Совершенствование систем аккумуляции тепла в децентрализованном теплоснабжении

ШИВАЕВА ЛИЛИЯ БОРИСОВНА, магистрант
Научный руководитель –
ЗА.ЙЦЕВ ОЛЕГ НИКОЛА.ЕВИЧ, д-р техн. на.ук, профессор, И.О.
заведующего ка.федрой инфра.структурных теплоэнергетических систем
Юго-За.па.дный Государственный университет, г. Курск, Россия
(e-mail: liliya.090580@ra.mbler.ru, zon071941@ma.il.ru)
СОВЕРШЕНСТВОВА.НИЕ СИСТЕМ А.ККУМУЛЯЦИИ ТЕПЛА. В
СИСТЕМА.Х ДЕЦЕНТРА.ЛИЗОВА.ННОГО ТЕПЛОСНА.БЖЕНИЯ
В современном мире проблемы энергоэффективности и ра.циона.льного
использова.ния ресурсов ста.новятся ключевыми фа.ктора.ми устойчивого
ра.звития. Ста.тья посвящена. а.на.лизу и совершенствова.нию систем
а.ккумуляции тепла. в децентра.лизова.нных система.х теплосна.бжения.
Ра.ссмотрены ра.зличные обла.сти применения а.ккумуляторов тепловой
энергии, включа.я судостроение, тра.нспорт, промышленные уста.новки и
космическую промышленность. В центре внимания – бережное расходование
топлива и смазочных материалов, а также сокращение вредных выбросов в
атмосферу. Изучены возможности применения тепловых аккумуляторов в
системах, где одновременно производятся тепло и электроэнергия. В
работе акцентируется важность аккумулирования тепла для повышения
энергоэффективности и уменьшения зависимости от сторонних
поставщиков энергии.За.ключительные выводы ука.зыва.ют на потенциал
да.нных технологий в будущем, ка.к в России, та.к и за. рубежом.
Ключевые
слова.:
аккумуляция
тепла.,
децентра.лизова.нное
теплосна.бжение,
энергоэффективность,
тепловые
а.ккумуляторы,
комбинирова.нна.я выра.ботка. энергии, судостроение, промышленные
уста.новки, космическа.я промышленность, экономия ресурсов, снижение
выбросов.
Энергетический сектор предста.вляет собой ключевую отра.сль
современного хозяйства., и одной из гла.вных за.да.ч, стоящих перед
экономикой, является повышение энергоэффективности. В этом контексте
особое внима.ние уделяется улучшению систем на.копления тепла. в
децентра.лизова.нных система.х теплосна.бжения. Процесс на.копления тепла.
включа.ет ка.к химические, та.к и физические явления, позволяющие
а.ккумулирова.ть и хра.нить тепло в специа.лизирова.нных тепловых
а.ккумулятора.х. Та.кие устройства. состоят из резервуа.ра. для хра.нения тепла.,
а.ккумулирующего вещества. и за.рядных меха.низмов, а. та.кже ра.зличного
вспомога.тельного оборудова.ния.
Одним из эффективных способов сохра.нения энергии является
использова.ние тепловых на.копителей. Эта. технология не только позволяет
сохра.нить избыточную энергию, но и созда.ёт резерв на. случа.й временного
отключения отопительных систем. Основной за.да.чей а.ккумулирова.ния
энергии является устра.нение несоответствия между генера.цией и
потреблением, а. та.кже сгла.жива.ние пиковых на.грузок и преодоление
энергетических прова.лов в периоды низкого спроса.. Тепловые на.копители
функционируют на. основе принципа. хра.нения и выделения внутренней
энергии посредством обра.тимых химических или физических процессов,
та.ких ка.к на.грев, охла.ждение или пла.вление ма.териа.лов [1-2].
Невзира.я на. технологические особенности, ва.жно учитыва.ть
экономическую целесообра.зность использова.ния систем на.копления тепла.,
та.к ка.к они позволяют существенно снизить за.тра.ты на. энергию. На. рисунке
1 предста.влена. простейша.я конструкция теплового на.копителя: вокруг
кана.ла. с протека.ющим теплоносителем ра.сположен теплоа.ккумулирующий
ма.териа.л (на.пример, твёрдый), который на.ка.плива.ет тепло. При за.рядке
темпера.тура. теплоносителя на. входе выше, чем на. выходе: теплоноситель
отда.ёт свою энергию ма.териа.лу. При ра.зряде ситуа.ция обра.тна.я –
темпера.тура. на. входе ниже, и теплоноситель на.грева.ется за. счёт отда.чи
тепла. от на.копителя.
