Расчет и проектирование аккумуляторов теплоты на фазовых переходах (капсульного типа)

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана
Н.А. Россихин
РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ
АККУМУЛЯТОРОВ ТЕПЛОТЫ
НА ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДАХ
(КАПСУЛЬНОГО ТИПА)
Методические указания
к выполнению курсовой работы
по дисциплине «Теплообменные аппараты»
Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2010

УДК 621.565.94
ББК 31.38
P76
Рецензент М. Д. Диев
P76
Россихин Н. А.
Расчет и проектирование аккумуляторов теплоты на фазовых переходах (капсульного типа) : метод. указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Теплообменные аппараты» / Н. А. Россихин. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана,
2010. – 35, [5] с. : ил.
Изложены основные понятия аккумуляции теплоты, описаны наиболее важные физические эффекты и приложения, а также принципы
расчета и конструирования аккумуляторов теплоты на фазовых переходах.
Для студентов 4-го курса, специализирующихся по кафедре
«Теплофизика» (Э-6), выполняющих курсовое проектирование по
дисциплине «Теплообменные аппараты».
Методические указания рекомендованы учебно-методической комиссией научно-учебного комплекса «Энергомашиностроение».
УДК 621.565.94
ББК 31.38
c
⃝МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010

1. НАЗНА
ЧЕНИЕ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
АККУМУЛЯТОРОВ ТЕПЛОТЫ
Аккумулированием тепловой энергии, или аккумулированием
теплоты, называется процесс накопления тепловой энергии в период ее поступления для последующего использования. Процесс
накопления энергии называется зарядкой, процесс ее использования — разрядкой.
Возможность аккумулирования тепловой энергии основана на
использовании физического или химического процесса, связанного
с поглощением и выделением теплоты. К основным таким процессам относятся накопление — выделение внутренней энергии при
нагреве — охлаждении твердых или жидких тел, фазовые переходы с поглощением — выделением скрытой теплоты, процесс сорбции — десорбции или обратимая химическая реакция, протекающая
с выделением — поглощением теплоты. Отмеченные процессы реализуются в специальных устройствах — аккумуляторах теплоты
(АТ).
Применяются АТ в тех областях хозяйства, где имеет место неравномерное поступление тепловой энергии. Они позволяют снижать энергозатраты благодаря использованию альтернативных источников энергии или повышению эффективности работы имеющегося энергетического оборудования.
В АТ протекают следующие процессы [1—3]:
• тепловое аккумулирование энергии твердыми и жидкими телами за счет изменения температуры вещества (теплоемкостное
аккумулирование);
• тепловое аккумулирование энергии посредством использования теплоты фазового перехода;
• термохимическое аккумулирование тепловой энергии и др.
3

Теплоемкостное аккумулирование основано на способности веществ запасать энергию при нагревании. Вещества, используемые
для накопления тепловой энергии, называются теплоаккумулирующими материалами (ТАМ). При этом количество аккумулированной энергии зависит от температуры, до которой нагреваются
ТАМ, и его удельной теплоемкости. Этот способ аккумулирования
теплоты является наиболее простым и давно применяется, например при отоплении печами, которые выполняются достаточно массивными и накапливают во время нагрева теплоту, затем постепенно расходуемую на обогрев помещения. С точки зрения величины
удельной теплоемкости, т. е. способности аккумулировать теплоту
в расчете на 1 кг массы, одним из самых хороших ТАМ является
вода. Нагретая вода также может быть использована для горячего
водоснабжения.
Другим способом является аккумулирование тепловой энергии,
основанное на использовании обратимого процесса фазового перехода плавление — затвердевание. В этом случае в качестве ТАМ
используется фазопереходный материал (ФМ). Реализация этого
способа по сравнению с предыдущим оказывается более сложной
из-за необходимости усложнения конструкции. Однако в АТ на
фазовых переходах (АФП) на единицу объема запасается гораздо
большее количество теплоты. При этом процесс зарядки и разрядки может быть осуществлен в узком диапазоне значений температуры, что очень важно при работе АТ в условиях небольших
температурных напоров.
Термохимическое аккумулирование тепловой энергии основано
на использовании обратимых химических реакций. Оно позволяет
запасать тепловой энергии на единицу массы больше, чем в первых
двух случаях, но оказывается более сложным в реализации.
В качестве одного из примеров применения АТ можно указать
использование теплоемкостного графитового АТ в системе электрообогрева для запасания тепловой энергии в ночное время при
отпуске электроэнергии по более низкому тарифу. При этом температура графитовой матрицы достигает 1500 оС. Химические АТ
не нашли широкого промышленного применения.
В настоящее время наиболее широко применяются АФП.
Основными сферами использования АФП являются:
4