просто основана на работе изоэнтропического сжатия следующим образом.

Wfan = mg.CpgTambηfan (rpfanγ-1γ-1) (35)

Вентилятор стратегически расположен в верхней части контура холодильного склада и внизу контура горячего склада, чтобы он работал при температуре, близкой к температуре окружающей среды, что делает стандартную машину жизнеспособной. Степень давления рассчитывается на каждом временном шаге из суммы перепадов давления в теплоаккумуляторе и теплообменнике.

Модели теплообменников

Разделительные теплообменники газ-газ и теплообменники газ-вода моделируются с использованием метода NTU. Предполагается, что они представляют собой кожухотрубный теплообменник, состоящий из пучка небольших труб для стороны газа высокого давления, окруженных одним противотоком низкого давления. Устройство моделируется как серия противоточных теплообменников, количество передающих узлов рассчитывается следующим образом.

Где UA - общий коэффициент теплопередачи между двумя жидкостями.Это оценивается на основе корреляции числа Диттуса-Боелтера-Нуссельта на каждой стороне, а также толщины стенок трубы, которые, как предполагается, имеют теплопроводность Inconel. Эффективность теплообменника определяется следующим образом:

ϵ = 1-e (-NTU (1-CminCmax)) 1-CminCmaxe (-NTU (1-CminCmax)) (37)

Если C мин = C макс , то эффективность упрощается до

После расчета эффективности можно определить температуры на выходе из теплообменников как функцию температур на входе.Так, например, с моделью несвязанной системы, тогда предполагая, что теплоемкость потока на каждой стороне теплообменника равна, тогда в режиме зарядки температура на входе в накопители тепла может быть определена как функция эффективности теплообменника. следующее.

Tc1 = Tc4-ϵ (Tc4-T5) (39) Th2 = Th5 + ϵ (T2-Th5) (40)

В режиме нагнетания температуры на входе компрессора и детандера определяются следующим образом:

Т5 = Т6-ϵ (Т6-Тс1) (41) Т2 = Т3 + ϵ (Тх2-Т3) (42)

Падение давления на каждой стороне теплообменника определяется из уравнения Дарси для градиента давления (Massey, 1989) из-за турбулентного потока в гладкой трубе.Для турбулентного потока используется выражение Блазиуса для коэффициента трения, т. Е.

f = 0,3164Re0,25 (43)

Утечка тепла

Утечка тепла между тепловыми накопителями и окружающим воздухом уже учтена в модели теплового накопителя. Мы также учитываем утечку тепла между коллекторами и окружающим воздухом. Это просто решается с помощью общего коэффициента теплопередачи, действующего между температурой газа в воздуховоде и окружающим воздухом. Мы предполагаем, что воздуховоды обернуты цифрой 0.5-метровый слой утеплителя из керамического волокна. Это приводит к разнице температур, которая влияет на производительность, как показано в следующих уравнениях для работы в режиме зарядки.

Th3 = Th2-ΔTпотери ч (44) Tc2 = Tc1 + ΔTпотери c (45) ΔTпотери h = ΔUAducts ((Th3 + Th22) -Tamb) (46) ΔTпотери c = UAducts (Tamb- (Tc2 + Tc12)) (47)

Где UA воздуховоды - общий коэффициент теплопередачи между газом внутри воздуховода и окружающим воздухом.

Материальные модели

Газы аргон и азот считаются идеальными газами.Данные о температурной зависимости свойств газа, таких как вязкость и теплопроводность, определены из базы данных NIST (Stewart and Jacobsen, 1989; Lemmon et al., 2018).

Линейная зависимость используется для определения температурной зависимости гравия следующим образом. Это основано на подборе данных для кварца Хемингуэя (1987) и Андерсона (1936). Проверка уравнения (48) с C A = 450 и C B = 0,695 показывает, как ожидается снижение теплоемкости при понижении температуры (Рисунок 12), T в единицах Кельвина и удельная теплоемкость в единицах. Дж / кгК.

Рисунок 12 . Температурная зависимость теплоемкости кварца.

Эффективность поворота

КПД при обороте рассчитывается на основе цикла за циклом, где время зарядки и разрядки эквивалентно, а система и тепловые накопители достигли периодической работы, обычно после 100 циклов.

ηtr = ηMηG∫td1td2Wnetdt∫tc1tc2-Wnetdt (49)

, где tc1 и tc2 - время начала и окончания цикла зарядки, а td1 и td2 - время начала и окончания цикла разряда.η M - КПД электродвигателя, а η G - КПД генератора.

Результаты

Теперь мы представляем серию результатов, посвященных характеристикам несвязанного контура. Мы меняем разные важные параметры по одному, чтобы увидеть, насколько чувствительна система к каждому параметру. Во всех случаях мы рассчитываем эффективность оборачиваемости эскизного проекта, вводя простой цикл заряда-разряда (рисунок 13) в качестве входных данных в имитационную модель.Каждый цикл зарядки-разрядки - это просто 10 часов зарядки с последующими 10 часами разрядки (1,65 ГВт-ч электроэнергии, потребляемой во время зарядки, и 1 ГВт-ч электроэнергии, производимой во время разрядки с общими проектными параметрами). Сообщаемая эффективность оборачиваемости рассчитывается, когда система достигает повторяемой периодической производительности в каждом цикле. Если не указано иное, все расчетные параметры соответствуют эскизному проекту (Таблица 1).

Рисунок 13 . Используется повторяющийся цикл заряда / разряда.На оси массового расхода + ve относится к зарядке, -ve относится к разрядке.

Термальные магазины

На рисунках 14, 15 показаны тепловые профили в горячих и холодных хранилищах после начального цикла заряда-разряда, а затем после 100 повторных циклов заряда-разряда. Профили термоклина, показанные после 100 циклов, представляют собой периодические тепловые фронты, которые развиваются после каждой фазы заряда и разряда. На рисунке 16 показано расчетное давление в разделенных накопителях горячего и холодного тепла в конце циклов заряда и разряда, прогнозируемая разница давления в накопителе горячего тепла больше, чем в холодном хранилище, что можно было ожидать из-за более высокой температуры. газ более низкой плотности.Даже при приближении к полностью заряженному состоянию перепад давления не превышает 3500 Па.

Рисунок 14 . Профили температуры горячего склада ( z = 0 - верх, z = 10 м - низ). (а) после начальной зарядки, (б) после первоначальной разрядки, (в) после 100 циклов зарядки, после 100 циклов разрядки.

Рисунок 15 . Профили температуры холодильной камеры ( z = 0 внизу, z = 10 м вверху). (a) После начальной зарядки, (b) после начальной разрядки, (c) после 100 циклов зарядки, (d) после 100 циклов разрядки.

Рисунок 16 . Манометрическое давление в тепловых хранилищах. (a) Горячий накопитель в режиме заряда в конце цикла заряда, (b) Холодный накопитель в режиме заряда в конце цикла заряда, (c) горячий накопитель в режиме разряда в конце цикла разряда, (d) холодный склад в режиме разряда в конце цикла разряда.

На рисунке 17 показана интегрированная эксергия, содержащаяся в тепловых накопителях, после каждого 20-часового цикла, а также показано, как значения асимптотически сближаются с константой. Это подтверждает, что поведение накопителя тепла становится периодическим, а профили накопителя тепла приобретают одинаковую форму после каждого цикла заряда / разряда.Первоначально эксергия уменьшается из-за быстрого размывания первоначально резкого термоклина, которое происходит в начальных циклах. Затем, по мере того, как термоклин распространяется по хранилищу, сохраняется все больше эксергии, пока не будет достигнут предел, при котором разница между температурой на выходе и на входе начнет уменьшаться как на фазах зарядки, так и на фазах разрядки.

Рисунок 17 . Стабилизация эксергии в накопителях тепла, указывающая на то, что поведение накопителя тепла становится периодическим.

В качестве подтверждения мы рассчитываем потери эксергии в накопителях тепла и потери энергии в системе для идеальной системы, в которой учитываются только потери в накопителях тепла.Первоначально потери энергии за цикл невелики, потому что тепловые накопители могут возвращать тепло, очень близкое к сохраненной температуре в течение всего периода разряда, поскольку не было какого-либо значительного размытия термоклина. Сложное развитие теплового фронта приводит к увеличению потерь энергии в системе с последующим асимптотическим уменьшением к постоянному значению. Потери эксергии в накопителе тепла в первую очередь зависят от скорости диффузии тепловых фронтов накопителя тепла. Первоначально на первых циклах это максимум, когда модель начинается с острого теплового фронта.Затем, когда термоклины достигают периодической повторяемой формы с плавным продолжительным изменением температуры от горячей стороны к холодной, скорость диффузии и эксергетические потери стабилизируются на минимальном значении (рис. 18). После достижения периодического рабочего состояния можно увидеть, что потери энергии в системе за цикл, определенные на основе анализа первого закона, хорошо соответствуют потерям эксергии в тепловых накопителях.

Рисунок 18 . Потери эксергии как от аккумуляторов тепла, так и потери энергии всей системы за цикл, идеальный цикл i.е., изоэнтропическая эффективность компрессора и детандера = 1, эффективность теплообмена = 1 и падение давления в теплообменнике = 0.

Изэнтропическая эффективность

Теперь мы изменяем изоэнтропический КПД компрессора и детандера в моделировании несвязанной системы с учетом всех потерь, связанных с теплообменниками, накопителями тепла, КПД электрических машин, утечками тепла и перепадами давления. На рисунке 19 показана аналогичная зависимость от изоэнтропической эффективности, как мы уже видели, но сравнение с рисунком 5 показывает влияние учета всех потерь в системе по сравнению со случаем, когда изоэнтропическая эффективность машины является единственной необратимостью в идеальной системе.Для габаритных проектных параметров (изоэнтропический КПД 0,9 и 0,95 для компрессора и расширителя соответственно) потери в системе приводят к падению КПД с 79 до 59,5%. На рис. 19 показано, как снизится эффективность цикла, если мы не добьемся изоэнтропической эффективности схематической конструкции.

Рисунок 19 . Эффективность безотказной работы как функция изоэнтропической эффективности компрессора и детандера.

Коэффициент давления

Обнаружено, что эффективность вращения отсоединенной системы увеличивается с увеличением степени сжатия компрессора (Рисунок 20), в первую очередь потому, что эффективность вращения в основном зависит от соотношения температур, а соотношение температур возрастает с увеличением степени сжатия.Перепад давления на расширителе всегда будет меньше, чем перепад давления, создаваемый компрессором из-за перепадов давления в теплообменниках и работе воздуховодов в рабочем контуре. Однако по мере увеличения степени сжатия компрессора плотность газа на стороне высокого давления рабочего контура увеличивается, поэтому падение давления уменьшается и меньше влияет на перепад давления, доступный для привода детандера. Другим следствием соотношения давлений является максимальная и минимальная температура горячего и холодного тепловых накопителей (Рисунок 21).При перепаде давления 30 мы приближаемся к максимальной температуре 1250 K, что является пределом рабочей температуры для дорогих никелевых сплавов для соединительных трубопроводов и резервуара горячего термоаккумулятора. Также при соотношении давлений 30 минимальная температура приближается к 90 К, что очень близко к температуре, при которой газы мы предлагаем использовать сжиженные, то есть около 87 К для аргона и 77 К для азота при атмосферном давлении. По мере того, как аргон и азот приближаются к сжижению, их удельная теплоемкость начинает значительно увеличиваться, и это может быть нежелательно, так как это приводит к увеличению работы компрессора во время фазы нагнетания, что снижает полезную выходную работу.Мы считаем степенью давления 20 практическим пределом, когда максимальные температуры горячего склада порядка 1000 K хорошо зарекомендовали себя с никельсодержащими стальными сплавами, и остается разумный запас от разжижения при минимальной температуре холодильной камеры. Изучение зависимости теплоемкости от давления и температуры показывает, что удельная теплоемкость не будет изменяться более чем на 5% в системе PTES с перепадом давления 20. Испытания показали, что горные породы, циклически нагретые до 873 К, сохраняют целостность и только испытывают небольшое снижение теплоемкости (Бекаттини и др., 2017), и поэтому некоторые дальнейшие испытания при более высоких температурах будут интересны для подтверждения жизнеспособности степени перепада давления 20. White et al. (2013) показали выражение для КПД оборота, когда степень давления нагнетания меньше, чем степень давления наддува, и указали, что существует оптимальная эффективность оборота при уменьшении степени давления нагнетания. На рисунке 22 показан результат модели с общими проектными параметрами, включая степень давления наддува, равную 20, но с уменьшенной степенью давления нагнетания.Оптимальный КПД можно четко увидеть при степени сжатия 13, где эффективность поворота увеличивается чуть более чем на 1,5% по сравнению со случаем равной степени сжатия при зарядке и разряде. Пониженная степень давления нагнетания также даст преимущество с точки зрения размера и сложности турбомашины нагнетания.

Рисунок 20 . Влияние степени сжатия на КПД.

Рисунок 21 . Влияние степени сжатия на максимальную и минимальную температуру накопителя тепла.

Рисунок 22 . Преимущество уменьшения степени давления нагнетания, постоянная степень давления нагнетания на уровне 20.

Эффективность теплообменника

Производительность изолированной системы очень чувствительна к эффективности теплообменника, как показано на рисунке 23. Мы подсчитали, что на основе кожухотрубной конфигурации требуется значительная площадь теплообмена порядка 90 000 м 2 2 , необходимая для достижения наброски проектной эффективности 0.975 при сохранении перепада давления порядка 1000 Па. Он может быть упакован в кожухотрубную конструкцию диаметром 7 м и длиной 20 м. Для справки были изготовлены современные компактные теплообменники с площадью теплопередачи до 15000 м 2 / м 3 (Reay et al., 2008) теплообменника, а эффективность 99% также была указана в микроканальных теплообменниках ( Пуа и Румбольд, 2003).

Рисунок 23 . Чувствительность к эффективности теплообменника.

Учет убытков

Эффективность разворота 59.5 и 63,4% соответственно для несвязанной и связанной систем. Здесь мы показываем перечень относительных величин всех необратимостей смоделированных систем PTES, которые в совокупности приводят к такой эффективности. Чтобы проиллюстрировать влияние различных необратимостей, на рисунках 24, 25 показаны моментальные снимки реальных циклов заряда и разряда схемы. Для сравнения также показан идеальный цикл PTES. Эффективность оборота также может быть получена путем выполнения циклического интеграла T-S-диаграмм заряда и разряда на каждом временном шаге в моделировании и последующего суммирования итогов.

Рисунок 24 . Температурно-энтропийная диаграмма моделируемого цикла заряда, показывающая влияние рассчитанных необратимых потерь по сравнению с идеальным циклом.

Рисунок 25 . Температурно-энтропийная диаграмма моделируемого разрядного цикла, показывающая влияние рассчитанных необратимых потерь по сравнению с идеальным циклом.

На рис. 26 показаны потери в процентах для несвязанной системы схематической конструкции. В нем подчеркивается, что самая большая необратимость связана с несовершенной природой компрессоров и расширителей, а вторая по значимости потеря связана с разделением теплообменников.Потери теплообменника около 10% включают потери из-за эффективности и из-за падения давления. Электрический КПД двигателя и генератора также оказывает большое влияние на общую эффективность вращения. Моделирование показывает, что стратифицированные термоклины очень эффективны; несут ответственность только за 2,4% потерь, которые объясняют как несовершенный возврат накопленного тепла, так и падение давления. Кажется, что было бы целесообразно снизить потери тепла из-за утечки из предложенной системы мощностью 1 ГВт-ч до <2% от вводимой работы.Используя большие накопители с низким коэффициентом удлинения и тщательно спроектированный теплообменник, мы считаем, что падение давления в контурах накопителя тепла может быть ограничено до <5000 Па. Работа по сжатию в вентиляторах является причиной 2% потерь, которые включены в разделительном теплообменнике и тепловой накопитель Потери на Рисунке 26.

Рисунок 26 . Инвентаризация потерь для каждой подсистемы отключенной системы ПТЭС мощностью 1 ГВтч.

Рисунок 27 показывает инвентарь для связанной системы, где эффективность оборачиваемости выше 65.3% достигается. Основное отличие от сопряженной системы состоит в том, что в горячем хранилище создается давление до 20 бар; мы полагаем, что это потребует использования нескольких цилиндрических сосудов. В сравнительной модели используются цилиндрические сосуды диаметром 240,4 м, соответствующие количеству хранимого материала, как и в разобщенной конструкции. Очевидно, что сопряженная система не несет потерь, связанных с разделительным теплообменником. Также несколько меньше потери в тепловых накопителях из-за меньшего перепада давления; горячий склад под давлением приведет к меньшему падению давления.Однако из-за значительного необходимого увеличения материала емкости горячего накопителя тепла по сравнению с несвязанной конструкцией, возникают более значительные потери, связанные с тепловой инерцией емкости. Мы предположили, что стенки емкости диаметром 4 м будут иметь толщину 10 см, чтобы поддерживать кольцевое напряжение в металле на приемлемом уровне для работы при высоких температурах.

