Совершенствование систем аккумулирования тепла в 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 контексте вопросы эффективного использования энергии и
рационального применения ресурсов приобретают первостепенное значение
для обеспечения устойчивого развития. Данная статья посвящена
исследованию и оптимизации систем аккумулирования тепловой энергии в
автономных системах теплоснабжения. Рассмотрены различные сферы
применения накопителей тепла, включая судостроение, транспорт,
промышленные объекты и космическую отрасль. В центре внимания –
экономичное использование топлива и смазочных материалов, а также
минимизация
выбросов
загрязняющих
веществ
в
атмосферу.
Проанализированы перспективы применения тепловых аккумуляторов в
комплексах, обеспечивающих одновременное производство тепла и
электроэнергии.
В
работе
подчеркивается
значимость
теплоаккумулирования для повышения энергоэффективности и снижения
зависимости от внешних источников энергоснабжения. В заключение указан
перспективный потенциал рассматриваемых технологий как в России, так и
за ее пределами.
Ключевые слова: аккумулирование тепла, автономное теплоснабжение,
энергоэффективность, тепловые аккумуляторы, когенерация, судостроение,
промышленные комплексы, космическая индустрия, ресурсосбережение,
снижение выбросов.
Энергетика – важнейшая отрасль современного хозяйства, и ключевая задача – повышение энергетической эффективности. В этой связи приоритетное внимание уделяется совершенствованию технологий аккумулирования
тепла в автономных системах теплоснабжения. Процесс аккумуляции тепла
подразумевает использование как химических, так и физических явлений,
позволяющих накапливать и сохранять тепло в специализированных тепловых аккумуляторах. Эти устройства состоят из резервуара-хранилища, теплоаккумулирующего вещества, зарядных механизмов и различного вспомогательного оборудования.
Одним из действенных инструментов энергосбережения является применение тепловых накопителей. Эта технология обеспечивает не только сохранение избыточной энергии, но и позволяет создать тепловой резерв на случай
временных перебоев в работе отопительных систем. Главная цель аккумуляции энергии – сбалансировать графики генерации и потребления, сгладить
пиковые нагрузки и компенсировать дефицит энергии в периоды снижения
спроса. Тепловые накопители работают по принципу сохранения и высвобождения внутренней энергии посредством обратимых физических или химических процессов, таких как нагрев, охлаждение или плавление материалов [1-2].
Независимо от конструктивных особенностей, необходимо учитывать экономическую оправданность применения систем аккумуляции тепла, поскольку они позволяют ощутимо сократить расходы на энергию. На рисунке 1 показана упрощенная схема теплового накопителя: вокруг канала с циркулирующим теплоносителем размещен теплоаккумулирующий материал (например, твердый), который накапливает тепло. В режиме зарядки температура
теплоносителя на входе выше, чем на выходе: теплоноситель передает свою
энергию материалу. В режиме разрядки ситуация обратная – температура на
входе ниже, и теплоноситель нагревается, получая тепло от накопителя.
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 функционирования тепловых аккумуляторов:

Фаза накопления (заряд): температура теплоносителя, поступающего в
аккумулятор, превышает температуру выходящего потока. Это указывает на
то, что тепловая энергия передается аккумулирующей среде.

Фаза отдачи (разряд): температура теплоносителя на входе становится
меньше, чем на выходе. В этом случае теплоноситель забирает тепло,
накопленное в аккумуляторе.
Классификация тепловых накопителей:

Простейший аккумулятор (буферная емкость): представляет собой
резервуар, подключенный к единственному источнику тепла. Его основная
задача – сглаживание температурных колебаний.

Аккумулятор с интегрированным теплообменником: применяется в
системах, где циркулируют различные типы теплоносителей в контурах
зарядки и отопления. Теплообменник располагается внутри бака
аккумулятора.
Расчет ключевых параметров:

Определение необходимого объема накопителя: объем выбирается,
исходя из мощности теплогенерирующего устройства (например, котла).
Рекомендуемое соотношение – примерно 25-30 литров объема на каждый
киловатт мощности.

Оценка аккумулированного количества энергии: расчет производится
по формуле:
Q = c * m * ΔT
где:
Q – аккумулированная энергия;
c – удельная теплоемкость теплоносителя;
m – масса теплоносителя;
ΔT – разница между температурой подачи и обратки теплоносителя.

Расчет времени поддержания температуры:
t = Q / Qот
где:
Qот – количество энергии, расходуемое за один цикл прохождения
теплоносителя.
Области
применения
тепловых
накопителей
с
однофазным
аккумулирующим материалом:

Системы отопления: сглаживание температурных скачков, особенно
характерных для твердотопливных котлов.

Системы с электрическими котлами: аккумулирование тепла в ночное
время по льготным тарифам и его использование в дневные часы.
Принцип работы теплового аккумулятора:

Накопление энергии происходит за счет увеличения температуры
аккумулирующего материала. В процессе разрядки входящий теплоноситель
имеет более низкую температуру, чем выходящий. Проходя через
аккумулятор, он нагревается, отбирая тепло от остывающего материала.
Классификация тепловых аккумуляторов по типу аккумулирующей среды:
В целях совершенствования систем аккумулирования тепла в автономных
системах теплоснабжения проводится классификация теплоаккумуляторов на
основе типа используемой аккумулирующей среды.
Основные методы аккумулирования тепловой энергии:
1. Прямое аккумулирование: передача и хранение тепла происходит в
одном и том же веществе.
2. Косвенное аккумулирование: теплообмен происходит с возможным
изменением агрегатного состояния вещества или без него.
3. Полупрямое аккумулирование: в данном методе тепловая энергия
передается между двумя средами, где одна среда выполняет функцию
промежуточного теплоносителя, а другая – аккумулирующего материала.
4. Сорбционное
аккумулирование:
основано
на
способности
определенных веществ поглощать газы с выделением тепловой энергии.
Существует множество разновидностей тепловых аккумуляторов, включая
паровые, жидкостные, электрические, пневматические, а также работающие
при постоянном или переменном давлении.
Тепловые аккумуляторы широко используются в различных сферах. В
жилищно-коммунальном хозяйстве примером является накопительный
водонагреватель. В промышленных и общественных зданиях основными
потребителями тепловой энергии являются системы отопления. В них часто
применяется аккумулирование, основанное на тепле фазового перехода,
например, замерзание воды. В регионах с высоким спросом на охлаждение
летом целесообразно использовать накопление льда. В Европе и Америке
активно изучаются перспективы внедрения тепловых накопителей в
жилищно-коммунальном секторе.
Современным примером служат солнечные тепловые двигатели,
используемые в авиации и космонавтике. Энергия передается от
концентрирующей системы к поглощающей поверхности двигателя, где
рабочее тело нагревается и расширяется в реактивном сопле, создавая тягу
[3-5].
Идеальный термодинамический цикл такого двигателя представлен 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 [3-8].
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.