Рисунок 1 – Схема. теплового на.копителя с однофа.зным
теплоа.ккумулирующим ма.териа.лом
Невзира.я на. технологические особенности, ва.жно учитыва.ть
экономическую целесообра.зность использова.ния систем на.копления тепла.,
та.к ка.к они позволяют существенно снизить за.тра.ты на. энергию. На. рисунке
1 предста.влена. простейша.я конструкция теплового на.копителя: вокруг
кана.ла. с протека.ющим теплоносителем ра.сположен теплоа.ккумулирующий
ма.териа.л (на.пример, твёрдый), который на.ка.плива.ет тепло. При за.рядке
темпера.тура. теплоносителя на. входе выше, чем на. выходе: теплоноситель
отда.ёт свою энергию ма.териа.лу. При ра.зряде ситуа.ция обра.тна.я –
темпера.тура. на. входе ниже, и теплоноситель на.грева.ется за. счёт отда.чи
тепла. от на.копителя.
Принцип работы схемы заключается в следующем:

Теплоноситель, проходя через канал и отдавая тепло, охлаждается, а
аккумулирующий материал получает энергию.
Сохранение энергии происходит благодаря теплоемкости материала,
что приводит к повышению его температуры.

Во время разряда холодный теплоноситель, наоборот, нагревается,
отбирая тепло у материала и снижая его температуру.
Принцип работы:
• Заряд – температура теплоносителя на входе выше температуры на выходе.
• Разряд – температура теплоносителя на входе ниже температуры на выходе.
Виды тепловых накопителей:
• Простейший аккумулятор (буферная ёмкость) – подключается к одному
теплоисточнику.
• Аккумулятор с встроенным теплообменником – используется при разных
теплоносителях в контурах зарядки и отопления, теплообменник размещён
во внутреннем баке.
Расчёт параметров:
• Объём накопителя выбирают исходя из мощности отопительного котла –
примерно 25-30 литров на 1 кВт.
• Количество накопленной энергии рассчитывают, как
Q = c × m × ΔT,
где
- Q – энергия;
- c – удельная теплоёмкость теплоносителя;
- m – масса теплоносителя;
ΔT – разница температур подачи и обратки.
• Время поддержания температуры t = Q / Qот, где Qот – расход энергии за
один цикл прохода теплоносителя.
Применение тепловых накопителей с однофазным теплоаккумулирующим
материалом широко:
• В системах отопления для сглаживания резких колебаний температуры
теплоносителя от источника тепла (например, твердотопливного котла).
• В системах с электрическими котлами для накопления тепла в ночное
время и расхода в дневное.
Зарядка теплоаккумулятора осуществляется за счёт повышения температуры материала, обусловленного его теплоёмкостью. Во время разрядки температура входящего теплоносителя оказывается ниже, чем у выходного. Холодный теплоноситель, проходя по каналу, нагревается благодаря отдаче
тепла от остывающего материала.
Совершенствование систем накопления тепла в децентрализованных системах теплоснабжения позволяет классифицировать теплоаккумуляторы по
типу аккумулирующей среды на несколько категорий:
Различают несколько основных методов аккумулирования тепловой энергии:
1. Прямой метод: тепло передается и сохраняется в одном и том же веществе.

2. Косвенный метод: происходит только обмен теплом, который может
сопровождаться сменой агрегатного состояния вещества или протекать без
нее.
3. Полупрямой метод: (детали не описаны в исходном тексте).
4. Сорбционный метод: основан на способности некоторых веществ поглощать газы, выделяя при этом тепло.
Сегодня существует большое разнообразие тепловых аккумуляторов,
включая паровые, жидкостные, с электронагревателями, пневматические, а
также аппараты, работающие при переменном или постоянном давлении.
Тепловые накопители широко используются в различных областях. В жилищно-коммунальном хозяйстве привычным примером является накопительный водонагреватель, часто встречающийся в жилых домах, на промышленных предприятиях и в общественных зданиях. Эти водонагреватели – простое и недорогое решение. Однако больше всего тепловой энергии в этой
сфере потребляют системы отопления. В системах отопления часто применяют аккумулирование, основанное на тепле фазового перехода, например,
на замерзании воды при 0°C. В регионах, где летом требуется много охлаждения, имеет смысл использовать накопление льда, что обеспечивает двойную пользу от отопительной системы. Ученые Европы и Америки активно
изучают возможности применения тепловых накопителей в жилищнокоммунальном секторе.
Современный пример использования тепловых накопителей – солнечный
тепловой двигатель, применяемый в авиации и космонавтике. Энергия поступает в двигатель от внешней концентрирующей системы, которая передает тепло на поглощающую поверхность. Рабочее тело, нагреваясь в приемнике, затем расширяется в реактивном сопле, создавая тягу [3-5].