Рисунок 27 . Инвентаризация потерь для каждой подсистемы связанной системы ПТЭС мощностью 1 ГВтч.

Отметим также, что значительное количество низкопотенциального тепла может быть извлечено из системы во время разряда с минимальным влиянием на эффективность цикла.Из-за необратимости выход аргона из компрессора и детандера значительно превышает температуру окружающей среды во время цикла нагнетания. Важно охладить выпускной патрубок детандера до температуры окружающей среды, чтобы поддерживать желаемую рабочую температуру цикла. Охлаждение нагнетаемого потока компрессора до температуры окружающей среды не так критично. Если используются оба водяных теплообменника, около 34 МВт тепла передается воде при полной разрядной мощности. Это тепло, которое теряется в воду, не считается преимуществом в этом анализе эффективности, но потенциально может быть использовано для централизованного теплоснабжения и, таким образом, для повышения эффективности системы.

Длительное хранение

Чтобы оценить потенциал системы PTES по обеспечению долговременного накопления энергии в течение порядка 10–100 ч, мы вычисляем снижение эффективности оборачиваемости, которое происходит из-за добавления времени ожидания, когда накопитель тепла взимается. На рисунке 28 показана форма рабочего цикла, включая время пребывания в заряженном состоянии.

Рисунок 28 . Пример повторного рабочего цикла со временем пребывания в заряженном состоянии.На оси массового расхода + ve относится к зарядке, -ve относится к разрядке.

Во время выдержки тепловой профиль, который мы достигаем сразу после зарядки, размывается диффузией и утечкой тепла в окружающую среду. На рис. 29 показана разница в профиле горячего накопителя сразу после зарядки, а затем после выдержки в 100 часов. Когда тепловые фронты накопителя тепла достигают периодической формы, они имеют довольно плавный градиент, поэтому дальнейшая диффузия и размытие теплового фронта происходит очень медленно.На рисунке 30 показано, как мы ожидаем, что эффективность оборачиваемости будет падать со временем ожидания. Несмотря на то, что происходит значительная потеря накопленной энергии, интересно, что даже при времени выдержки в 100 ч эффективность цикла по-прежнему превышает 50%. Также следует отметить, что отключенный накопитель страдает меньшими потерями по сравнению с спаренным накопителем по мере увеличения времени пребывания. Это происходит из-за более низкой прогнозируемой утечки тепла из больших отключенных тепловых накопителей по сравнению с несколькими сосудами высокого давления связанной системы.

Рисунок 29 . Влияние 100 часов выдержки на профиль температуры горячего склада ( z = 0 - верх, z = 10 м - низ), a - сразу после фазы зарядки, b - после 100 часов в заряженной фазе.

Рисунок 30 . Влияние увеличения времени ожидания на эффективность оборачиваемости.

Практическое применение

Есть несколько практических причин, по которым мы считаем, что система PTES подходит для строительства на крупномасштабном .Во-первых, гравий, используемый для хранения энергии в виде тепла, очень дешев, а это означает, что стоимость исходного материала для хранения не должна ограничивать масштаб системы PTES. Кроме того, теплоаккумулятор будет иметь меньшую утечку тепла в атмосферу на единицу запасенной энергии по мере увеличения отношения поверхности к объему. Наконец, хотя требования к сжатию и расширению требуют разработки нового, специально созданного турбомашинного оборудования, мы подозреваем, что эффективность и экономическая жизнеспособность машин увеличатся для крупномасштабной системы.

Несмотря на то, что моделирование в этой статье показывает, что потери из-за развязки делают развязанную систему менее эффективной, мы обсуждаем некоторые практические преимущества этой конфигурации. Разъединенная система с накопителями тепла, близкими к атмосферному, обеспечивает простоту конструкции и большую гибкость конструкции, что важно для масштабирования. Только в этой конфигурации мы ожидаем, что магазины будут расположены в нишах (под землей), как показано на изображениях архитекторов (рис. 6–8).Во-вторых, отсоединенная система также устраняет риск попадания пыли из материала теплового накопителя, проходящей через турбомашинное оборудование и вызывающей повреждения или проблемы с надежностью.

Сравнивая рассчитанные значения эффективности, сопряженная система принесет больше дохода после ввода в эксплуатацию. Однако прогнозируется, что эта конфигурация потребует гораздо больших начальных инвестиций. Создание большого накопителя тепла, способного выдержать давление в рабочем контуре, требует значительных дополнительных затрат и затрат; стоимость двух разделительных теплообменников превышает прогнозируемую.Простой анализ разницы в стоимости показывает, что может потребоваться больше времени, чем срок службы типичного крупного объекта (например, угольной или атомной электростанции), чтобы окупить дополнительные капитальные затраты из-за строительства большого горячего хранилища под давлением. Чтобы получить разницу в стоимости, мы используем следующее выражение, опубликованное Fraas (1989), чтобы оценить стоимость разделительных теплообменников в долларах США.

С = м231IF0.639 (50)

Где F - площадь теплопередачи в квадратных футах до максимум 836 м 2 , I - это индекс (принимаемый за 1.6) для учета инфляции до настоящего времени, а m - это дополнительный масштабный коэффициент для учета количества модулей теплообменника для достижения требуемой площади теплопередачи 90 000 м 2 (т.е. м = 107). Это дает ориентировочную стоимость теплообменника в 10,6 млн фунтов стерлингов. Для оценки затрат теплового накопителя мы предполагаем, что холодильный склад связанной и разъединенной системы находится под аналогичным давлением, и поэтому не вносит никакой разницы в стоимости. Для горячих складов мы предполагаем, что давление в подключенной системе составляет 20 бар, в отличие от номинального атмосферного давления в отключенной системе.

Разница в стоимости изготовления сосуда на 20 бар по сравнению с сосудом с номинальным атмосферным давлением была оценена с использованием следующего выражения от Seider et al. (1999)

С = I1780L0.87D1.23FPM (51)

Где L - высота сосуда (10 м), а D - диаметр. Мы предполагаем диаметр 4 м, поскольку это самое большое судно, рассматриваемое при анализе затрат. Таким образом, нам потребуется 240 судов диаметром 4 м. F PM - коэффициент масштабирования, основанный на материале и давлении.Оно составляет 18 для сосуда из нержавеющей стали на 20 бар и 8 для сосуда из нержавеющей стали самого низкого давления. Ориентировочная стоимость 240 сосудов на 20 бар составляет 233 миллиона фунтов стерлингов, а 240 сосудов низкого давления - 104 миллиона фунтов стерлингов. Учет этой разницы в тепловых накопителях и стоимости двух разделенных теплообменников дает разницу в стоимости капитальных затрат в пользу разделенной системы порядка 108 миллионов фунтов стерлингов. На рисунке 31 показан график безубыточности для разницы в стоимости. Это указывает на то, что если системы PTES могут продавать свою диспетчерскую электроэнергию по текущей стоимости возобновляемой энергии, которая, как мы предположили, составляет 50 фунтов стерлингов / МВтч на основе сканирования текущих опубликованных цен, то для возмещения дополнительных затрат потребуется более 50 лет. капитальные затраты связанной системы.Все тенденции показывают, что возобновляемая электроэнергия становится дешевле, однако, если диспетчеризованная возобновляемая электроэнергия станет более ценной по мере увеличения проникновения возобновляемой энергии, тогда ценность продукции PTES может быть выше. На Рисунке 31 показано, что для окупаемости в течение 25 лет потребуется коэффициент 5 от стоимости хранимой электроэнергии.

Рисунок 31 . График безубыточности для разницы затрат связанной системы по сравнению с отключенной системой (a) - это дополнительные дифференциальные CAPEX для связанной системы, (b) представляет собой возвращенное значение дополнительной эффективности связанной системы с учетом продажной цены на электроэнергию. аналогична текущей цене на возобновляемые источники энергии в 50 фунтов стерлингов / МВтч, (c) представляет собой возвращаемую стоимость дополнительной эффективности объединенной системы, предполагая, что отпускная цена управляемой электроэнергии имеет надбавку и становится в 5 раз больше текущей стоимости возобновляемой электроэнергии, я.е., 250 фунтов стерлингов / МВтч).

Выводы

Здесь было дано простое выражение для обозначения предела достижимой эффективности вращения в зависимости от изоэнтропических кпд компрессора и детандера. Мы показали, что КПД любой системы PTES более чувствителен к изоэнтропической эффективности расширителя, чем компрессора. Одномерная модель термоклинов уплотненного слоя показала, что тепловые профили в тепловых накопителях достигают периодической, повторяемой формы после ряда повторяющихся циклов заряда / разряда.

Мы представили эскизный проект разъединенной системы PTES , в которой тепловые накопители отсоединены от рабочего контура через два отключаемых теплообменника, которые позволяют им работать при давлении, близком к атмосферному. Контурная система спроектирована так, чтобы обеспечивать 1 ГВт-ч накопленной энергии (электрической), и мы прогнозируем, что после простого повторяющегося цикла заряда-разряда может быть достигнут КПД от цикла до 59,5%. Теплоаккумулирующий газ может циркулировать через большие тепловые аккумуляторы с низким коэффициентом удлинения и минимальным перепадом давления в контуре, <5000 Па.Потери теплообмена из-за разъединения могут быть частично компенсированы за счет того, что легче иметь более высокий перепад давлений в изолированном рабочем контуре . В первую очередь, мы полагаем, что отключение аккумуляторов тепла позволяет избежать сложности и стоимости значительных сосудов высокого давления, что делает концепцию разъединения легко масштабируемой; необходимость технологии, предназначенной для хранения в масштабе сети.

Чтобы оправдать нашу поддержку несвязанной системы PTES, мы предоставили производительность и простое сравнение стоимости между схемой несвязанной конструкции и эквивалентной объединенной конструкцией.В обоих случаях было показано, что необратимость компрессора и детандера является причиной самых больших потерь (20%), а потери, связанные с тепловыми накопителями, составляют порядка 2%. Отсоединение тепловых накопителей приводит к потере порядка 10%.

Простой дифференциальный анализ затрат показал, что период, необходимый для покрытия дополнительных капитальных затрат на требуемый резервуар высокого давления в соединенной системе мощностью 1 ГВт-ч, может быть больше, чем срок службы типичного промышленного объекта.Однако было подчеркнуто, что это зависит от будущей стоимости диспетчерской хранимой электроэнергии.

Эскизный проект системы мощностью 1 ГВтч имеет общую площадь 5 гектаров. Для справки: площадь поверхности, покрытая отвалами угля на электростанции Ratcliff on Soar (одна из оставшихся в Великобритании электростанций, работающих на угле), составляет более 6 гектаров. Для сравнения с аккумуляторным хранилищем, самая большая система хранения в Великобритании состоит из 150 000 литий-ионных аккумуляторных элементов, размещенных в семи сборных зданиях с кондиционированием воздуха в районе 0.Участок 5 га и имеет емкость хранения 50 МВтч.

Для изучения осуществимости предложенной несвязанной системы будущая работа должна включать исследование конструкции адиабатического турбомашинного оборудования; специально разработан для PTES. При разработке многомерного численного исследования аккумуляторов тепла рекомендуется проверить, что метод 1D и используемые здесь допущения приемлемы для очень больших аккумуляторов тепла с низким коэффициентом удлинения. Детальное исследование конструкции тепловых накопителей предоставит более полный анализ затрат на систему PTES мощностью 1 ГВт-ч.

Заявление о доступности данных

Наборы данных, созданные для этого исследования, доступны по запросу соответствующему автору.

Авторские взносы

TD написал исходный код компьютерного моделирования для моделирования системы PTES и написал первую отправку статьи. После первоначальных комментариев рецензентов, которые все указывали на необходимость более подробной информации о системе тестовых примеров, BP разработала эскизный проект системы на 1 ГВт-ч и сгенерировала ее изображения.BP также внесла свой вклад в улучшение кода и создание обновленных результатов для второй и третьей подачи, а также внесла значительный вклад в обновленные рукописи. Все авторы внесли свой вклад в статью и одобрили представленную версию.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Мы благодарим Джонатана Макдональда за создание графических представлений эскизного дизайна, использованных в этой статье.Мы с благодарностью признаем поддержку EPSRC и их финансирование проекта «Многоуровневый анализ объектов для хранения энергии» (МАНИФЕСТ), номер гранта EP / N032888 / 1.

Сноски

Список литературы

Андерсон, К. (1936). Теплоемкости кварца, кристобалита и тридимита при низких температурах. Am. Chem. Soc. 58, 568–570. DOI: 10.1021 / ja01295a008

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Балмер Р. Т. (2011). Современная инженерная термодинамика. Кембридж, Массачусетс: Academic Press.

Google Scholar

Бекаттини В., Мотманс Т., Заппоне А., Мадонна К., Хазельбахер А. и Стейнфельд А. (2017). Экспериментальное исследование термической и механической устойчивости горных пород для хранения высокотемпературной тепловой энергии. Заявл. Энергия 203, 373–389. DOI: 10.1016 / j.apenergy.2017.06.025

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бенато А. (2017). Производительность и оценка стоимости инновационной системы аккумулирования тепловой энергии с гидроаккумулятором. Энергия 138, 419–436. DOI: 10.1016 / j.energy.2017.07.066

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бойс, М. (2011). Справочник по проектированию газовых турбин . Оксфорд: Баттерворт-Хайнеманн.

Google Scholar

Карденас Б., Давенн Т., Роуз Дж. И Гарви С. (2018). Влияние проектных параметров на эксергетическую эффективность насадочного слоя промышленного масштаба. Накопитель энергии 18, 267–284. DOI: 10.1016 / j.est.2018.05.005

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Давенн, Т., Гарви, С., Карденас, Б., и Роуз, Дж. (2018). Устойчивость термоклинов насадочного слоя. Накопитель энергии 19, 192–200. DOI: 10.1016 / j.est.2018.07.015

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дэвенн, Т., Гарви, С., Карденас, Б., и Симпсон, М. (2017). Холодильная камера для гидроаккумулирующей системы хранения тепловой энергии. Накопитель энергии 14, 295–310. DOI: 10.1016 / j.est.2017.03.009

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Desrues, T., Руер, Дж., Марти, П., и Фурмиг, Дж. Ф. (2010). Процесс хранения тепловой энергии для крупномасштабных электрических приложений. Заявл. Thermal Eng. 30, 425–432. DOI: 10.1016 / j.applthermaleng.2009.10.002

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дитц, П. В. (1979). Эффективная теплопроводность насадочных слоев. Ind. Eng. Chem. Fundam. 18, 283–286. DOI: 10.1021 / i160071a015

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дюмон О., Партеоны, А., Дикс, Р., Леморт, В. (2018). Экспериментальное исследование и оценка оптимальной производительности четырех объемных расширителей (спиральный, винтовой, поршневой и корневой), испытанных в маломасштабной системе органического цикла Ренкина. Energy 165, 1119–1127. DOI: 10.1016 / j.energy.2018.06.182

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эргун, С. (1952). Поток жидкости через колонны с насадочным слоем. J. Chem. Англ. Прог . 48, 89–94.

Google Scholar

Фраас, А.(1989). Конструкция теплообменника . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Уайли и сыновья.

Google Scholar

Geissbühler, L., Becattini, V., Zanganeh, G., Zavattoni, S., Barbato, M., Haselbacher, A., et al. (2018). Пилотная демонстрация усовершенствованного адиабатического накопления энергии сжатым воздухом, Часть 1: Описание установки и испытания с разумным накоплением тепловой энергии. Накопитель энергии 17, 129–139. DOI: 10.1016 / j.est.2018.02.004

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хемингуэй, Б.(1987). Кварц: теплоемкость от 340 до 1000 К и уточненные значения термодинамических свойств. Am. Минеральная. 72, 273–279.

Google Scholar

Хоус, Дж. (2012). Концепция и разработка гидроаккумулятора тепловой энергии. Proc. IEEE 100, 493–503. DOI: 10.1109 / JPROC.2011.2174529

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кугиас И. и Сабо С. (2017). Оценка использования гидроаккумуляторов: предвестник интеграции возобновляемых источников энергии или троянский конь? Энергия 140, 318–329.DOI: 10.1016 / j.energy.2017.08.106

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лаланн П. и Бирн П. (2019). Крупномасштабные гидроаккумулирующие накопители тепловой энергии - преобразование энергии с использованием неглубоких облицованных каменных пещер, углекислого газа и подземной гидроаккумулирующей воды. Заявл. Sci . 9, 1–23. DOI: 10.3390 / app9194150

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лафлин Р. (2017). Насосные тепловые сетевые накопители с теплообменом. J. Renew. Поддерживать.Энергия , 9: 044103. DOI: 10.1063 / 1.4994054

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Леммон, Э., Белл, И., Хубер, М., Маклинден, М. (2018). Документация REFPROP, версия 10 . Боулдер, Колорадо: Национальный институт стандартов и технологий.

Маккей Д. (2009). Устойчивая энергетика - без горячего воздуха . Кембридж, Великобритания: UIT Cambridge.

Google Scholar

Мэсси, Б. С. (1989). Механика жидкостей. Лондон: Чепмен и Холл.

Google Scholar

Мактиг, Дж., Фаррес-Антунес, П., Нейзес, Т., Эллингвуд, К., и Уайт, А. (2019). «Накопительный теплоаккумулятор со сверхкритическими циклами CO2 и подводом солнечного тепла», в 2019 Solar Power and Chemical Energy Systems (Daegu).

Google Scholar

Mercangoz, M., Hemrle, J., Kaufmann, L., Z'Graggen, A., and Ohler, C. (2012). Электротермический накопитель энергии с транскритическим CO 2 цикла. Энергия 45, 407–415.DOI: 10.1016 / j.energy.2012.03.013

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Монгирд К., Вишванатан В., Балдуччи П., Алам Дж., Фотедар В., Коритаров В. и др. (2019). Технология накопления энергии и характеристика затрат. Вашингтон, округ Колумбия: Министерство энергетики США. DOI: 10.2172 / 1573487

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Морандин М., Марешаль Ф., Меркангоз М. и Бухтер Ф. (2012). Концептуальный проект системы хранения термоэлектрической энергии, основанный на тепловой интеграции термодинамических циклов - Часть A: Методология и базовый вариант. Энергия 45, 375–385. DOI: 10.1016 / j.energy.2012.03.031

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Морандин М., Меркангоз М., Хемрле Дж., Марешаль Ф. и Фаврат Д. (2013). Оптимизация термоэкономического проектирования системы накопления термоэлектрической энергии на основе транскритических циклов CO2. Энергия 58, 571–587. DOI: 10.1016 / j.energy.2013.05.038

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Пуа Л. и Румбольд С. (2003). «Промышленные микроканалы - где мы находимся сегодня», в первой международной конференции по микроканалам и мини-каналам (Рочестер, штат Нью-Йорк).

Google Scholar

Рэй, Д., Рэмшоу, К., и Харви, А. (2008). Инженерия интенсификации процессов для повышения эффективности, устойчивости и гибкости . Оксфорд: Баттерворт-Хайнеманн.

Google Scholar

Шуман, Т. (1929). Теплообмен: жидкость, текущая через пористую призму. Franklin Inst. 208, 405–416. DOI: 10.1016 / S0016-0032 (29)

-8

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Seider, W. D., Сидер, Дж. Д., и Левин, Д. Р. (1999). Принципы проектирования процессов: синтез, анализ и оценка . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Wiley, 824 с.

.

Смоллбоун А., Джулч В., Уордл Р. и Роскилли Т. (2017). Приведенная стоимость хранения для гидроаккумулирующего хранения тепловой энергии по сравнению с другими технологиями хранения энергии. Energy Convers. Manag. 152, 221–228. DOI: 10.1016 / j.enconman.2017.09.047

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Штейнманн, В.Д. (2014). Концепция CHEST (Compressed Heat Energy Storage) для хранения термомеханической энергии промышленного масштаба. Энергия 69, 543–552. DOI: 10.1016 / j.energy.2014.03.049

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Стюарт Р. Б. и Якобсен Р. Т. (1989). Термодинамические свойства аргона от тройной точки до 1200 К при давлениях до 1000 МПа. J. Phys. Chem. Ссылаться. Данные . 18, 639–798. DOI: 10.1063 / 1.555829

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Товерон, Н., Макки, Э., Нгуен, Д., Тартьер, Т. (2017). Экспериментальное исследование сверхкритического теплообмена CO 2 в термоэлектрическом аккумуляторе на основе циклов ранкина и теплового насоса. Энергетические процедуры 129, 939–994. DOI: 10.1016 / j.egypro.2017.09.121

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Уайт А., Паркс Г. и Маркидес К. Н. (2013). Термодинамический анализ гидроаккумулятора тепловой энергии. Заявл. Тепловая энергия 53, 291–298. DOI: 10.1016 / j.applthermaleng.2012.03.030

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Уайт, А. Дж. (2011). Анализ потерь тепловых резервуаров для схем накопления электроэнергии. Заявл. Энергия 88, 4150–4159 ,. DOI: 10.1016 / j.apenergy.2011.04.030

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Номенклатура

Серия веб-семинаров по хранению тепловой энергии - Новые материалы в области аккумулирования тепловой энергии для зданий

См. Слайды презентации.

Расшифровка стенограммы

Слайд 2

Этот звонок Webex записывается и может быть размещен на веб-сайте DOE или использован для внутренних целей. Если вы не хотите, чтобы ваш голос записывался, пожалуйста, не говорите во время разговора или отключитесь сейчас. Если вы не хотите, чтобы ваше изображение записывалось, пожалуйста, выключите камеру или участвуйте только по телефону. Если вы говорите во время разговора или используете видеосвязь, предполагается, что вы даете согласие на запись и использование своего голоса или изображения.

Для вопросов и ответов используйте функцию вопросов и ответов. Мы представим каждому участнику дискуссии свою работу, а в конце проведем открытый сеанс вопросов и ответов. Эти слайды будут размещены на нашем сайте в будущем.

Slide 3

Управление строительных технологий инвестирует в энергоэффективность и связанные с ней технологии, чтобы повысить доступность, комфорт и производительность жилых и коммерческих зданий страны. Мы выполняем широкий спектр мероприятий, включая исследования и разработки технологий нового поколения на ранней стадии, интеграцию и валидацию технологий в коммерческом и жилом секторах, а также работу кодексов и стандартов.

Я призываю вас потратить некоторое время на посещение нашего веб-сайта, чтобы узнать больше об увлекательной работе вне офиса и различных возможностях взаимодействия с нами и поддержки нашей миссии.

Slide 4

Важной инициативой в нашем офисе является поддержка эффективных зданий с интерактивной сеткой (или GEB). В качестве основных потребителей электроэнергии здания могут использоваться в качестве центральных компонентов в современной энергосистеме.

Есть четыре основных характеристики GEB.Они эффективны, связаны, гибки и умны. Хотя энергоэффективность по-прежнему будет иметь решающее значение, здания будущего должны выходить за рамки традиционной энергоэффективности, чтобы лучше поддерживать усилия по модернизации нашей энергосистемы. За счет использования расширенных коммуникаций, гибких технологий, включая переменные нагрузки, распределенное генерирование и хранение данных, а также аналитику для совместной оптимизации эффективности, гибкости и предпочтений жителей, здания могут играть ведущую роль в поддержке модернизации энергосистемы.

Более подробную информацию об инициативе GEB можно найти по ссылке на экране, и я рекомендую вам ознакомиться с захватывающей работой в этой области.

Slide 5

Гибкость может быть достигнута с помощью множества стратегий. Одна из них, которая привлекает все большее внимание, - это накопление энергии. Многие прогнозы показывают, что в ближайшие десятилетия количество развертываний накопителей энергии быстро возрастет.

Министерство энергетики США запустило грандиозную программу по хранению энергии, чтобы сосредоточить ресурсы всего департамента на создании комплексной программы по ускорению разработки, коммерциализации и использования технологий хранения энергии следующего поколения.Видение грандиозной задачи по хранению энергии заключается в создании и поддержании глобального лидерства Америки в области использования и экспорта аккумуляторов энергии с надежной цепочкой поставок для внутреннего производства, не зависящей от зарубежных источников критически важных материалов. Хотя исследования и разработки являются основой развития технологий хранения энергии, Департамент признает, что цель лидерства требует решения связанных с этим проблем увеличения масштабов, включая производство, развитие персонала, оценку и передачу технологий.

В проекте дорожной карты излагается общекорпоративная стратегия ускорения инноваций в различных технологиях хранения, основанная на трех концепциях: инновации здесь, создание здесь, развертывание повсюду.

DOE запрашивает обратную связь для информирования о наборе мероприятий, предложенных в проекте дорожной карты, посредством запроса информации. Более подробную информацию можно найти по ссылке. Ответы на RFI будут представлены к 31 августа.

Это отличный способ принять участие в формировании будущего технологий хранения энергии.BTO в первую очередь будет заниматься решением грандиозных задач по хранению энергии, работая над гибкими нагрузками и технологиями хранения тепловой энергии.

Slide 6

Иногда может показаться, что в разговоре о накоплении энергии доминируют электрохимические подходы. Технологии хранения энергии на основе тепла могут обеспечить ряд преимуществ для приложений в искусственной среде. Значительная часть нагрузок на здание уже основана на тепловом воздействии, и тепловые нагрузки являются основными факторами пиков нагрузки системы.Таким образом, вполне естественно, что варианты хранения на основе тепла будут строго рассмотрены для применения в строительстве. В зависимости от выбранного решения накопитель тепловой энергии может предложить множество преимуществ по сравнению с конкурирующими технологиями. Некоторые из показанных примеров включают более низкую стоимость, более длительный срок службы и повышенную эффективность, в зависимости от условий, при которых хранилище заряжается и разряжается.

Slide 7

Несмотря на то, что продолжаются активные исследования материалов для аккумулирования тепловой энергии, многие все еще сталкиваются с проблемами, связанными с их широким распространением.Некоторые проблемы включают стоимость, плотность хранения, теплопроводность, разложение и фазовую сегрегацию.

На совместном семинаре, проведенном в прошлом году национальной лабораторией Лоуренса Беркли и национальной лабораторией возобновляемых источников энергии, была изучена потребность в динамических и интерактивных решениях для хранения в зданиях. В отчете, который можно найти по указанной ссылке, исследуется, как инновации в материалах могут сыграть ключевую роль в снижении затрат, повышении эффективности, использования и срока службы материалов для аккумулирования тепловой энергии.

Если вы еще не сделали этого, я рекомендую вам потратить некоторое время, чтобы ознакомиться с этим отчетом и многочисленными рекомендациями, которые он предлагает для будущих исследований.

Slide 8

Управление строительных технологий продолжает поддерживать разработку следующего поколения технологий хранения тепловой энергии, чтобы сделать жилые и коммерческие здания более гибкими и устойчивыми.

Некоторые цели, которые мы установили для будущих технологий, показаны в таблице.К ним относятся цели для температур перехода (как для PCM, так и для TCM), стоимости материалов, плотности энергии, теплопроводности (учитывая, что динамическая настройка может быть желательной для будущих приложений), надежность, превышающая 20 лет, и устранение ограничений по переохлаждению.

Достижение этих целей позволит и дальше делать технологии хранения тепловой энергии конкурентоспособными по сравнению с альтернативными формами хранения.

Slide 9

Остальная часть этого вебинара будет посвящена новым материалам и подходам к технологии хранения тепловой энергии.Слайды из двух предыдущих веб-семинаров по хранению льда и горячей воды можно найти по указанным ссылкам. И, как я уже сказал, эти слайды с этого вебинара также будут опубликованы в будущем.

Slide 10

У нас сегодня отличная панель ораторов. Кайл и Навин из Национальной лаборатории Ок-Ридж, Эллисон и Джейсон из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии, Патрик из Университета Вирджинии, Суман из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли и Патрик из Техасского университета A&M.У каждого будет возможность поговорить с нами о своей работе и о том, как они подходят к будущему технологий хранения тепловой энергии. Опять же, используйте функцию вопросов и ответов, чтобы задавать вопросы по ходу дела, и в конце у нас будет открытая сессия вопросов и ответов.

Slide 11

Теперь я передам его Кайлу и Навину. Здесь Кайл Глузенкамп, я научный сотрудник Окриджской национальной лаборатории, и сегодня со мной доктор Навин Кумар, который представит некоторые из наших слайдов. Сегодня я расскажу о солевых гидратах в рамках этого вебинара.Мне действительно приятно быть здесь сегодня. Я хочу поблагодарить BTO и Nelson за приглашение и за составление предыдущих, которые были действительно информативными. Итак, моя цель сегодня действительно состоит в том, чтобы создать для всех в аудитории общую основу понимания того, что представляет собой ландшафт солевых гидратов сегодня, а затем определить проблемы и возможности НИОКР, связанные с ними.

Slide 12

Я также покажу вам часть работы, которую мы делаем в Ок-Ридже, штат Теннесси.Я хочу начать с признательности нашим партнерам из Университета Теннесси - Ноксвилл, Технологический институт Джорджии и NEOGRAF. Я также хочу отметить наш источник финансирования от BTO, а также вычислительные ресурсы, которыми мы воспользовались во время проекта.

Slide 13

И особенно в DOE я хотел бы поблагодарить Свена Мамме и Тони Боуза. Я также хотел бы поблагодарить некоторых других членов исследовательской группы, которые предоставили материалы на сегодня, Южана Ли и Монджая Госвами из ORNL и Джейсона Хирши из Технологического института Джорджии.

Slide 14

Итак, я снова сделаю обзор материалов гидрата соли, каковы основные проблемы, и покажу вам часть работы, которую мы делаем в ORNL.

Slide 15

Итак, мы все знаем, что хранение тепловой энергии действительно важно. Здесь есть множество приложений. Я думаю, что солевые гидраты могут быть действительно важны во всех этих сферах. От управления температурным режимом аккумуляторных батарей до холодильных складов зданий и систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Общие материалы PCM они в основном делятся на две категории: неорганические и органические.Сегодня я остановлюсь на неорганическом варианте.

Slide 16

Итак, это показывает ландшафт материалов с фазовым переходом с температурами плавления от 0 до 65 C. По оси ординат у нас есть стоимость материалов для хранения энергии, выраженная в долларах за киловатт-час или теплоаккумулятор. Обратите внимание, что это логарифмическая шкала, поэтому мы смотрим на несколько порядков с точки зрения затрат. По оси абсцисс отложена плотность накопленной энергии, выраженная в кВтч / м3. Существуют самые разные материалы.Зеленые кружки - это солевые гидраты, у нас вода / лед в виде «х», и у нас есть органические материалы, которые представляют собой желтые ромбы, которые в основном представляют собой парафины. У нас также есть жирные кислоты, которые относятся к другому типу органических веществ. У нас есть неорганические смеси, которые в основном представляют собой гидраты солей, которые по существу являются бинарными, или тройными смесями нескольких солей. Для справки, поле в правом нижнем углу - это цели, используемые в BENFIT FOA 2019. Таким образом, очевидно, что идеальный материал должен иметь очень высокую плотность хранения энергии и низкую стоимость.Глядя на эту диаграмму с точки зрения ландшафта материалов, солевые гидраты являются очень многообещающими с точки зрения существующих известных материалов. У них низкая стоимость в долларах за единицу энергии, у них высокая объемная емкость хранения энергии, а также у них есть некоторые другие приятные свойства, в том числе то, что они негорючие и большинство из них нетоксичны.

Slide 17

Таким образом, способ, которым солевые гидраты фактически накапливают энергию, показан на схеме в левом верхнем углу.По сути, это реакция гидратации и обезвоживания. С левой стороны у вас есть соль, которая тесно связана с молекулами гидратированной воды, и с добавлением тепла вы можете их диссоциировать, и вы получите воду, отделяющуюся от соли. Энтальпия воды в левой части в основном равна энтальпии твердой ледяной воды. Энтальпия воды в правой части очень похожа на энтальпию жидкой воды. Таким образом, энергия фазового перехода, энергия, связанная с этой реакцией, порядка скрытой теплоты льда, плавления воды.Из-за этого у нас возникает несколько свойств, у нас очень стабильная кристаллическая структура, которая приводит к резкой температуре перехода, такой как хранение льда. И просто глядя на отдельные катионы и анионы, которые доступны для однокомпонентного гидрата соли, существует более 2000 возможных комбинаций гидрата соли. Как только вы начнете смешивать несколько из них для создания двоичного файла, у вас будут доступны перестановки этого числа. Очень распространенный пример - CaCl2. И кое-что важное, что нужно знать о солевых гидратах, мы снова имеем дело с неорганической химией, каждый отдельный выбор аниона и катиона приводит к разной фазовой диаграмме.Это один из примеров фазовой диаграммы для CaCl2. К сожалению, сегодня у нас нет времени, чтобы вдаваться в подробности об этом, но важно знать, что каждый отдельный материал гидрата соли, а также каждая бинарная или тройная смесь будет иметь свою собственную уникальную фазовую диаграмму.

Slide 18

Итак, основные проблемы солевых гидратов попадают в эти категории. Я считаю, что перечислил их по степени важности. Самый первый - это неконгруэнтное плавление. У этого много разных имен.Иногда они называют это разделением фаз, иногда - разделением фаз. Это означает, что когда гидрат соли плавится, он имеет тенденцию образовывать эту безводную соль, которая коагулирует и осаждается на дно контейнера. И как только он это делает, он не хочет участвовать в последующих реакциях. Итак, очевидно, что это выпадение материала из активной реакции и снижение способности аккумулировать тепло. Вторая проблема - переохлаждение. Соль гидраты, и помните, когда мы говорим о солевых гидратах, это очень неоднородное пространство, но есть кое-что, что мы можем обобщить о них.В общем, неконгруэнтное плавление является значительной проблемой для многих гидратов солей, и, как правило, для гидратов солей существует большое количество переохлаждения. Двигаясь вниз по списку, у нас есть ограниченное количество вариантов температур фазового перехода. Это происходит потому, что у нас есть отдельные варианты, поскольку мы имеем дело с неорганической химией. В периодической таблице очень много вариантов. И, наконец, можно рассмотреть вопросы коррозии, химической стабильности и теплопроводности. И в некотором роде все эти вещи охватывают проблемы с характеристиками, которые могут стать темой для другого веб-семинара, поэтому сегодня мы не будем подробно их касаться.