Идеальный термодинамический цикл солнечного теплового двигателя показан на рисунке 2.
Рисунок 2 – Типовая схема термодинамического цикла солнечного теплового
двигателя
Солнечные тепловые двигатели рассматриваются как многообещающее
решение для децентрализованных систем теплоснабжения, применимое в самых разных областях. Среди ключевых направлений выделяются:
1. Перевод спутников с низких орбит на геостационарные.
2. Утилизация космического мусора.
3. Межпланетные перелеты, включая полеты к Марсу, с использованием
двигателей мощностью от 1 до 5 МВт.
4. Обеспечение работы долговременных орбитальных станций с помощью двигателей мощностью 10-20 кВт.
Технологии аккумулирования тепла активно внедряются в судостроение,
особенно на пассажирских судах малого тоннажа, курсирующих по морским
и озерным маршрутам и оснащенных дизельными установками. Основная задача – гарантировать достаточное количество тепловой энергии для нужд
судна. В условиях низких температур необходимо подогревать судовой дизель до +15-20°C для успешного запуска. Традиционно для этого используют
дополнительные котлы и водоводяные охладители, однако более эффективным является использование ранее накопленного тепла от самого дизеля. Такой подход позволяет значительно сократить расход горюче-смазочных материалов, что ведет к существенной экономии топлива, достигающей сотен
килограммов или даже тонн в зависимости от режима эксплуатации.
Кроме того, применение тепловых накопителей способствует снижению
общего объема вредных выбросов от судового дизеля.
Применение аккумуляторов тепла в транспортной отрасли – еще одно перспективное направление. Аккумулирование тепла позволяет сглаживать пики
в подаче и потреблении энергии, а также решать локальные проблемы дисбаланса. Важнейшими критериями при выборе теплового аккумулятора для
транспортных средств являются его размеры и масса. В транспорте тепловые
и пневматические накопители часто комбинируют с электромеханическими,
маховичными накопителями кинетической энергии и топливными аккумуляторами.
В промышленности для кратковременного аккумулирования энергии
обычно используют твердотельные регенераторы и паровые аккумуляторы
(горячей воды), а также установки, использующие энергию воды под нормальным или повышенным давлением. Главная цель таких решений – не
только прямая экономия энергоресурсов, но и снижение зависимости от
внешних источников энергии, что особенно важно для комбинированных
установок, одновременно производящих тепло и электроэнергию.
Системы аккумулирования тепла находят все большее применение в энергетике, промышленности, жилищно-коммунальном хозяйстве и транспорте
как в России, так и за рубежом. Интерес к этим технологиям продолжает расти под влиянием стремления к повышению энергоэффективности и экономии
ресурсов. Основные принципы аккумулирования тепла остаются актуальными и будут востребованы при разработке новых технических и инженерных
решений.
Список использованной литературы
1. Бекман Г, Гилли П.В. Тепловое аккумулирование энергии. – М.: Мир,
1987. – 269 с.
2. Левенберг В.Д. Аккумулирование тепла. – К.: Техника, 1991.
3. Куколев М.И. Основы проектирования тепловых накопителей энергии –
Петрозаводск, 2001.
4. Сотникова, О.А. Аккумуляторы теплоты теплогенерирующих установок
систем теплоснабжения / Журнал «АВОК». – 2003. – № 5.
5. Аладьев И.Т., Рзаев А.И., Филатов Л.Л. Аккумуляторы тепла фазового
перехода для солнечных электростанций с натриевым теплоносителем // Аккумулирование энергии и пути повышения эффективности работы электростанций и экономии энергии: Матер. Все-союз. науч.-техн. совещания. Часть
2. – М.: ЭНИН, 1986. – С. 157-163.
6. Андрющенко А.И. Основы термодинамики циклов теплоэнергетических
установок: Учеб. пособие. – М.: Высшая школа, 1985. – 320 с.
7. Астахов Ю.Н., Веников В.А., Тер-Газарян А.Г. Накопители энергии в
электрических системах. – М.: Высшая школа, 1989. – 160 с.
8. Висканта Р. Теплообмен при плавлении и затвердевании металлов // Современное машиностроение. Серия А. – 1989. – № 6. – С.119-139.
2. Промышленная теплоэнергетика
Шиваева Лилия Борисовна, ФГБОУ ВО ЮЗГУ студент
e-mail: lilya090580@rambler.ru
заочное участие
Оплата была за публикацию одной статьи, включая сборник в электронном виде.