Вот классное видео, как видите, у нас переохлажденное вещество. Кристалл только что упал, что дает начало участку кристаллизации, участку зародышеобразования. И это видео в реальном времени, оно не ускорялось. Вы можете увидеть, как распространяется кристаллизация, когда начинается зародышеобразование. Переохлаждение давно решается с помощью добавок, в том числе буры, которые доступны сегодня.

Slide 19

Итак, теперь я передам слово Navin, чтобы поговорить о некоторых из текущих достижений.Привет, это Навин. Я расскажу больше о текущем состоянии дел по улучшению теплофизических свойств материалов с фазовым переходом. Таким образом, одна из самых больших проблем - это фазовая сегрегация в солевых гидратах. Таким образом, одним из наиболее часто используемых методов является загуститель, который в основном представляет собой высоковязкий полимер или гели, которые увеличивают вязкость гидрата соли и уменьшают длину диффузии. Но исследования и предыдущая литература показывают, что это работает только в течение нескольких циклов и прекратится, если дано достаточное количество циклов.В ORNL мы также выполнили моделирование методом МД, чтобы увидеть, как это увеличение вязкости влияет на фазовую сегрегацию, и мы увидели, что в конечном итоге вязкость на самом деле не способствует снижению сегрегации. Идея состоит в том, что загущения недостаточно для улучшения фазовой сегрегации в гидратах солей.

Slide 20

Другой уровень техники, который чаще всего используется для улучшения характеристик гидрата соли, - это снижение фазовой сегрегации. Итак, есть два распространенных метода, над которыми работают люди.Это называется методом основной оболочки и методом стабилизации формы. В методе "ядро-оболочка" ядро ​​в основном представляет собой гидрат соли, который инкапсулирован полимером, который не очень пористый. Это предотвращает утечку соли. Другой метод известен как инкапсуляция, стабилизирующая форму, при которой используются такие вещества, как графит или металлическая пена, для непосредственной интеграции гидрата соли в эти полимеры. И разница между этими двумя методами заключается в пористости используемого материала оболочки. Итак, что перспективно в инкапсуляции.Результаты показали, что это уменьшенная фазовая сегрегация и предотвращает реакционную способность гидратов с внешней средой.

Slide 21

Это текущие результаты инкапсуляции. В таблице приведены оба метода. Это краткое изложение некоторых инкапсуляций с использованием сульфата натрия и гексагидрата хлорида кальция. Один из выводов, который мы извлекаем из этого, - это уменьшение скрытой теплоты с помощью техники инкапсуляции. Мы теряем до 13% скрытого тепла при инкапсуляции PCM.Таким образом, эти процессы могут стать очень дорогими, а также привести к низкой инкапсуляции. Также в литературе сообщается, что методы капсулирования также имеют тенденцию легко ломаться после нескольких циклов из-за увеличения объема. Далее следует увеличение переохлаждения без нуклеаторов. Итак, какая область исследований необходима в этой области, так это новые недорогие материалы для оболочек. Таким образом, мы хотим снизить стоимость инкапсуляции за счет разработки новых материалов оболочки, а также методов, которые являются дешевыми и высокотехнологичными.

Slide 22

Итак, какова еще проблема с солевыми гидратами. Это температура фазового перехода. В строительстве мы очень ориентируемся на диапазон температур 15-25C. Эти две цифры подчеркивают важность. По оси ординат отложена стоимость материала для накопления энергии ($ / кВтч), а по оси абсцисс - объемная плотность накопления энергии. Если мы посмотрим на верхний левый рисунок, мы увидим, что в этом температурном диапазоне недостаточно гидрата соли, чтобы мы могли решить все задачи в здании.Та же проблема наблюдается и при температуре плавления 25-35 ° C. У нас есть обычные гидраты, это CaCl2, NaSO4 и LiNO3. У нас нет других солевых гидратов, которые попадают в этот температурный диапазон. В этой области исследований есть огромный потенциал для поиска новых гидратов, которые попадают в этот температурный диапазон.

Slide 23

Итак, теперь я хочу сосредоточиться на подходе ORNL к улучшению гидратов соли. Смотрим на эту диаграмму Венна. Мы считаем, что гидрату соли необходим зародышеобразователь для уменьшения переохлаждения, какой-то метод улучшения теплопроводности, и мы считаем, что физического загустения, которое в основном является вязкостным загущением, недостаточно для обеспечения долговременной стабильности.Поэтому мы считаем, что нам нужна химическая стабильность. Итак, в идеальном случае мы хотим найти добавку или материал, который может решить все эти четыре проблемы в солевых гидратах. Скорее всего, нам понадобится более одного материала, чтобы выполнить все задачи. Вот как мы смотрим на нашу проблему, и на следующем слайде я покажу некоторые из наших результатов и способы их решения.

Slide 24

Итак, первый подход - аддитивный. Мы испробовали различные полимеры для улучшения долговременной стабильности декагидрата NaSo4.Когда мы смотрим на черный, как и чистый SSD (декагидрат сульфата натрия), мы видим, что после второго цикла SSD уже уменьшился. Мы видим, что с помощью различных полимеров мы можем улучшить стабильность SSD. Мы пробовали разные полимеры, чтобы увидеть, как химическая и физическая стабильность улучшает общие характеристики гидрата соли. Мы узнали, что полиэлектролиты со специфическими ионами обладают хорошим стабилизирующим действием. И мы смогли получить очень стабильный PCM с энергией 150 Дж за 150 циклов, что стоило 5 долларов.8 за кВтч. И уменьшил переохлаждение до уровня менее 3 C. Это один из наших идеальных композитов на данный момент, и мы все еще работаем над его дальнейшим развитием.

Slide 25

Мы изучаем, как изменить саму фазовую диаграмму. Когда мы смешиваем различные гидраты солей, мы получим разные фазовые диаграммы. Что мы пытаемся сделать, так это взять неконгруэнтный гидрат соли и смешать его с конгруэнтным гидратом соли и сформировать новую бинарную систему эвтектических гидратов. Таким образом, мы полагаем, что мы можем предотвратить фазовую сегрегацию в гидрате соли за счет правильного цикла плавления.Так в чем же преимущества этой техники? Во-первых, существует возможность внедрения новых гидратов солей на основе этой эвтектической модели. Мы также разрабатываем попутную модель для внедрения новых гидратов соли в будущем. Новая эвтектическая воля объединяется с любым материалом с высокой теплопроводностью, который удаляет любые добавки полимеров для улучшения общих характеристик фазовой сегрегации в гидратах солей. И одна из наших историй успеха - нам удалось разработать новую эвтектику соляного гидрата с емкостью хранения 215 Дж за 50 циклов.Мы также снизили температуру фазового перехода с 32 C до 29 C. Этим мы подчеркиваем, над чем мы работаем в ORNL, и это наша история успеха.

Slide 26

Теперь я хочу рассказать о том, как мы делаем характеристику. Я знаю, что есть очень распространенная характеристика, методы DSC FTIR. В ORNL мы смотрим на проблему несколько иначе. Мы очень заинтересованы в изучении микромасштаба уровня гидрата соли NaSO4 декагидрата и полимера, чтобы увидеть, как мы меняем структуры.Так какая в этом польза. Благодаря этому мы можем разрабатывать новые гидраты солей, понимая фундаментальную науку о том, как эти соли ведут себя, когда они плавятся и вступают в реакцию. Итак, это один из наших методов характеризации, мы используем метод источника нейтронов. В этом источнике нейтронов мы проводим термоциклирование на месте. А потом мы тоже используем другую технику.

Slide 27

Мы используем передовой источник фотонов в Аргоннской национальной лаборатории, чтобы использовать рентгеновские лучи, чтобы увидеть, как образцы ведут себя во время их работы, а также разработать новые материалы на основе гидратов солей.И если вы посмотрите на верхний правый угол, это образец, который мы синтезировали и отправили в ANL для тестирования. Теперь я передам все Кайлу, чтобы он закончил презентацию.

Slide 28

Спасибо, Навин. Итак, в заключение, в этой дискуссии мы говорили о том, что солевые гидраты являются одними из самых многообещающих PCM. Они чрезвычайно дешевы по сравнению с другими с высокой плотностью энергии. Ключевые проблемы, фазовая сегрегация, которая имеет решающее значение для достижения стабильности езды на велосипеде. Ограничение переохлаждения важно, и разработка новых температурных диапазонов может оказаться важной, когда мы начнем говорить о будущем применении.ORNL продвинул современный уровень техники, используя комбинацию физических и химических характеристик, идентифицируя новые эвтектики и получая понимание фундаментальных материалов, используя методы определения характеристик, которые у нас есть, такие как источник нейтронов отщепления. Большое тебе спасибо.

Slide 29

Спасибо, Кайл и Навин. Далее у нас будет Патрик Хопкинс. Большое спасибо за введение и спасибо за организацию. Меня зовут Патрик Хопкинс. Я профессор Университета Вирджинии.Сегодня я буду говорить о биоматериалах для хранения тепловой энергии. В частности, я сосредоточусь на новом классе этих биоматериалов, полученных из белка кольцевых зубов кальмаров. В ходе предыдущего сотрудничества мы обнаружили, что эти белки кольцевых зубов кальмаров обладают исключительными тепловыми свойствами и способностью регулировать тепловые свойства, теплопроводность, а также новый способ создания улучшенного накопления энергии. Так что в качестве некоторой предыстории я специализируюсь на измерениях теплопроводности и накопления энергии.Несколько лет назад мы начали сотрудничать с профессором штата Пенсильвания, который специализируется на создании и производстве, а также на генной инженерии этого белка кольцевых зубов кальмара. После некоторой работы несколько лет назад мы обнаружили свойства аккумулирования энергии, и в рамках текущей работы, финансируемой Свеном Мумме и программой BENEFIT, я представлю некоторые из наших работ, выполненных в сотрудничестве между белками с тандемными повторами UVA и Технологическим институтом Джорджии. Изучение белков этих кольцевых зубов кальмаров для хранения новой энергии.

Slide 30

Чтобы подготовить почву для того, куда мы смотрим, я показываю здесь график справа, взятый из прошлогоднего звонка BENEFIT, который был взят из мастерской в ​​Берлине. около десяти лет назад. Это просто график зависимости емкости накопителя энергии кВтч / м3 от тепловой мощности в зависимости от температуры. Как вы слышали из предыдущего выступления, солевые гидраты и глядя мы видим здесь с различными PCM. Каковы типичные плотности накопления энергии, если вы хотите взглянуть на неизведанное пространство BTO, где мы можем искать увеличенную емкость накопления энергии, она находится в режиме, близком к комнатной температуре, и увеличенная емкость накопления энергии в этом целевом зеленом прямоугольнике.Я не хочу говорить с вами сегодня о том, что благодаря сочетанию емкости хранения энергии, как скрытой, так и явной теплопроводности, эти биологические материалы для кольцевых зубов кальмаров имеют новый подход к достижению этой цели. И отчасти это связано не только с емкостью накопителя энергии, но и с их замечательной теплопроводностью. Я показываю здесь производные показатели качества типичных PCM. Одна примечательная работа Патрика Шамбергера, который расскажет об этом позже в журнале работ по теплопередаче в 2015 году, - это идея о том, что добротность PCM связана не только с его способностью сохранять тепло, но и с его способность переносить тепло.Показатель достоинств ПКМ должен быть связан не только с его способностью накапливать тепло, но и с его способностью перемещать тепло, так что на самом деле достоинства показателя, связанные с температуропроводностью, в основном это способ, которым вы можете определить, насколько быстро система может поглощать определенное количество теплового потока, а затем пересекать эту фазовую границу, мы гораздо больше услышим об этом позже от профессора Шамбергера.

Slide 31

Итак, другая вещь проявляется не слишком хорошо, но в качестве фона, который мы обычно думаем о емкости накопителя энергии или PCM, мы обычно думаем об этой идее некоторого скрытого тепла или некоторой энергии.Некоторая энергия, необходимая для накопления некоторого количества тепла, связана с расплавом и в очень узком температурном диапазоне. Вы можете хранить много энергии в своем устройстве. Вот горшок слева, просто показывая им типичный бордюр, который у вас есть; это взято с веб-сайта передовых технологий охлаждения, и для широкого спектра материалов обычно говорится о том, что плавление при плавлении должно происходить в любом месте около комнатной температуры, как мы видели в нашем предыдущем выступлении. При слишком высоких температурах вы можете начать определять некоторую добротность и некоторую эффективность на основе некоторой комбинации теплопроводности и либо скрытой теплоты, либо явной теплоты, либо того и другого.Итак, это всего лишь обзор из предыдущей статьи о различных показателях эффективности накопления энергии на основе скрытого тепла. На самом деле, это обычная метрика, которую люди считали PCM.

Slide 32

Я думаю, что там, где у нас есть много фазового пространства для рассмотрения новых материалов, также является способность материала изменять теплопроводность, и это приводит к идее переключателя теплопроводности. Таким образом, вы можете подумать, когда у вас есть PCM, который для качества при зарядке или разрядке вам понадобится высокая теплопроводность, чтобы вы могли принимать этот тепловой поток как можно быстрее, чтобы максимизировать энергию, которая входит или выходит.Но когда вы накапливаете, вы не обязательно хотите, чтобы эта энергия уходила; вам нужен материал с более низкой теплопроводностью. Таким образом, переключение теплопроводности - это концепция, которая привлекла к себе внимание в последнее время, и очень часто рассматривают изменения теплопроводности, когда вы переходите через переход плавления. Это карта режима, созданная на основе одного из результатов… работы несколько лет назад, в которой подчеркивается множество переключателей теплопроводности при различных переходах между твердым телом и жидкостью, вы часто видите это в неорганических веществах.

Итак, на самом деле я готовлю здесь почву для рассмотрения эффективности нового, нового ПКМ на основе биологических кольцевых зубов кальмара; мы хотим рассмотреть их способность сохранять тепло. Кроме того, их способность динамически изменять теплопроводность и иметь относительно высокую теплопроводность, возвращаясь к таблице Нельсона в начале, рассматривая теплопроводность, которая может быть больше 1 Вт / м-К и, следовательно, повысить добротность.

Slide 33

Прежде чем говорить о тепловых свойствах этих белков кольцевых зубов кальмаров, я хотел подготовить почву для своего рода открытия этих белков через моего коллегу из Пенсильванского университета.Малик Демраль и Полностью Демерол и тандем повторяют, что компания производит эти белки. Кольцевые зубы кальмаров - неправильное название, поскольку на самом деле белок не происходит из зубов кальмаров. Вы должны думать о них больше как о ногтях безымянных зубов кальмара, но человек, который их обнаружил, назвал их зубами, потому что они выглядят как зубы. Вы видите их фотографии слева, это всасывание под щупальцами кальмара, которые он использует, чтобы хватать и хватать добычу. Они обладают замечательными механическими регенеративными свойствами, которые я покажу на следующих паре слайдов, но что я хочу здесь выделить, так это способность производить их действительно любой формы и размеров и масштабировать в надежде, что мы сможем достичь метрической цели. метрики 4 доллара за киловатт-час, исходя из их масштабного производства базовыми белками.

Slide 34

Одним из основных моментов при производстве протеина кольцевых зубов кальмаров является экологически чистый и углеродно-нейтральный процесс, в котором они производятся. Итак, белки кольцевых зубов кальмаров производятся путем ферментации, а затем обработки и очистки и сушки материала, причем не только из биоразлагаемых, но и пригодных для вторичной переработки, так что у вас действительно есть круговая углеродная экономика в процессе создания этих нетоксичных биоразлагаемых вторично перерабатываемых ПКМ на биологической основе.

Slide 35

Если мы увеличим масштаб в наномасштабе того, как выглядит один из этих белков кольцевых зубов кальмаров, вы увидите комбинацию кристаллической и аморфной области; это то, что показывает мультик в центре.Они таковы, что вы видите микроструктура, на самом деле наноструктуры кольцевых зубов кальмаров по отношению к белку, если они состоят из двух разных областей, одна является высококристаллической, а область, называемая бета-слоем, слишком много белка, а другая - желтыми областями. что вы действительно аморфные цепочки для галстуков. Таким образом, благодаря комбинации бета-листа и аморфной связующей цепи вы можете получить некоторые очень, очень интересные и подходящие свойства этих белков зубов, например, они обладают высокой прочностью и очень долговечны из-за полукристаллической природы из-за этих белков. бета-лист и долговечность в модуле могут быть настроены на основе плотности тандемного повтора между бета-листом в аморфной связующей цепи.

Slide 36

И я думаю, что на раннем этапе, когда я впервые начал работать с Маликом Демеролом много лет назад, что-то, что меня очень взволновало с точки зрения теплопроводности, было то, что эти биологические PCM эти белки кольцевых зубов кальмаров самовосстанавливающиеся. Итак, вот пример протеина собачьей кости, который был создан в Пенсильвании. Видео на YouTube об этом, действительно, действительно интересном материале здесь. Вы можете разрезать его, а затем он окунулся в воду, добавил немного тепла, и затем он полностью вернулся к своей первоначальной прочности.За этим стоит то, что когда мы увидели эту способность, способность белков кольцевых зубов кальмаров к самовосстановлению и слиянию, мы начали думать о ее способности изменять тепловые свойства при увлажнении, и оказалось, что этот тип белковой воды может действовать на пластифицирующий агент резко меняет механические свойства, позволяя это. Также меняются тепловые свойства, поэтому, когда вы начинаете думать о переключателе теплопроводности, у вас не будет большей разницы в переключателе теплопроводности, чем когда вы можете сделать что-то подобное, например, вынуть что-то из контакта, а затем вернуть его в контакт.Поэтому мы хотели понять, что происходит на наноскопическом уровне, и понять его тепловые свойства.

Slide 37

Итак, то, что я резюмирую на этом слайде, было предыдущим сотрудничеством, которое мы имели с Penn State по обнаружению теплопроводности белков кольцевых зубов кальмаров, опубликовано моим учеником Джоном Томко. Итак, как я упоминал ранее, эти белки SRT состоят как из кристаллических, так и из аморфных областей, и при гидратации они обладают весьма замечательными свойствами.Когда они гидратированы, вода действует как пластификатор и изменяет амплитуду колебаний аморфных связующих цепей, поэтому при сушке теплопроводность, модуль упругости и теплопроводность действуют очень похоже на то, что вы думаете о любом беспорядочном полимере, который вы видите справа с нашими измерениями теплопроводности это красные точки.

Теперь, когда вы гидратируете, вода взаимодействует с аморфным изменением связи, увеличивает амплитуду колебаний теплоносителей, поскольку мы подтверждаем, что рассеяние нейтронов и теплопроводность белка SRT гаснет, вот что такое синие точки, так что не только вы имеют возможность изменять теплопроводность при гидратации, но в зависимости от последовательности тандемных повторов и количества повторов вы можете увеличивать значения теплопроводности, превышающие 1 Вт / мК.Для сравнения: теплопроводность воды 0,6 Вт / м-К.

Таким образом, простое добавление воды к этому белку неэффективно, это факт, что вода взаимодействует и изменяет колебательную природу белка.

Slide 38

Купите, пожалуйста, так что это означает, что с помощью этой рабочей жидкости с пластификатором мы можем создать переключатель теплопроводности, и это показано здесь в работе, очень похожей на мою кандидатскую диссертацию. студент Джон Томко, использующий нашу различную систему измерения коэффициента теплового отражения, имеющуюся в нашей лаборатории, как тепловое отражение во временной области, так и термоотражение в частотной области.Устойчивое тепловое отражение, когда то, что он делает, - это то, что он создает переключатель, добавляя и удаляя пластиковую проклеивающую добавку из белка, вы можете увидеть очень быстрое изменение, а также большое изменение теплопроводности, которое можно циклически повторять, по крайней мере, как показано здесь из нашего предыдущая статья 20 циклов включения-выключения от значений полимера до более 1 Вт / мК.

Slide 39

Мы начинаем думать о переключателях теплопроводности около комнатной температуры, поэтому в этом целевом температурном диапазоне, который мы ищем для хранения энергии и высокой добротности, вы теперь обнаружите, что этот белок кольцевых зубов кальмара показал показанные данные красные звезды получают коэффициенты включения теплопроводности, которые задают новый уровень техники для изменения собственной теплопроводности любого известного материала.Таким образом, эти Био-ПКМ SRT действительно оставляют нейтральный углеродный след при производстве и обеспечивают интересный способ повышения теплопроводности, но также предоставляют нам другие возможности для рассмотрения накопления энергии.

Slide 40

Принцип того, как аккумуляторы и аккумуляторы энергии будут работать с белками зубов кольца кальмаров, будет напрямую связан с пластификацией сети. Итак, в отличие от типичной кривой, которую я показал в начале, где у вас есть более узкий температурный диапазон, у вас есть некоторое количество поглощаемого тепла плавлением.То, о чем мы говорим при хранении энергии с помощью этих новых биологических PCM, - это смещение температуры стеклования PCM.

Итак, рассмотрите SRT в сухом состоянии, когда вы нагреете его до некоторой температуры выше комнатной, тогда вы перейдете через температуру стеклования и увеличите накопление тепла. Однако с пластифицирующим агентом и правильной генной инженерией можно сделать тандемный повтор, тогда вы можете снизить температуру стеклования и, таким образом, теперь у вас есть динамический способ сохранения тепла на основе пластифицирующего агента и аминокислотной последовательности белка. , который основан на производстве белка.

Slide 41

Это действительно то, что помимо потенциала нового способа рассмотрения накопления энергии и замечательных показателей переключения теплопроводности, которые, как мы обнаружили, наша команда создает эти SRT-белки, которые можно настраивать на биологическом уровне, настраиваемый, самовосстанавливающийся. И действительно, если проектировать в масштабе, мы можем получить меньше, чем прогнозируемая выгода от BTO в 15 долларов за киловатт, если он будет производиться в таком масштабе. Итак, вы знаете, что истинным мотивом для этого является изучение возможности использования этих некоррозионных, нетоксичных, негорючих перерабатываемых материалов с новыми свойствами аккумулирования энергии.

Это то, что наша новая поддержка со стороны Свена Мумме и его программы льгот BTO дает нам возможность сотрудничать, чтобы действительно раздвинуть границы биологических PCM на основе этого белка кольцевых зубов кальмаров. Так что сотрудничество с моей лабораторией в UVA, Беном Алленом с тандемным повторителем и Шенноном из Технологического института Джорджии, направлено на то, чтобы действительно определить максимальный потенциал белка зубов кальмара на основе генной инженерии тандемного повтора.

Slide 42-43

На этом я остановлюсь на резюме предыдущей работы, которая демонстрирует замечательное переключение теплопроводности, и большое спасибо за ваше время, и еще раз спасибо, Нельсон, за организацию.

Slide 44

Помните, вы можете отправить свой вопрос в раздел вопросов и ответов, и мы ответим на них в конце. Теперь Суман поговорит с нами о термохимических материалах для хранения энергии. Всем привет и спасибо, Нельсон, за организацию и спасибо, Свен Мамме, за предоставленную мне возможность выступить на этом вебинаре. Я буду говорить о термохимическом аккумуляторе энергии, и я из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли.

Slide 45

Итак, вы знаете, что это всего лишь широкая классификация материалов для аккумулирования тепловой энергии.Мы можем хранить энергию в явном нагревании, скрытом нагреве и термохимическом. Итак, график здесь показывает распределение этих различных категорий материалов, которые мы можем видеть в углу явного тепла, где находятся объемная и гравиметрическая плотность энергии этих материалов. Последние два выступающих говорили о скрытой теплоте в материале с фазовым переходом, который был биологическим и неорганическим, и вы можете увидеть плотности энергии этих материалов. Термохимические накапливающие материалы - это класс материалов, в которых энергия накапливается в реакции.Подобно скрытой теплоте фазового перехода, когда с ней связана температура, так же, как для материала с фазовым переходом, у вас есть температура перехода для материала термохимического источника энергии, у вас есть температура реакции.

И график показывает, что он имеет широкое распространение, например, у вас может быть светло-синий и темно-синий сайдинг от темно-синего до светло-голубого, вы можете видеть, что это низкотемпературные термохимические материалы, а затем вы можете видеть, что это может быть полностью до 1200 ° C. Единственное, что вы заметите, это то, что энтальпия реакции, которая представляет собой энергию, запасенную в этой реакции, значительно выше, и это одно из ключевых преимуществ материала, запасенного термохимической энергией.

Slide 46

Итак, позвольте мне показать вам этот слайд. Если вы посмотрите на плотность энергии, вы можете ясно увидеть, что они знают, что плотность энергии теоретического материала составляет 200-600 кВтч / м3. Все материалы с фазовым переходом от органических к неорганическим относятся к аналогичному диапазону около 50-150 кВт · ч / м3. И эти реакции могут происходить между твердым телом и газом, твердым телом с жидкостью, жидкостью и газом. В широком смысле, когда могут быть две широкие классификации этого термохимического материала, реакция может быть абсорбирующим материалом или адсорбционным материалом.В абсорбирующем материале происходит обратимая реакция. Речь идет о разрыве и восстановлении крепких связей. Это происходит на молекулярном уровне и изменяет состав и морфологический состав всего твердого вещества. Из-за этого может происходить расширение материала во время реакции. Поскольку он включает разрыв и восстановление прочных связей, он может сохранять высокую энергию по сравнению с адсорбционными материалами. Адсорбция - это в основном реакция на поверхности. Он включает более слабые ван-дер-ваальсовые и водородные связи по сравнению с сильными связями в абсорбирующих материалах.Примером адсорбционного материала может быть что-то вроде цеолита или силикагеля. Кайл и Навин говорили о PCM гидрата соли, где фазовый переход гидрата соли происходит, когда у вас есть твердое вещество, и оно плавится, и они хотят равномерного плавления. Когда солевые гидраты используются в качестве материала TCM, вам просто нужна реакция твердого тела с газом, вы не хотите плавления, вы не хотите, чтобы произошел фазовый переход. Итак, вы хотите гидратировать и регидратировать гидрат соли в результате химической реакции.

Slide 47

Хорошо, давайте просто перейдем к этому слайду.Итак, как термохимический материал будет действовать как накопитель энергии для строительства? Если вы посмотрите на панель C, скажите, что у вас есть гидрат соли; Вы можете хранить энергию или заряжать ее, используя солнечную батарею или сетку и отделяя соль от пара. Если у вас открытая система, вы можете выпустить пар и просто хранить безводную соль. Когда вам нужно выпустить его, вы просто обеспечиваете влагу и можете выделять тепло при желаемой температуре в зависимости от конечного использования, например, для отопления помещений или горячей воды.Это обратимая реакция твердого газа. Может произойти в формате открытой системы, где вы можете выпустить пар в окружающую среду, а затем использовать ее для выпуска, или может быть термохимической системой с замкнутым контуром.

Slide 48

Итак, какие термохимические свойства нужны нам, чтобы сделать его пригодным для строительства? Нам определенно нужна более высокая энтальпия реакции. Чем выше энтальпия реакции, тем больше плотность энергии, и вы знаете, что она очень похожа на все другие материалы для хранения энергии, которые мы обсуждали до сих пор.Нам нужна высокая теплопроводность, нетоксичность, некоррозионность, дешевизна, негорючесть. Здесь нам нужно, чтобы у нас не было никакой побочной реакции. Реакция должна быть полностью обратимой и без каких-либо побочных реакций. Нам нужно регенерировать его при относительно низкой температуре. TCM до сих пор не исследовались для строительства, потому что большинство из них требуют высоких температур. Прилагается много усилий, чтобы найти новый материал TCM, более подходящий для зданий.

Slide 49

Итак, я собираюсь просто осветить в своем выступлении основные проблемы, связанные с материалами или этим термохимическим хранением.Итак, как я уже сказал, если вы говорите об абсорбции во время реакции, изменения происходят на молекулярном уровне. Поэтому очень важно понимать, с какими фазами мы имеем дело и стабильны ли они в наших условиях эксплуатации. Потому что молекулярный уровень определяет теоретическую плотность энергии и зоны стабильности различных фаз. Поэтому переход от молекулярного уровня к следующему размеру частиц становится очень важным. Как я сказал в разделе «Поглощение», когда происходят молекулярные изменения и морфологическая структура изменяется, материал во время этой реакции расширяется.Очень важно, чтобы у вас был правильный размер частиц, чтобы у вас был хороший тепло- и массообмен, в противном случае ваш материал будет распыляться, агломерироваться или плавиться. Все это нежелательно. для газовой реакции не хотите терять материал при плавлении, вы не хотите менять лицо. Я немного расскажу о композитном уровне.

Slide 50

Итак, на уровне структуры, если мы имеем дело с этой реакцией, и я на самом деле сказал, что это зависит от кристаллической структуры, если вы потеряете кристаллическую структуру во время реакции, она превращается в аморфную, мы потеряем нашу плотность энергии.На молекулярной стадии важно понимать, какие фазы являются стабильными на уровне частиц, очень важно соотносить размер частиц с параметрами на уровне реактора. Например, если у нас очень высокий тепловой поток, но пары не могут выйти, это приведет к плавлению гидрата соли, так что плавление в этом случае нежелательно, потому что мы хотим, чтобы реакция происходила между твердым телом и газом. И мы не хотим, чтобы материал бездействовал.

Slide 51

Итак, чтобы преодолеть эту проблему, похожую на материал с фазовым переходом, люди исследуют матрицу хоста.Можем ли мы иметь достаточно матрицы-хозяина, пропитанной солью, чтобы мы могли преодолеть эту проблему агломерации и плавления и улучшить перенос тепла и массы? Итак, это обычно используемые матричные материалы или материалы с фазовым переходом, и теперь исследователи используют такие матрасы для материалов из ПКМ, чтобы мы могли лучше переносить тепло и массу. Но проблема здесь снова заключается в том, что вы должны иметь правильную загрузку гидрата активного материала без слишком большого ущерба для плотности энергии.Например, цеолит и силикагель, которые также являются материалами PCM, и помещают в них абсорбирующие материалы, такие как гидраты солей, таким образом, мы не добавляем слишком много неактивного материала. У всех подходов есть проблемы; на композитном уровне должен быть лучший перенос тепла и массы, чтобы, когда вы делаете систему из этого материала, имеющую хорошую плотность энергии, проблема с материалом ПКМ до сих пор заключается в том, что они имеют очень высокую теоретическую плотность энергии от 200 до 600 кВт · ч / м3, но если взять его на системном уровне, у вас даже 10% этого не будет.Все это потому, что вы много теряете на материальном уровне, вам нужна большая оптимизация на материальном уровне, чтобы вы могли получить доступ к этой высокой теоретической плотности энергии. если вы используете композитный материал с инертной матрицей, вы теряете большую плотность энергии, и, кроме того, если вы делаете реактор, если конструкция не оптимизирована, вы теряете еще больше плотности энергии. Этот класс материалов PCM страдает низкой многоциклической эффективностью. Исследования были сосредоточены на использовании этого материала для длительного хранения, поэтому мы показали, что на уровне материала вы можете провести до 10 или 20 циклов, но после этого оно значительно снизится.Это связано с пунктами, о которых я упоминал ранее, из-за изменений, переходящих от кристаллического к аморфному или измельчения на уровне частиц или на уровне композита, происходит плохой тепло- и массообмен. Итак, это проблемы, которые ограничили использование материалов TCM в строительных приложениях.

Slide 52

Итак, обо всех этих проблемах она могла бы упомянуть на материальном уровне. Теперь вы можете представить, что у вас есть частица. Его свойства не оптимизированы, и когда эти частицы собираются на уровне реактора, реактора, который представляет собой слой частиц, это еще больше усугубляет эти проблемы.Таким образом, у вас могут быть локализованные горячие точки, которые могут создавать дополнительное механическое напряжение и могут вызывать метастабильные или нестабильные фазы. Поэтому очень важно, чтобы все проблемы, с которых мы начинали, нам нужен был восходящий подход, чтобы проблемы решались на материальном уровне, прежде чем мы начнем решать их на уровне реактора или системы.

Slide 53

Итак, каковы возможные решения? Я думаю, что Кайл и Навин немного упомянули о том, как мы можем создать новые кристаллические структуры и новые материалы, которые будут более стабильными и могут иметь лучший фазовый переход.Так похоже на то, что нам нужно открытие нового материала, или нужно приложить больше усилий в этом направлении, чтобы мы могли придумать новые растворы гидрата соли или смеси солей, которые являются стабильными, и я показываю здесь одно исследование, в котором всего лишь посмотрели 265 реакций гидратации. Они провели с использованием высокопроизводительных вычислений DFT и показали некоторые новые реакции, которые никогда не исследовались для материалов TES. Звезды представляют реакции, которые не были исследованы, и мы можем видеть, что они происходят при разных температурах.Другой подход заключается в том, что для существующих материалов TCM очень важно использовать восходящий подход, и мы не только оптимизируем или просто оптимизируем механические или термические свойства, но и нуждаемся в совместной оптимизации. Химико-механические и термические свойства материала должны быть совместно оптимизированы таким образом, чтобы на уровне реактора или системы мы имели все желаемые свойства, включая удельную энергию, высокоциклический КПД и теплопроводность.

Slide 54

Спасибо за это, Суман.Теперь мы поговорим с Патриком о разработке материалов для хранения тепловой энергии. Большой; Спасибо. Я хочу повторить то, что до сих пор говорили наши другие участники дискуссии; Я думаю, что здесь есть много отличных возможностей для развития аккумуляторов тепловой энергии, особенно на базовом материальном уровне, и я думаю, что Министерство энергетики и BTO конкретно отвечают этой инициативе в этой области. Цель сегодняшнего выступления - действительно рассмотреть, как мы создаем материал или конкретное приложение. Как мы оцениваем его производительность и как мы разрабатываем показатели, которые помогут рассмотреть различные решения с использованием материалов.И, по сути, это действительно сводится к тому, какой материал подходит для работы.

Slide 55

Таким образом, для любого приложения по хранению энергии вам нужно думать как о показателях энергии, так и о мощности. Вы можете сравнить это с аналогом в задаче электрохимического накопления, просто подумав о батарее, и с батареями мы заботимся о том, сколько энергии они хранят, но мы также заботимся о скорости накопления. Какова мощность для зарядки или разрядки этого накопителя энергии, и для многих различных решений накопления тепла мощность может оказаться ограничивающим фактором.

Slide 56

Итак, мы можем взять страницу из учебника по электрохимическому накоплению энергии и рассмотреть это пространство компромиссов, где мы смотрим на плотность энергии по горизонтальной оси и плотность мощности по вертикальной оси. Вопрос в том, как сделать то же самое с хранением тепловой энергии? Как мы понимаем эти компромиссы и какие материалы являются оптимальными для конкретного применения? Как и в случае применения в электрохимии, в некоторых случаях показатель плотности энергии может быть самым важным, но в любом из этих приложений вы бы не стали использовать конденсатор, потому что он неконкурентоспособен в этой области.В противном случае вы можете разработать конкретные функции затрат для сравнения характеристик различных материалов в этом пространстве плотности энергии. Это пример того, что называется электрохимическим сюжетом Рагона, и я думаю, что мы услышим об этом больше в следующем выступлении. Мы не рассматриваем вещи на уровне модели; мы действительно сосредотачиваемся на уровне двух материалов. Если вы хотите рассмотреть материалы, аккумулирующие тепло, скорость в основном зависит от того, насколько быстро вы можете передать тепло в некоторый объем материала, и поэтому, если мы просто подумаем о тепле, пересекающем границу раздела в полубесконечную среду, это просто своего рода одномерный Передача тепла через самолет, мы заботимся о двух вещах.Нам нужно заботиться о возможности подключения, и нам нужно заботиться об эффективной емкости, о том, сколько энергии мы можем хранить на единицу объема. Конечно, в PCM главный термин, на котором мы часто фокусируемся, - это объемная скрытая теплота, так что это, по сути, способ ее анализа, и нам нравится оценивать это на материальном уровне.

Slide 57

Расскажите об этом подробнее. Мы можем смотреть на решения проблем теплопередачи в эту полубесконечную среду, и решения выглядят по-разному в зависимости от природы граничных условий; постоянный тепловой поток или постоянная температура.Снова и снова мы видим, как этот термин появляется и исчезает, который действительно содержит все параметры, относящиеся к конкретным материалам, которые имеют отношение к этой проблеме. Было указано, что этот термин очень тесно связан с термической эффузией, поэтому мы можем назвать ее по существу эффективной тепловой эффузией. Он включает квадратный корень произведения теплопроводности на объемную скрытую теплоту.

Slide 58

Таким образом, это позволяет нам принять этот показатель качества, чтобы начать сравнение различных материалов, чтобы вы могли оценить эффективность различных материалов, одновременно поглощающих скорость нагрева.Мы можем рассматривать это как своего рода метрику сравнения материалов, но важно помнить, что если вы вернетесь к аналитическим решениям, этот показатель качества будет пропорционален скорости накопления энергии или повышению температуры, поэтому вы можете перевести, чтобы услышать непосредственно обратно к условиям этого тарифа. Итак, мы начинаем видеть несколько различных классов материалов, это просто низкотемпературные материалы и материалы для хранения энергии, и мы можем сравнить их с вещами, которые очень хорошо проводят тепло, так что медь, алюминий, графит и основа снова в вашем приложении, вы могли бы больше заботиться об энергии плотность, так что сдвигая вправо, или, может быть, плотность мощности, поэтому для электронных приложений во многих случаях охлаждение какого-либо чипа.Мощность - это ограничивающий термин, поэтому в таких случаях лучше всего поставить медный блок на систему.

Slide 59

Как вы знаете, как материаловеды и инженеры, мы любим начинать говорить, что это хорошо, но как нам двигаться дальше, что нам делать дальше? Мы начинаем с рассмотрения, что есть эти два ключевых термина, некоторые из которых действительно обладают высокой проводимостью, но не накапливают много тепла, тогда как я видел, что другие материалы имеют действительно большие сроки хранения энергии, но они просто медленнее на уровне проводимости. .Электропроводящие элементы, такие как алюминий-графит, медь, появляются в верхнем левом углу, например, гидраты мыла, парафины накапливают тепло за счет плавления, поэтому их эффективная емкость отображается справа. Итак, мы можем сказать, что происходит, когда мы начинаем смешивать эти два разных класса материалов.

Slide 60

Рассматривая эти вещи как однородные композиты с эффективными свойствами, мы можем начать отвечать на этот вопрос. Итак, то, что вы видите здесь, это изогнутые, которые представляют собой верхнюю и нижнюю границы для композитов, которые сделаны путем объединения различных соединительных элементов вместе с парафином.Таким образом, верхние нижние границы связаны с ориентацией различных материалов в этом композите, поэтому, если ваш проводящий элемент выровнен по направлению теплового потока, вы достигнете верхней границы, если эти слои перпендикулярны, и вы достигнете нижней границы. Есть пара важных выводов, вызывающих опасения, и один из них заключается в том, что мы, как правило, можем превзойти однофазные системы, но, возможно, даже более важно ... а также дизайн и материальное пространство.Таким образом, эта красная кривая просто выделяет композиты, состоящие из алюминия и парафина, а точка, в которой я сижу, зависит от того, сколько из этих двух граней я включил в композит. Итак, снова для конкретного приложения вы можете настроить, как выглядит этот композит, чтобы разработать оптимальный материал.

Slide 62

Таким образом, возникает два основных вопроса, первый из которых связан с общим подходом к описанию вещей как композитов.Когда мы сможем применить это, насколько хорошо это работает, и мы проделали некоторую работу по проверке этого в ламеллярных системах, и я скоро об этом расскажу. Далее, если я хочу применить это к реальной проблеме, мне часто нужно выйти за рамки простого показателя заслуг и немного глубже погрузиться в его оценку. Итак, поговорим на примере.

Slide 63

Итак, ответ на вопрос, когда мы можем применить этот составной подход, в первую очередь зависит от критических масштабов длины в системе.Вы можете подумать, есть ли у меня этот слоистый материал, где, если вы посмотрите на материал слева, серый цвет представляет слои металлического алюминия, а материал между ними - это материал с фазовым переходом; по мере того, как я уменьшаю расстояние между этими проводниками все меньше и меньше и меньше в какой-то момент, я послал вам, чтобы достичь того, что можно было бы назвать однотемпературной моделью, где температура в основном является только функцией вертикального расстояния от этой нагретой поверхности. Итак, ответ на вопрос, насколько толстым или маленьким должен быть интервал.Это зависит от шкалы времени, от того, насколько глубоко в материале вы внедряете свои тепловые насосы, и мы как бы углубимся в это в этой цитате внизу. Я думаю, что важным выводом здесь является то, что эти весы для звеньев легко изготовить, поэтому люди, которые работают с теплообменниками, все время делают вещи на этих легких весах с помощью традиционной механической обработки или пайки с использованием некоторых дополнительных производственных технологий.

Slide 64

Следующий вопрос, насколько хорошо это работает, это приближение действительно близко соответствует экспериментальному наблюдению, и здесь я просто как бы показываю в основном нисходящий взгляд на некоторые компоненты.Некоторые ламеллярные компоненты, которые были обратно заполнены материалами с фазовым переходом, так что интервал большой, изображение справа видно очень большое изменение температуры по горизонтали, но попросили, чтобы интервал становился все меньше и меньше и меньше, мы очень быстро достигли этой одномерной модели .

Slide 65

Многие из них мы не можем заходить слишком далеко и подробности проверки здесь, но фактические системы хорошо выдерживают наши наблюдения. На самом деле стоит упомянуть о некоторых пористых материалах, о которых уже однажды говорил другой участник дискуссии, вы можете подумать либо о пористом, либо о сжатом расширенном натуральном графите.Это действительно интересные материалы, потому что их масштабы длины, их унаследованные масштабы длины, как правило, небольшие, поэтому они, как правило, хорошо описываются составным приближением. Многие случаи поддаются контролю, поэтому, если вы возьмете расширенный природный графит и сожмете его до разной степени, вы измените объемную долю графита в композитном материале. Таким образом, это позволяет вам перемещаться где-нибудь по этой кривой. Зеленые точки данных извлекаются из чужой работы и как бы строят их на этом композитном анализе.Таким образом, люди работали с такими видами композитов по крайней мере пару десятилетий, но это очень полезные системы, которые имеют много полезности.

Slide 66

Таким образом, подход к рассмотрению вещей как композитов с эффективными свойствами очень хорошо работает для этих систем, но каждый раз, когда я делаю приложение, которое немного сложнее, чем просто нагревать интерфейс строгального станка, я необходимо переоценить, как выглядит оптимальный композит. Поэтому нам нужно выйти за рамки этого простого показателя качества, о котором мы говорили, и действительно задать вопрос о том, какое количество из двух фаз и как я хочу, чтобы они были распределены в объеме, и ответ таков: это зависит от обстоятельств.И это зависит от временного масштаба проблемы, это зависит от величины движущей силы, это зависит от геометрии, и я могу привести здесь краткий пример, который основан на цилиндрической системе отвода тепла, отводящей тепло или пример теплоноситель, протекающий по трубке.

Slide 67

Мы можем оценить это на нескольких разных уровнях, мы можем думать только об одной степени свободы в этой композиции. Итак, какова объемная доля металла в проводнике, или PCM, так что phi будет относиться к объемной доле проводящего элемента; и вы можете иметь эту константу, но нет причин сохранять ее постоянной.Оказывается, что во многих случаях вам нужно больше проводника ближе к этой трубе, потому что это помогает отвести тепло дальше от среды. Мы собираемся поговорить только об этой первой, потому что вторая тема требует более сложных подходов для оценки того, что является оптимальным в этих случаях.

Slide 68

То, что я здесь показываю, в основном построено на графике: у нас есть нечто вроде декартовой плоской поверхности слева и цилиндрической поверхности справа. Линия в основном показывает, сколько тепла на единицу площади поглощается кумулятивно до определенного времени, поэтому вы увидите, что это от 2 до 0 секунд, то есть всего 1 секунда.Горизонтальная ось показывает, сколько металла мы вложили в этот композит, поэтому он был рассчитан для комбинации алюминия и парафина, но опять же, мы можем изменить свойства материала, чтобы контролировать оптимальное решение.

Slide 69

Итак, то, что вы видите в очень широком диапазоне объемных долей, у вас как бы есть относительно постоянное количество тепла, было поглощено, однако этот фронт плавления продвигается все дальше и дальше в объем, потому что, конечно, это Чем больше металла вы туда кладете, тем он более проводящим и тем меньше тепла требуется для плавления определенного объема.

Slide 70

Таким образом, эти круги являются оптимальным максимумом тепла на единицу площади или в это конкретное время, и первое, что мы видим, это то, что если мы запустим моделирование на более длительное время в цилиндрическом случае, Оптимальная объемная доля металла изменяется, и это связано с тем, что цилиндр, который вы как бы расширяете наружу, удаляясь от центральной трубы. Так что выгодно отодвигать молочный фронт все дальше и дальше. В то время как в плоской геометрии ваша оптимальная объемная доля довольно постоянна во времени.

Slide 71

Мы также можем спросить, что произойдет, если у меня будет более высокая движущая сила, поэтому все это были изотермические эксперименты, но если мы перейдем к большей дельте T, дельта T - это разница между температурой поверхности на температура плавления, то эта кривая в основном продвигается все дальше и дальше вправо, потому что вступают в силу вклады ощутимого нагрева.

Slide 72

Все это было показом тепла на площадь, поэтому мы действительно говорим, что такое составной с точки зрения максимизации общего количества тепла, поглощенного в данный момент, но снова ответ меняется, если мы хотим оптимизировать какой-то другой термин, так что, если мы посмотрим на тепло на единицу массы или тепло на единицу объема, так что большая часть работы, которую мы делаем для аэрокосмических компаний, и, конечно, масса и объем являются очень важными терминами, и это неудивительно, что сдвигает ответ влево.Таким образом, требуется гораздо меньше металла, потому что мы не хотим слишком сильно нагнетать тепло, нам нужны компактные системы, и если вы оцените это для разных типов проводников и разных типов PCMS, вы увидите различия.

Slide 73

Итак, вы знаете, я думаю, что реальный вывод здесь заключается в том, что я думаю, что всегда важно оценивать, как выглядит композит или конкретное приложение, разные вещи, такие как геометрия, время, величина движущей силы, с которой все это изменяется. оптимальная концепция выглядит так, но, в конце концов, эти подходы действительно основаны на понимании того, что мы можем думать о конкретном объеме как о внутренней композиции с эффективными свойствами.

Slide 74

Я просто хочу отметить: очевидно, что это работа, на которую многие аспиранты тратят много времени, и у меня есть несколько сотрудников в Texas A&M, которые сыграли важную роль в оценке многих из этих работ. Таким образом, это было поддержано ONR и CITMAV на этом пути, но где хотелось начать применять эту рациональность для разработки составных систем или создания базовых приложений. Большое тебе спасибо.

Slide 75

Большое спасибо за это, Патрик.Финальной презентацией будет Эллисон о разработке устройств хранения тепловой энергии с использованием фреймворка Ragone. Большое спасибо, Нельсон. Меня зовут Элисон Махви. Я постдок в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии, и я собираюсь больше говорить о проектировании системного уровня и некоторых тренировках, проведенных с Джейсоном Вудсом.

Slide 76

Во-первых, чтобы связать это с множеством других презентаций, чтобы уйти от того, что описывал доктор Шамбургер, эти материалы обладают некоторыми свойствами, которые вам действительно нужны, так что обычно для фазы Измените материал, вы хотите что-то с высокой мощностью, высокой скрытой теплотой, а также способностью легко переносить тепло внутрь и наружу, что обеспечивает высокую теплопроводность.Он проделал большую работу по разработке показателей качества для этого и, в частности, для материалов с фазовым переходом, которые являются предметом нашего выступления. Это привело к большой работе по разработке материала с фазовым переходом теплопроводности, и, как правило, существует некоторый компромисс между скрытой теплотой и теплопроводностью, поэтому вы должны быть осторожны при рассмотрении свойств материала.

Slide 77

И если мои коллеги из NREL изучали свойства материала, рассматривая органический ПКМ и солевые гидраты, пытаясь создать стабильные материалы с высокой теплопроводностью, которые можно использовать в различных приложениях.По-прежнему остается много открытых вопросов о том, как вы можете интегрировать это в ограждающие конструкции зданий, если вы будете эффективно нагревать это с помощью теплового оборудования.

Slide 78

Мы начали рассматривать NREL специально для интегрированных холодильных аккумуляторов HVAC, поэтому взяли эти композитные материалы с фазовым переходом, которые обладают высокой теплопроводностью, и интегрировали их в цепь заряда и разряда. Если контур заряда является вашим типичным циклом сжатия пара, вы можете затем хранить этот холод или охлаждение внутри этого устройства для хранения тепла, а затем, когда вам нужно его использовать, вы можете разрядить его в свое пространство для условий, но это становится более сложной проблемой. пытаясь спроектировать эти устройства, через них протекают жидкости, как вы можете сделать это эффективно и какие свойства материалов вам нужны для эффективного использования.

Slide 79

Итак, мы пытаемся найти ответ на этот вопрос, пытаясь найти вдохновение в других областях. Электрохимическое накопление, как упоминалось ранее, имеет много общего с накоплением тепла с фазовым переходом и электрохимическим накоплением. В прошлом предпринимались большие усилия, рассматривая различные химические аспекты, а также конструкцию анода и катода, конструкцию этих систем, чтобы сделать их настолько эффективными, насколько это возможно. возможно или данное приложение.Теперь мы пытаемся использовать некоторые из прошлых работ, чтобы применить их к устройствам хранения данных с фазовым переходом, пытаясь максимально их оптимизировать.

Slide 80

Причина, по которой мы можем взглянуть на электрохимическое хранение, связана с сходством между тем, как работают эти две системы. Итак, слева вы можете увидеть выход батареи, которая представляет собой напряжение сверхурочной работы, есть некоторые важные части этой кривой батареи. Таким образом, в идеале ваша система будет иметь напряжение холостого хода или батарею в течение всего времени, когда вы разряжаетесь, а затем, когда ваша батарея полностью разряжена, ваше напряжение упадет до нуля.Обычно в реальной батарее, если вы увеличиваете мощность, у вас будет немного I в реальной батарее, если вы увеличите мощность, у вас будут некоторые потери IR в вашей системе, вы будете все дальше и дальше от этого идеального выхода. это позволяет вам быстрее разряжать аккумулятор, но также поможет вам быстрее отключить напряжение. Таким образом, напряжение отсечки в батарее - это своего рода минимум, при котором может работать любое дизайнерское приложение. Таким образом, в этот момент вы должны выключить свою систему или устройство, и любая энергия, оставшаяся в вашей батарее, не используется.Если вы посмотрите на выходную мощность накопителя фазового перехода вашей системы, которая будет самой низкой выходной температурой, и устройство, которое я снова показал ранее, у вас будет этот идеальный выходной сигнал, поэтому в идеале жидкость будет выходить из этого устройства при температуре перехода, однако по мере увеличения мощность, которую вы будете иметь в своей системе, в данном случае это потери QR в тепловой системе, и вы снова достигнете этой температуры отсечки. Таким образом, температура отсечки в этом случае для примера холодного хранения - это когда вам больше не нужно продолжать разряжать систему, температура слишком высока, вы не можете эффективно охладить свой чип или свою комнату.

Slide 81

Это пример тех двух графиков, которые я должен пересылать или называть кривыми пропускной способности, они просто показывают выходной сигнал вашей системы в зависимости от времени или состояния заряда. Итак, это пример того, что у меня есть настоящая литий-ионная батарея. Как вы можете видеть, это работает с разной мощностью, поэтому по мере увеличения мощности вы получаете все дальше и дальше от этого напряжения холостого хода. Мощность батареи часто определяется показателем C, показанным на этих рисунках.Коэффициент C - это комбинация емкости и тока, потребляемого батареей, и количества энергии, которое она от нее забирает. Таким образом, коэффициент C, равный 1, определяется как часовой разряд, когда вы запускаете эту батарею и разряжаете ее. На то, чтобы полностью вывести из него всю энергию, требуется час. Коэффициент C равный 2 - получасовая разрядка. Таким образом, по мере увеличения скорости C вы увеличиваете ток, потребляемый батареей, и количество энергии. Мы можем взять эти кривые пропускной способности и построить графики Рагона.Эти графики расскажут вам, каков будет компромисс между удельной энергией и удельной мощностью или что конкретный химический состав и геометрия добавляют различные значения напряжения отсечки. Как и вы, как правило, увеличивая мощность или показатель C, вы не можете получить столько энергии из своей батареи, потому что вы быстрее достигаете напряжения отключения, и поэтому в батарее остается больше энергии. Так что обычно вы переходите на более высокую мощность, вы теряете часть емкости аккумулятора.

Slide 82

Итак, мы хотели иметь возможность применить эту структуру Ragone для устройств или аккумуляторов тепловой энергии, чтобы попытаться понять, как лучше проектировать эти вещи.То, как мы это сделали, было создание моделей теплообменников, так что это был теплообменник для аккумулирования тепловой энергии с жидкостью, охлаждающей тепловую нагрузку, и материалом с фазовым переходом, аккумулирующим тепло или холод. Таким образом, мы дискретизировали пространство, дав нам много информации о том, что происходит внутри батареи, тепловой батареи. Где расположены фазовые фронты, каковы локальные температуры внутри материала с фазовым переходом.

Slide 83

Мы проверили это моделирование в экспериментах.Вы можете увидеть этот тестовый участок, в котором мы пропускаем жидкость через канал Майкла в центре, который зажат между этими двумя композитными плитами с фазовым переходом, и если вы посмотрите на температуры жидкости на выходе для выхода устройства хранения тепловой энергии, мы найдем наш эксперименты и наша модель довольно близко совпадают.

Slide 84

Итак, здесь показан процесс разгрузки. Внутри этих батарей в верхнем левом углу находится фаза PCM. Итак, это касается как жидкой границы раздела между каналом, который находится внизу, так и материала с фазовым переходом, который находится вверху.Так что, когда он выходит, вы можете видеть, что этот слой жидкости накапливается между жидкостью на дне и чем-то, что имеет относительно постоянную температуру, эту температуру перехода. В центре показаны профили температуры в системе и температуры. Итак, вы можете видеть, что фазовый фронт и то, как это тепловое сопротивление создается внутри системы, имеют большое значение для того, как изменяется ваша жидкость при какой температуре. Итак, здесь справа это кривая производительности, так что вы переходите из состояния заряда 100%, то есть, когда холодно, когда все это находится в твердом состоянии, и переходите в состояние нулевого заряда, когда оно полностью заряжено. Температура жидкости на выходе из расплавленной жидкости повысится из-за увеличения сопротивления.

Slide 85

Таким образом, вы можете использовать эту информацию, эти кривые производительности или эту схему, чтобы создать график Рагона для этих типов систем. Таким образом, вы сначала запускаете свою систему на разных уровнях мощности так же, как и от батареи. Таким образом, здесь вы можете видеть, как увеличивая мощность или увеличивая коэффициент C, вы все дальше и дальше отдаляетесь от этой идеальной температуры базового изменения, и вы также быстрее пересекаете температуру отсечки.Итак, следующий шаг - посмотреть, когда вы пересечете эту граничную температуру, она сообщит вам информацию о том, как долго ваша система проработала при постоянной мощности, и даст вам представление о том, сколько энергии я смог разрядить. вашей системы, а также был оставлен в ней. Таким образом, вы можете рассчитать удельную мощность вашего устройства, зная скорость теплопередачи, которую вы в него вкладываете / массу или объем и удельную энергию, которая связана с количеством времени, в течение которого система была включена.

Slide 86

Затем вы можете взять эту информацию и нанести ее на бляшку журнала регрессии. Итак, здесь вы можете увидеть удельную энергию по оси x и удельную мощность по оси y. Как правило, при малой мощности вы можете получить всю емкость вашей системы, полностью разрядив ее, когда вы снова увеличите мощность, так же, как вы найдете на электрохимическом графике. У вас, как правило, падает производительность. Этот тип информации может дать нам представление о том, какие типы свойств материала нам нужны в нашей системе, а также дает нам некоторую информацию о том, как мы хотим спроектировать, какую геометрию нам нужно.

Slide 87

Одна вещь, которая была достаточно тщательно изучена, - это теплопроводность. Итак, как нам увеличить теплопроводность материала с фазовым переходом, чтобы увеличить вашу мощность? Здесь слева вы можете увидеть зависимость температуры жидкости на выходе из состояния заряда. Итак, это кривая производительности при коэффициенте C, равном 1, так что это разряд в течение одного часа или все эти и различные значения теплопроводности. Таким образом, как правило, по мере увеличения теплопроводности вы все ближе и ближе подходите к этому идеальному выходу, вы медленнее достигаете температуры отсечки и получаете лучшую производительность.Это потому, что вы уменьшаете тепловое сопротивление в вашей системе. Это относится к участку Ragone справа. Как правило, поскольку у вас более высокая теплопроводность, вы переместитесь в верхнюю правую часть этого графика, чтобы у него была более высокая удельная энергия на данную удельную мощность, но это также многое говорит вам о компромиссах. Так что доходность уменьшается. Здесь, если мы посмотрим на коэффициент C, равный 1, здесь вы действительно хотите, чтобы для этой конкретной геометрии превышение теплопроводности около 10 действительно помогло вам.Так что, если вы жертвуете свойствами материала и смотрите на стоимость различных материалов, переход к материалам с очень высокой теплопроводностью не очень поможет вам, если вы уже достигли своего пика. Если вы посмотрите на здание или пример, в котором иногда вы пытаетесь сместить и сформировать нагрузку, вы, возможно, пытаетесь запустить на более низкой мощности что-то вроде четырехчасовой разрядки. Превышение коэффициента теплопроводности около 2 действительно помогает вам снова, поэтому вам нужно действительно понимать свое применение и какие требования к мощности необходимы для изготовления вашего материала.

Slide 88

Тогда второй вопрос, с которым вы можете столкнуться в подобных вопросах проектирования, - какая геометрия вам нужна? Итак, когда образец - это то, сколько материала вы должны положить между каждым, чтобы ваше устройство работало хорошо. Таким образом, вы можете поместить свой PCM или другой материал источника тепловой энергии, вы можете снизить общий вес, объем и стоимость. Обычно это компромисс, на который вы заинтересованы. Итак, здесь вы можете увидеть, как увеличивается количество пробирок.Опять же, вы идете в верхний правый угол этого графика, вы получаете более высокую удельную энергию или заданную мощность. При коэффициенте C, равном 1, вы можете видеть, что вам действительно нужно умеренное количество ламп, чтобы получить относительно хорошую производительность или получить большую часть емкости от батареи, которая вам нужна. Когда вы начнете переходить на более высокие скорости C при более высоких мощностях, возможно, для чего-то вроде охлаждения электроники вам нужно будет собрать вещи намного ближе, и это увеличит ваши затраты.

Итак, это было для материала с высокой теплопроводностью, что-то, что имеет теплопроводность около 1, даже если вы смотрите на здания или что-то еще и имеет относительно низкую мощность, вам понадобится много трубок для того, чтобы чтобы получить от него полную мощность.Так что, безусловно, существует компромисс между такими вещами, как геометрия проводимости вашей системы, которая связана со стоимостью и мощностью. Так что это должно быть что-то, что должно быть тщательно сбалансировано друг с другом на этапе проектирования.

Slide 89

В этой презентации делается попытка использовать исследования аккумуляторов для разработки графиков Ragone для систем накопления тепловой энергии, чтобы дать нам больше информации о конструкции компонентов, целевых материалах для данного приложения, а также об эффективности накопления и работе системы. устройств.

Slide 90

Я хотел бы поблагодарить BTO за то, что они собрали это воедино и дали нам возможность поговорить на работе, что это работа, проделанная мной, Джейсоном и командой людей в NREL, и мы будем рады ответить на любые вопросы. вопросы в предстоящей панельной дискуссии.

Slide 91

Большое спасибо, Эллисон. Итак, мы сейчас находимся в открытой части нашего мероприятия, посвященной вопросам и ответам. Вы слышали от нескольких докладчиков о различных материалах и подходах к оценке новых подходов к хранению тепловой энергии, поэтому не стесняйтесь использовать поле вопросов и ответов, чтобы задать любые вопросы, которые могут у вас возникнуть к докладчикам.

Q: При использовании всех этих технологий, какова целевая цена за киловатт-час, определенная для ее производства?

A: Я могу нанести первый удар. Когда мы смотрим на эти технологии хранения тепловой энергии, это не совсем вакуум. Мы также должны сравнить их рентабельность с другими формами хранения энергии, поэтому в первую очередь на ум приходят батареи. Таким образом, в зависимости от конкурирующих технологий и преобразования энергии, которое требуется для перехода от электрического к тепловому, это, по сути, то, что BTO использует для разработки наших плановых показателей затрат.

В: Это для Патрика Хопкинса: дает ли возможность переключения кольцевых зубцов кальмаров какую-либо пользу кальмарам?

A: Я ценю этот вопрос и все заданные вопросы, касающиеся Squid. Насколько я понимаю, способность переключения теплопроводности является следствием механических свойств и свойств самовосстановления кольцевых зубов кальмаров. Так что вроде как из точки молекулярного песка и эонов эволюции кальмаров, они создали способность для этих регенеративных ногтей.Таким образом, это реакция, которая происходит в воде, приводит к замечательным механическим свойствам, и, как следствие, теплопроводность и энергия, вероятно, говорят, что мы измеряем, основаны на атомистических механических свойствах. Поэтому я думаю, что вопрос заключается в том, чтобы сказать, помогает ли переключающая теплопроводность кальмара охлаждать его коготь ИЛИ кольцевые зубы кальмара, нет, я не думаю, что теплопроводность является частью эволюции кальмара, но механические свойства и Самовосстанавливающиеся свойства, которые возникли в результате эволюции кольцевых зубов кальмаров, а теплопроводность - всего лишь побочный продукт механической природы.Конечно, вы знаете, что термические свойства и материалы тесно связаны с их механическими свойствами, так что это своего рода совокупность.

В: Следующий вопрос также был связан с белком, но я думаю, что он может быть распространен и на других членов комиссии: не могли бы вы поговорить о масштабируемости и производстве подходов к накоплению тепловой энергии? В случае с Патриком белки для гидратов солей Кайла и Навина, некоторые из термохимических подходов Сумана и некоторые из композитов также работают.

A: У меня есть аналогичный вопрос, на который я пытался ответить в чате ранее, но на самом деле то, что мы пытаемся понять здесь, это то, что мы прогнозируем, что в масштабе мы сможем производить сборы менее 15 долларов за киловатт-час, мы будем способен производить 250 000 л в объемном масштабе ферментации. В настоящее время часть программы действительно выполняет технико-экономический анализ того, как мы можем масштабироваться до этого.

Это Кайл. Вкратце о солевых гидратах, с точки зрения материалов и процессов, на которых мы сосредотачиваемся, мы очень осведомлены о том, какой может быть цена на гребешок, и мы стараемся избегать методов обработки, которые было бы трудно масштабировать.Так, как Navin показал один из наших композитов, мы планируем от 5 до 6 долларов за киловатт-час. Теперь, это были бы некоторые затраты на обработку помимо того, что только для необходимого вам сырья, но я думаю, что суть в том, что масштабируемость очень хорошая или методики гидрата соли.

Это Суман. Я думаю, что для материалов TCM мы делаем упор на недорогие материалы. Мы учитываем стоимость как сырья, так и масштабируемости, поэтому он будет аналогичен материалу с фазовым переходом, использующему гидрат соли.Таким образом, стоимость не является проблемой, если мы можем масштабировать свойства материала до уровня реактора и уровня системы.

Я коротко скажу о композитном дизайне. Я думаю, что отчасти причина этого заключается в том, что стоимость интеграции некоторых вещей, таких как медали и графит, для передачи тепла в композит и из него, может составлять значительную часть общей стоимости. Итак, одна из вещей, которую вы хотите знать, - это то, сколько мне действительно нужно для конкретного приложения. Как говорила Эллисон, многое из этого зависит от того, как реализовать это в системе, поэтому, если вы думаете просто о создании большей площади поверхности, вы можете таким образом увеличить скорость потока, но есть компромиссы с разными морфологиями по сравнению с помещать туда такие предметы, как проводящие элементы.Опять же, в рассмотренных случаях мы собираемся поместить его во что-то, отдаленно напоминающее теплообменник, поэтому мы пытаемся сделать стоимость сопоставимой и сопоставимой с этими компонентами.

Это снова Кайл, еще один комментарий по поводу масштабирования. Это действительно важно, когда вы смотрите в литературу, там много информации о людях, имеющих дело с миллиграммами, особенно о людях с солевыми гидратами. В этом отношении также важно масштабирование. Если вы протестируете что-то с помощью DSC в калориметре, где вы используете несколько миллиграммов материала, вы можете получить очень, очень разные свойства, чем когда вы увеличиваете его даже на граммовой шкале, как мы измеряли бы любое устройство истории температуры, поэтому масштабируемость также применима. в этом смысле, и мы это хорошо понимаем.Я думаю, что в целом каждый в области хранения тепловой энергии и материала с фазовым переходом должен быть действительно осведомлен и критически взглянуть на то, как что-то было измерено, не только на то, какое число было указано, но и в каком масштабе оно было измерено, потому что миллиграмм - это совершенно другая история, чем грамм или килограмм.

В: Следующий вопрос, скорее комментарий: Накопление тепловой энергии основано на стоимости энергии или в долларах за киловатт-час и не учитывает ценностное предложение по улучшению тепловых свойств, таких как теплопроводность.Было бы полезно добавить еще один целевой показатель стоимости вокруг плотности мощности, такой как доллары за киловатт. Думаю, мне просто интересно, есть ли у какого-нибудь дворца комментарии боксеров, как проектирование этих композитных систем с улучшенной удельной мощностью, если вы понимаете, как это влияет на стоимость этих систем?

A: Я ожидаю, что Патрик даст более подробный ответ на этот вопрос, но я просто хочу кратко упомянуть, что мы работаем над анализом того, сколько материала вам нужно использовать в теплообменнике в зависимости от теплопроводности и вопрос очень уместный и корректно поставленный.И я надеюсь, что когда-нибудь в ближайшем будущем смогу дать еще несколько количественных ответов на этот вопрос.

Конечно, я могу войти быстро, и я хотел бы услышать, что Эллисон говорит о своей стороне. В конечном счете, когда вы думаете о стоимости за ставку, она во многом зависит от физической реализации, от того, как вы пытаетесь поглощать тепло из воздушного потока или жидкости. И это полностью контролирует то, как вы распределяете материал относительно этого теплоносителя. Так что мой ответ, вероятно, не будет удовлетворительным, потому что это зависит, в конечном итоге, когда дело доходит до стоимости, главное, что вы хотите учитывать, - это то, что вы делаете с этим.Если вы пытаетесь отключить мощность от случая пиковой нагрузки. Так что, возможно, одна часть дня переходит в другую. Затем, в конечном итоге, ваша система должна хранить достаточное количество энергии и делать это с адекватной скоростью разряда, поэтому обе эти вещи диктуют, что я должен быть распределен, и, в конечном итоге, ваша экономика основана на экономии затрат за счет смещения этой электрической нагрузки. Поэтому я думаю, что мы бы сказали, что для любого конкретного приложения вам действительно нужно начинать с точки зрения того, что мне нужно делать, как я пытаюсь вытеснить это тепло, а затем оценивать такие вещи, как стоимость.Например, я помещаю это в какой-то теплообменник, и я знаю, что у меня есть определенная скорость разряда, которую мне нужно сделать, тогда мы можем как бы изменить метрику производительности на стоимость на общую энергию, запасаемую системой, в то время как мы продиктовали не только по используемому материалу, но и по тому, сколько графита или металла или чего-то еще, что я добавляю в систему, чтобы эффективно вводить или выводить тепло. Итак, я снова знаю, что это не очень приятно, но, возможно, Эллисон сможет добавить.

Да, я согласен со всем, что говорит Патрик.Я думаю, что в целом вам действительно нужно взглянуть на свое приложение и на то, что вам нужно, чтобы иметь возможность извлечь из системы, поэтому то, что мы сейчас ищем, касается создания приложений. Если вы запустите это в здании и посмотрите на разные профили нагрузки здания, а затем также посмотрите на структуру ставок в разных местах, сколько денег или какова ваша экономика при перемещении или переносе груза в два разных времени дня. Это даст вам много информации о том, какие затраты вам нужны для всей системы, которые будут отражаться на стоимости материалов.Таким образом, глядя на профили нагрузки здания, он расскажет вам, какие показатели вам нужно достичь, какие показатели C вам нужны для вашей системы хранения тепла, а затем, сколько вы можете получить от этого с экономической точки зрения для оператора здания. Так что я думаю, что это сложный вопрос, и его нужно рассмотреть очень подробно для конкретного приложения. Насколько это важно для систем отопления, вентиляции и кондиционирования или горячего водоснабжения и строительства, в зависимости от вашего местоположения в стране, а также от разницы в величине между пиковыми и непиковыми нагрузками.

В: Есть ли у Министерства энергетики какие-либо планы по внедрению демонстрационных и пилотных проектов PCMS?

A: Я не могу говорить о каких-либо конкретных планах, но могу еще раз упомянуть RFI для дорожной карты Energy Storage Grand Challenge. Частично эта грандиозная задача направлена ​​на решение проблем увеличения масштабов, и если у вас есть мысли или о том, что может потребоваться для лучшей коммерциализации этих технологий хранения энергии, я определенно рекомендую вам отправить ответ на этот запрос о предоставлении информации, чтобы всегда быть актуальным. планы и дальнейшие действия.

В: Еще один вопрос, который у нас есть: можем ли мы иметь систему с комбинацией модуля PCM, характеристик быстрого разряда сэндвича, таких как обогрев помещения из холодного состояния, и после того, как упаковка будет завершена, можем ли мы получить модуль с управляемой разгрузкой?

A: Я могу немного попрыгать там. Это уже сделано в области электрохимических батарей, имеющих системы высокой мощности и системы высокой энергии, которые, как правило, спроектированы по-разному. Как бы объединить эти две вещи, чтобы вы могли получить быструю разрядку, но вы также можете сделать длительную более низкую разрядку.Я думаю, что если это что-то, что очень важно для создания пространств или может быть очень важно, если вы попробуете пару из этих двух вещей вместе. Это могут быть две разные системы, которые живут рядом друг с другом или пытаются объединить их в одну, что было бы немного сложнее, но я думаю, что вы можете получить вдохновение для этого типа электрохимических батарей, и я согласен с тем, что Я думаю, что это пространство, которое можно исследовать и дальше.

Q: Другой вопрос, который у нас есть, - какова роль PCM для сезонного накопления энергии, особенно для обогрева и охлаждения помещений.Будет ли это дешевле по сравнению с хранением энергии в скважине?

A: Я вижу вопрос, связанный с термохимическим хранением энергии в зданиях, поэтому я займусь этим, чтобы другие могли вмешаться. Так что это очень хороший вопрос. Опять же, термохимические материалы вам пришлют здания. В принципе, да, если у вас может быть температура зарядки, подходящая для зданий, нам нужно что-то, что может заряжаться при температуре менее 100 градусов C, где мы можем использовать солнечное тепло для зарядки, а затем нам нужно иметь подходящую температуру разрядки для создания приложений.Можно использовать для отопления помещений, можем ли мы сливать при температуре 35 ° C, можем ли мы сливать его для горячей воды. Итак, я думаю, что принцип: да, ответ в том, что мы можем использовать для этого термохимические материалы, всегда возникает вопрос, как мы можем придумать новые материалы с вашей конюшней, можем ли мы обладать психическими способностями, которые мы можем лучше использовать, потому что если вы посмотрите на Исследования, проводимые в этой области, в основном ограничены или ограничены количеством циклов, потому что мы рассматриваем TCMS для сезонного хранения. Например, они хотят заряжать летом и разряжать зимой.Так что все, что вам нужно, это 10-20 циклов. Если вы можете заставить материал и систему работать в течение 20 циклов, этого достаточно. И здесь, если вы посмотрите на цели BTO, мы говорим о 20 годах. Я хочу повторять это каждый день, поэтому я думаю, что это будет проблемой для материалов TCM, а другие - для PCM.

Да, я должен очень быстро прокомментировать. Нельсон, не могли бы вы просто напомнить мне вопрос о сезонном хранении? Да, по сути. Таким образом, с экономикой проблемы сезонного хранения довольно сложно, и опять же, это точно так же, как говорилось в предыдущем пике.Вы хотите подумать о том, какова окупаемость блока хранения, и если вы используете его для зарядки и разрядки каждый день или даже каждый день в течение полугода в жаркую часть лета, тогда эта общая энергия, которую вы храните складывается довольно быстро, и вы, надеюсь, окупитесь через несколько лет или меньше. если вы заряжаете и разряжаете только один раз в год, то в основном стоимость общего накопления энергии должна быть сопоставима со стоимостью одного британского теплового эквивалента для вас этого общего количества энергии, и это очень сложная цифра.Думаю, это будет основным ограничением для сезонного хранения.

Я бы добавил к этому, мы работаем над этой матрицей, что имеет смысл для накопления тепловой энергии. Так что я хотел бы повторить то, что говорит Патрик о том, что использование является важным фактором. Если вы можете использовать только один раз в год, то хранение тепла не имеет смысла. Но если вы можете использовать, если вы увеличите коэффициент использования, стоимость хранилища резко снизится. Очень важно, чтобы мы могли работать в цикле и сделать его более дневным, и мы можем использовать его как можно чаще, чтобы снизить стоимость хранения.

Q: Кто-нибудь исследовал использование biochar в качестве матрицы, учитывая его естественную открытую структуру?

A: Я могу очень быстро ответить на это, я не уверен в этом конкретном случае. Конечное использование во многом будет зависеть от того, как сделать его проводящим. Для чего-то вроде biochar это, вероятно, будет иметь пористый остаточный углерод. Я не знаю ответа на этот вопрос, но если это достаточно пористый углерод, то я не вижу предела, чтобы использовать его. Если это скорее аморфный углерод, и его теплопроводность, вероятно, не так высока, как хотелось бы, но если он достаточно дешев, тогда материал PCI может быть полезен.Свойства теплопередачи этого конкретного вещества.

Я согласен, и я думаю, что одна проблема, когда мы говорим об аморфном углероде или даже об углероде или какой-либо смеси, заключается в том, что у вас теплопроводность составляет два порядка величины в зависимости от структуры, которая представляет собой конкретную проблему, которую необходимо решить. В ORNL мы использовали сжатый расширенный графит, а также углерод, полученный из лигнина, и оба они многообещающие с точки зрения теплопроводности, поскольку доктор Хопкинс отметил, что это действительно зависит от вашей плотности, вы можете набрать, сколько теплопроводности вы хотите, выбрав насколько плотна углеродная матрица и, очевидно, идет плотность, тем меньше у вас остается объема материала для PCM, так что здесь есть компромисс.Одна из проблем со связкой и храповым материалом заключается в том, что они действительно имеют внутреннюю структуру, поэтому вам придется в основном пропитать существующую унаследованную структуру материалом с фазовым переходом, и такая инфильтрация может стать проблемой.

Еще один быстрый комментарий по самой плохой углеродной проблеме, особенно по расширенному графиту, одной из причин, по которой он может работать очень хорошо, поскольку вы можете выровнять эти граффити листы определенным образом и, таким образом, вы можете иметь очень анизотропные термические свойства и вы можете отодвинуть тепло от поверхности, близкой к теплоносителю, и это не всегда верно для всех пористых углеродных материалов.

В: Еще один вопрос по термохимическому хранению: что является ограничивающим фактором для времени переработки?

A: Ограничивающий фактор, так как упоминает все проблемы со свойствами материала. Вам нужно, чтобы ваш материал был активным; пока материал активен и реакция протекает обратимо, ограничивающего фактора нет. Он может пойти, он может разрушить заряд и заряд. проблема в том, что особенно с абсорбцией, когда реакция со всей структурой изменяется во время реакции гидратации и дегидратации, вам необходимо иметь эту структуру для стабильного объемного расширения.Вам необходимо, чтобы материалы оставались стабильными во время реакций. Вы не хотите, чтобы он поляризовался или распался. Вы же не хотите слышать, как структура идет от кристаллической, которая на самом деле может включать в себя все эти молекулы воды. Если он переходит из этой кристаллической структуры в аморфную, вы теряете свою энергию, не воспринимайте это как активный материал. У вас должна быть очень хорошая синергия между теплом и массопереносом. PCM вы заботитесь о теплопередаче, но вы не знаете паровую фазу материала. В этом случае у вас высокий перенос тепла, когда у вас есть частица, но у вас более низкий перенос массы, что произойдет, так это вместо реакции твердого газа вы просто расплавите свой материал.Теперь у вас будет фазовый переход, но не будет термохимического материала. все эти проблемы приводят к меньшей цикличности материала. Чтобы максимизировать скорость на уровне системы, вам необходимо оптимизировать ее для 20 циклов, даже на уровне материала она начинает разлагаться. Я вижу еще один вопрос по ТКМ.

В: Я вижу вопрос, который говорит, что определяет теоретическую плотность термохимического материала?

A: Это зависит от типа материала. если у вас есть гидрат соли, общая энтальпия Delta H определяется водоемкостью.Итак, предположим, что она гидратируется, давайте определим эту воду гидратированной по N, так что ваша общая теоретическая плотность будет в N раз дельта H. Если у вас есть гидроксид, то […]. в значительной степени определяется [….], поэтому зависит от того, на какой класс материала вы смотрите, который определяет теоретическую плотность энергии этого материала.

В: Что касается настраиваемых материалов, таких как зубы кальмара, на которые смотрел Патрик, для изменения их проводимости требуется вода. Как эта вода будет применяться для срабатывания переключателя в реальном приложении?

A: Если вы видели бумагу, вы увидите, что демонстрация переключателя на лабораторных весах выполняется вручную.это было ручное пипетирование или может быть водяной насос в лабораторных масштабах, но приложение, которое мы думаем для этого, будет включать в себя какой-то обработчик воздуха с теплообменником, где у нас будет камера увлажнителя, которая выдувает влажный воздух или насыщая СТО ПКМ в устройстве. Я упомяну, что в рамках этой программы преимуществ у нас есть возможность изучить именно этот дизайн, потому что это во многом будет связано с эффективностью.

Q: Помимо открытия материалов для материалов TCM, существуют ли какие-либо аналогичные исследования по поиску других материалов с новым фазовым переходом, таких как твердое тело

A: Ответ - да, безусловно, да.Я хотел бы отметить усилия BTO по изучению основных и новых материалов. В настоящее время LBNL и NREL работают над новыми твердотельными PCMS, а не только над переходом твердой фазы в твердую, которые имеют высокое изменение энтальпии, но мы также ищем возможность динамической настройки. Это возвращает нас к вопросу, в котором люди говорили о сезонности: от перехода от сезонности мы хотим иметь PCM, который не только твердофазный, но и твердофазный, с высокой плотностью энергии, но и имеет настраиваемую температуру перехода, что летом у нас есть один переход. температура, а зимой у нас есть другой, так что один ПКМ может решать в течение года.Я надеюсь, что отвечу на этот вопрос о твердотельных PCMS.

Могу я перейти и к этому, просто потому, что мы работаем над этой темой в рамках программы BTO. На самой первой презентации был слайд, показывающий некоторые ограничения. Ограниченные составы гидратов соли, которые были известны в определенных температурных диапазонах, представляющих интерес. Мы активно занимаемся разработкой эвтектических систем, в частности нитратной и хлоридной эвтектики, нацелены на некоторые из этих отсутствующих регионов.Теоретические предсказания эвтектических солевых гидратов ограничены, и есть здоровое материальное пространство для исследования.

Slide 92

Я хочу поблагодарить всех участников дискуссии за сегодняшнее выступление. Это было очень познавательно, и у нас состоялась очень плодотворная дискуссия. Итак, это последний веб-семинар в нашей последовательности по накоплению тепловой энергии, в наших веб-семинарах по накоплению тепловой энергии. Я хочу поблагодарить вас всех за участие, и я хочу призвать вас оставаться в курсе и продолжать искать будущие возможности для участия в BTO, поскольку мы пытаемся дальше исследовать и расширять границы возможностей хранения тепловой энергии для искусственной среды Спасибо всем за то, что присоединились, и в будущем слайды будут размещены на веб-сайте BTO.

термодинамика - Расчет накопленной энергии для резервуара для хранения тепла

Мне кажется, это может быть проблема XY. Вы запрашиваете энергию, хранящуюся в сосуде, но что вы будете делать с информацией, когда узнаете?

Энергия воды

Стакан водопроводной воды комнатной температуры содержит много энергии, но мало кто сочтет эту информацию полезной. Инженеры обычно обращают внимание на изменение энергии, вложенной в воду или получаемой из нее.Например, сколько домашнего отопления мы можем произвести за счет некоторого количества горячей воды, или сколько галлонов воды при температуре 65 градусов потребуется, чтобы принять душ при температуре 45 ° C. С точки зрения чистой физики, полная энергия жидкой воды при атмосферном давлении - это энергия, необходимая для ее нагрева от абсолютного нуля до точки плавления в виде льда, энергия, необходимая для плавления льда, и энергия, необходимая для нагрева его до текущей температуры. . Но это не очень полезно, потому что мы вряд ли столкнемся с экстремально низкими температурами, и поэтому будет трудно извлечь всю эту энергию.Помните, что тепло всегда перетекает с горячего на холодное.

Полезная энергия в воде

Ваш расчет показывает, что изменение температуры на 49 градусов по Цельсию будет изменением энергии на 57 кВт-ч. Но что это такое? Вы не сможете проработать 1000-ваттный фен в течение 57 часов, используя эту энергию. Вы можете использовать его для нагрева некоторого другого объема воды или, возможно, для нагрева комнаты с помощью теплообменника, но становится трудно извлечь всю эту энергию, когда температуры сходятся.Вы используете 20 градусов в расчетах, но не описываете, что это означает.

Что нам нужно

Итак, нам нужно знать, что вы пытаетесь сделать с этой нагретой водой. Круг на диаграмме отводит тепло, а затем закачивает холодную воду обратно в систему? Как только мы узнаем, что вы хотите сделать со всей горячей водой, мы сможем лучше ответить, какой емкости у воды для этого. Кроме того, дайте нам знать, насколько точны вам нужны ответы.)

Патенты и заявки на аккумулирование тепла (Класс 165/902)

Номер патента: 10508854

Реферат: Изобретение относится к охлаждающему устройству 1, в частности к морозильной камере 2, имеющему охлаждающий контур 3, причем охлаждающий контур 3 имеет компрессор 4, по меньшей мере, один испаритель 5 и конденсатор 44, а также закрывающийся охлаждающий элемент. пространство 6 с множеством боковых стенок 7 охлаждающего пространства, основание 8 охлаждающего пространства, по меньшей мере, один охлаждающий элемент 9 и изолирующий резервуар 10.В охлаждающем устройстве 1 испаритель 5 и охлаждающий элемент 9 расположены внутри охлаждающего пространства 6 таким образом, что задняя часть охлаждающего элемента 11 по крайней мере частично примыкает к испарителю 5, а передняя часть охлаждающего элемента 12 обращена к изоляционной емкости 10. , а изолирующий резервуар 10 закрыт, по меньшей мере, в направлении, по меньшей мере, одного охлаждающего элемента 9 и образует пространство для охлаждения товаров 13. На задней стороне охлаждающего элемента 11, примыкающего к испарителю 5, есть, по меньшей мере, одно углубление 14, в которое, по меньшей мере, один съемный может быть вставлен аккумулятор холода 15.

Тип: Грант

Подано: 17 февраля 2014 г.

Дата патента: 17 декабря 2019 г.,

Цессионарий: Б.Medical Systems, S.a.r.l.

Изобретателей: Жанно Демут, Игорь Николаев, Нико Гирренс, Андреас Хоффманн

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *