Аккумулирование тепловой энергии: понятие и способы получения и использования

Характеристики тепловой энергии

Это энергия, которая участвует в различных тепловых процессах, происходящих при контакте объектов с разной температурой. Эта энергия передается от одного тела к другому до тех пор, пока между телами сохраняется трение. Это происходит, например, когда мы кладем руки на поверхность. Через некоторое время поверхность будет иметь температуру руки, потому что она придала ей эту температуру.

В этом процессе прирост или потеря внутренней энергии называется теплом. Тепловую энергию получают различными способами. Поэтому каждое тело, имеющее определенную температуру, обладает внутренней энергией.

12 примеров тепловой энергии в повседневной жизни

Тепловая энергия — это энергия, которой обладает объект в результате движения его внутренних частиц. Это внутренняя кинетическая энергия объекта, которая возникает в результате случайного движения молекул и атомов объекта.

Хотя молекулы и атомы, составляющие материю, постоянно движутся, когда объект нагревается, повышение температуры заставляет эти частицы двигаться быстрее и сталкиваться друг с другом. Чем быстрее движутся эти частицы, тем выше тепловая энергия объекта.

Математически его можно записать как произведение постоянной Больцмана (k B) и абсолютной температуры (T).

Тепловая энергия = k B T

Термин «тепловая энергия» также может применяться к передаваемому теплу или энергии, переносимой тепловым потоком.

Тепловая энергия (или тепловая энергия) может передаваться от одного тела к другому посредством трех процессов

• Проводимость: наиболее распространенная форма передачи тепла, которая происходит через физический контакт: внутренняя энергия передается через микроскопическое столкновение частиц и движение электронов внутри тела.
• Конвекция: это перенос тепла из одной области в другую за счет движения жидкостей, таких как жидкости и газы.
• Излучение: это передача энергии в виде частиц или волн через пространство или среду. Чем горячее объект, тем больше тепловой энергии он излучает.

Чтобы лучше объяснить это явление, мы собрали несколько лучших примеров тепловой энергии, которые вы видите в повседневной жизни.

Солнечная энергия

Виды теплопередачи. Радиация

Солнце представляет собой почти идеальную сферу горячей плазмы, в которой водород превращается в гелий в результате миллиардов химических реакций, что в конечном итоге приводит к выделению огромного количества тепла.

Вместо того чтобы находиться рядом с Солнцем, тепло излучается от звезды в космос. Небольшая часть этой энергии (тепла) достигает Земли в виде света. Он состоит в основном из инфракрасного, видимого и ультрафиолетового света. Передача тепловой энергии таким образом известна как тепловое излучение.

В то время как часть тепловой энергии проникает через атмосферу Земли и достигает поверхности, часть блокируется облаками или отражается от других объектов. Солнечный свет, достигающий поверхности Земли, нагревает планету.

По данным Орегонского университета, вся Земля получает в среднем 164 ватта на квадратный метр в течение 24 часов. Это означает, что вся планета получает 84 мегаватта энергии.

Тающий лед

Тип теплопередачи. Конвекция

Тепловая энергия всегда течет от области с высокой температурой к области с низкой температурой. Например, когда вы добавляете лед в напиток, тепло передается от жидкости ко льду.

Поскольку тепло передается от напитка ко льду, температура жидкости снижается. Тепло продолжает перемещаться к самым холодным участкам напитка до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие. Потеря тепла приводит к снижению температуры напитка.

Топливные элементы

Топливный элемент с водородом и кислородом на входе

Теплопередача: в зависимости от типа топливного элемента

Топливные элементы — это электрохимические устройства, которые преобразуют химическую энергию топлива и окислителей в электрическую энергию. Когда топливный элемент работает, большая часть входной энергии используется для производства электрической энергии, а остальная часть преобразуется в тепло, в зависимости от типа топливного элемента.

Вырабатываемое при этом тепло используется для повышения энергоэффективности. Теоретически, топливные элементы гораздо более энергоэффективны, чем традиционные процессы: если отработанное тепло улавливается в схеме когенерации, эффективность может достигать 90%.

Геотермальная энергия

Виды теплопередачи: мантийная конвекция

Геотермальная энергия — это тепло, извлекаемое из недр Земли. Он содержится в жидкостях и горных породах под земной корой и может быть обнаружен глубоко в земной горячей лаве — магме.

Он образуется в результате радиоактивного распада материалов и непрерывной потери тепла с момента образования Земли. Температура и давление на границе раздела ядра и мантии могут достигать более 4000°C и 139 ГПа, вызывая плавление некоторых пород и пластическое поведение твердой мантии.

Это вызывает конвекцию части мантии вверх (поскольку расплавленная порода легче окружающей твердой породы). Пар и/или вода доставляют геотермальную энергию на поверхность Земли, откуда она может быть использована для охлаждения и отопления или для производства чистой электроэнергии.

Тепловая энергия в океане

Виды теплопередачи. Конвекция и проводимость

На протяжении десятилетий океаны поглощали более девятой части избыточного тепла, поступающего в атмосферу в результате выбросов парниковых газов. Согласно одному из исследований, за последнее десятилетие океаны нагревались со скоростью 0,5-1 ватт энергии на квадратный метр.

Океаны обладают невероятным потенциалом для накопления тепловой энергии. Поскольку их поверхности подвергаются воздействию прямых солнечных лучей в течение длительных периодов времени, существует огромная разница в температуре между мелководными и глубоководными участками океана.

Эта разница температур может быть использована для работы теплового двигателя и выработки электроэнергии. Это преобразование энергии, известное как преобразование тепловой энергии океана, может работать непрерывно и поддерживать различные побочные отрасли промышленности.

Солнечная плита

Виды теплопередачи: излучение и проводимость

Солнечные плиты — это низкотехнологичные, недорогие устройства, использующие энергию прямого солнечного света для нагрева, приготовления или пастеризации напитков и других пищевых ингредиентов. В ясный день его температура может достигать 400°C.

Все солнечные плиты работают на трех основных принципах.

• Концентрированный солнечный свет: устройство имеет зеркальную поверхность, которая концентрирует солнечный свет на небольшой площади для приготовления пищи.
• Преобразование световой энергии в тепловую. Когда свет падает на принимающий материал (сковороду), он преобразует свет в тепло, мы называем это проводимостью.
• Теплоуловитель: стеклянная крышка отделяет воздух внутри кастрюли от наружного воздуха, сводя к минимуму конвекцию (потерю тепла).

Потирая руку

Тип теплопередачи. Электропроводность

Когда вы трете руки друг о друга, трение преобразует механическую энергию в тепловую. Механическая энергия относится к движению ваших рук.

Поскольку трение обусловлено электромагнитным притяжением между заряженными частицами на двух соприкасающихся поверхностях, результатом трения рук друг о друга является обмен электромагнитной энергией между молекулами наших рук. Это приводит к тепловому возбуждению молекул в наших руках, что в конечном итоге приводит к выделению энергии в виде тепла.

Тепловой двигатель

Тип теплопередачи. Конвекция

Тепловые двигатели преобразуют тепловую энергию в механическую, которая затем может быть использована для выполнения механической работы. Электродвигатели берут энергию из тепла (по сравнению с окружающей средой) и преобразуют ее в движение.

В зависимости от типа двигателя используются различные процессы, например, использование энергии ядерных процессов для получения тепла (уран) или сжигание топлива для розжига (уголь или бензин). Во всех процессах цель одна и та же: преобразовать тепло в работу.

Повседневные примеры тепловых двигателей включают паровые двигатели, двигатели внутреннего сгорания и когенерационные установки. Все они работают за счет расширения нагретых газов.

Горящая свеча

Виды теплопередачи. Проведение, конвекция, излучение

Свечи светятся за счет выделения тепла. Они преобразуют химическую энергию в тепловую. Эта химическая реакция известна как горение, при котором воск свечи реагирует с кислородом воздуха, образуя бесцветный газ, называемый углекислым газом, а также небольшое количество пара.

Пар образуется в синей части пламени, где воск горит в чистом виде в присутствии большого количества кислорода. Однако, поскольку ни один воск не сгорает полностью, они также производят некоторое количество дыма (аэрозолей) в ярко-желтой части пламени.

В течение всего процесса фитиль впитывает воск и горит, производя свет и тепло.

Электрические тостеры

Тип теплопередачи: лучистое тепло

Электрический тостер поглощает электрическую энергию и очень эффективно преобразует ее в тепло. Она состоит из рядов тонких проволок (нитей), расположенных достаточно широко, чтобы поджарить всю поверхность хлеба.

Когда ток течет по проводам, энергия передается от одного конца к другому. Эта энергия переносится электронами. В течение всего процесса электроны сталкиваются друг с другом и с атомами в проволоке, выделяя тепло. Чем выше ток и чем тоньше провод, тем больше столкновений происходит и тем больше тепла выделяется.

Современные системы отопления дома

Тип теплопередачи. Конвекция

Два распространенных типа систем отопления, устанавливаемых в зданиях, — это системы отопления теплым воздухом и горячей водой. В первом случае используется тепловая энергия для нагрева воздуха, который затем циркулирует через систему воздуховодов и регистров. Теплый воздух выдувается из воздуховодов и циркулирует по помещению, заменяя холодный воздух.

Второй использует тепловую энергию для нагрева воды, которая затем прокачивается по всему зданию через систему труб и радиаторов. Горячие радиаторы излучают тепло в окружающий воздух. Затем теплый воздух перемещается по комнате с помощью конвекции.

Процессоры и другие электрические компоненты

Виды теплопередачи. Конвекция и проводимость

Процессоры, графические процессоры и системы на чипах рассеивают энергию в виде тепла через сопротивление электронных схем. Графические процессоры в ноутбуках/настольных компьютерах потребляют и рассеивают значительно больше энергии, чем мобильные процессоры, из-за их большей сложности и скорости.

Для поддержания оптимальной температуры микропроцессоров используются различные типы систем охлаждения. Например, типичная система охлаждения процессора для настольных ПК рассчитана на отвод до 90 Вт тепла без превышения максимальной подключенной температуры процессора настольного ПК.

Как производится тепловая энергия?

Мы должны исходить из того, что энергия не создается и не уничтожается, а только преобразуется. Тепловая энергия производится различными способами. Она возникает в результате движения атомов и молекул вещества. Как форма кинетической энергии, возникающей при случайном движении. Когда система имеет больше тепловой энергии, ее атомы движутся быстрее.

Формула

Внутренняя энергия идеального газа, образованного только одним типом атомов, может быть рассчитана по следующему уравнению

как.

U: внутренняя энергия. Единицей измерения в международной системе является джоуль (Дж).
n: количество молей газа
R: постоянная идеального газа
T: температура в Кельвинах (K).

Пример

Какова внутренняя энергия 2 молей идеального газа при температуре 27°C в настоящее время?
Считайте, что R = 8,31 Дж/моль К.

Сначала мы должны перевести температуру в Кельвины, поэтому имеем.

t = 27 + 273 = 300 к

Затем просто подставьте уравнение

Как используется тепловая энергия?

Тепловая энергия может быть преобразована с помощью тепловых двигателей или механической работы. Наиболее распространенными примерами являются автомобильные, авиационные и судовые двигатели. Тепловая энергия может быть использована различными способами. Давайте рассмотрим основные из них.

• Там, где необходимо тепло. Например, в качестве отопления в доме.
• Преобразование механической энергии. Примером может служить двигатель внутреннего сгорания автомобиля.
• Преобразование электрической энергии. Она вырабатывается на тепловых электростанциях.

Преимущества тепловой энергии

• Ее можно получать от солнца (солнечная энергия), не загрязняя окружающую среду.
• Дешевое сырье для сжигания древесины доступно повсеместно.
• Его можно получать из природного газа, который меньше загрязняет окружающую среду, чем нефтепродукты и производные угля.
• Это быстрый и дешевый способ выработки электроэнергии по сравнению, например, с гидроэлектростанциями.

Узнайте больше о важности солнечной энергии.

Недостатки тепловой энергии

• Сжигание ископаемого топлива, используемого для этого источника энергии, приводит к большому загрязнению окружающей среды.
• Производит большое количество углекислого газа (CO2).
• Способствует возникновению парникового эффекта.
• Приводит к обезлесению и бездумной вырубке лесов для добычи древесины

Измерение внутренней энергии

Внутренняя энергия измеряется в джоулях (Дж) в соответствии с Международной системой единиц. Он также может быть выражен в калориях (Cal) или килокалориях (Kcal). Чтобы хорошо понимать внутреннюю энергию, мы должны помнить принцип сохранения энергии». Энергия не создает и не разрушает, она просто превращается из одной вещи в другую». Это означает, что, хотя энергия постоянно преобразуется, она всегда одна и та же.

Кинетическая энергия, переносимая автомобилем при ударе о здание, направляется прямо в стену. В результате его внутренняя энергия увеличивается, а кинетическая энергия автомобиля уменьшается.

Частая путаница

Тепловую энергию очень часто путают с тепловой энергией. Его часто используют как синоним, хотя он не имеет отношения к делу. Тепловая энергия связана только с выделением тепла в своих тепловых явлениях. Поэтому она отличается от тепловой энергии, которая является просто теплом.

Количество тепла в теле является мерой тепловой энергии, а количество тепла, которое может быть испущено из тела, указывает на его высокую теплоемкость. Температура тела дает нам ощущение тепла и может служить сигналом о количестве тепловой энергии. Как мы уже говорили, чем выше температура тела, тем больше энергии.

Тепло может передаваться различными способами. Давайте рассмотрим их по очереди.

• Излучение электромагнитных волн.
• Вождение. Кондукция возникает при передаче энергии от более горячего тела к более холодному. Если тела имеют одинаковую температуру, то обмена энергией не происходит. Тот факт, что два объекта имеют одинаковую температуру при соприкосновении, является еще одним физическим принципом, известным как тепловое равновесие. Например, когда мы прикасаемся рукой к холодному предмету, тепловая энергия передается этому предмету, вызывая ощущение холода в руке.
• Конвекция. Это происходит, когда самые горячие молекулы перемещаются с одной стороны на другую. Это происходит постоянно в ветрах природы. Самые горячие частицы стремятся переместиться в места с меньшей плотностью.

Аккумулирование солнечной энергии

Наиболее активно используемые системы солнечного отопления могут накапливать энергию от нескольких часов до нескольких дней. Однако растет число объектов, использующих сезонное тепловое хранение (SST), которое позволяет накапливать солнечную энергию летом и использовать ее для отопления помещений зимой. Солнечная община Дрейк Лансинг в Альберте, Канада, уже научилась использовать 97% своей солнечной энергии в течение года, что является рекордом, который может быть достигнут только благодаря использованию SATE.

Использование скрытого и явного тепла также возможно в высокотемпературных системах получения солнечной энергии. Эвтектические смеси различных металлов, например, алюминия и кремния (AlSi12), обеспечивают высокие температуры плавления для эффективного производства пара, а глиноземные смеси на основе цемента обладают хорошими теплоаккумулирующими свойствами.

Технология расплава солей

Явное тепло расплавленных солей также используется для хранения солнечной энергии при высоких температурах. Солевые расплавы можно использовать как способ хранения избыточной тепловой энергии. В настоящее время это коммерческая технология хранения тепла, собранного солнечными концентраторами (например, от башенных или параболических котлов). Затем это тепло может быть преобразовано в перегретый пар для приведения в действие обычных паровых турбин и выработки электроэнергии в плохую погоду или ночью. Это было продемонстрировано в проекте Solar II в 1995-1999 гг. Прогнозируемая годовая эффективность в 2006 г. составила 99%, если сравнивать энергию, хранящуюся в виде тепла до преобразования в электричество, и прямое преобразование тепла в электричество. Можно использовать различные смеси эвтектических солей (например, нитрат натрия, нитрат калия и нитрат кальция). Использование таких систем в качестве теплоносителей широко распространено в химической и металлургической промышленности.

Соль плавится при температуре 131C (268F). Он хранится в жидком виде в изолированных «холодных» резервуарах при температуре 288C (550F). Жидкая соль перекачивается в солнечные коллекторы, где концентрированное солнечное тепло нагревает ее до 566C (1051F). Затем он направляется в резервуар для хранения горячей воды. Сама изоляция бака может использоваться для сохранения тепла в течение недели. Если требуется электроэнергия, горячая расплавленная соль подается в обычный парогенератор для получения перегретого пара и работы стандартных турбогенераторов, используемых на любой угольной, нефтяной или атомной электростанции. Турбина мощностью 100 МВт требует резервуара высотой 9,1 м (30 футов) и диаметром 24 м (79 футов) для работы в течение 4 часов на аналогичных принципах.

В настоящее время разрабатывается единый резервуар с разделительной пластиной, в котором может храниться как холодная, так и горячая расплавленная соль. Поскольку на единицу объема хранится на 100 процентов больше энергии по сравнению с двойным резервуаром, это будет более экономичным, так как резервуары для хранения расплавленной соли довольно дороги из-за своей сложной конструкции. Солевые грелки также используются для хранения энергии расплавленной соли.

Несколько параболических электростанций в Испании и Solar Reserve, разработчик башенных солнечных электростанций, используют эту концепцию для хранения тепловой энергии. Электростанция Solana в США может хранить энергию в расплавленной соли в течение шести часов. Летом 2013 года впервые в Испании электростанция Gemasolar Thermosolar, работающая одновременно как солнечный концентратор и как электростанция на расплавленной соли, смогла непрерывно производить электроэнергию в течение 36 дней.

Накопление тепла в емкостях и пещерах в скалах

Пароаккумулятор состоит из изолированного стального бака высокого давления, содержащего горячую воду и пар под давлением. Как метод хранения тепла, он используется для балансировки тепла, вырабатываемого колеблющимися или стабильными источниками, с изменяющейся потребностью в тепле. Паровые аккумуляторы могут стать действительно необходимым накопителем энергии в солнечных тепловых проектах.

В Скандинавии широко используются крупные хранилища для хранения тепла в течение нескольких дней, отделяя тепло от производства энергии и помогая удовлетворить пиковый спрос. Было проведено исследование (и доказана экономическая целесообразность) внесезонного хранения тепла в пещерах.

Накопление тепла в горячей породе, бетоне, гальке и т.д.

Теплоемкость воды является одной из самых высоких — 4,2 Дж/см3*К, в то время как теплоемкость бетона составляет лишь одну треть от этого значения. Бетон, с другой стороны, может быть нагрет до более высокой температуры 1200C с помощью, например, электрического нагрева и поэтому имеет более высокую общую мощность. Согласно приведенному ниже примеру, изолированный куб с поперечным сечением около 2,8 м может обеспечить дом достаточным количеством аккумулированного тепла для удовлетворения 50% потребности в отоплении. В принципе, это может быть использовано для хранения избыточного ветрового или фотоэлектрического тепла из-за высоких температур, которые могут быть достигнуты при электрическом нагреве. На региональном уровне проект Виггенхаузен-Зюд во Фридрихсхафене, Германия, привлек международное внимание. Он состоит из железобетонного теплоаккумулятора объемом 12 000 кубических метров (420 000 кубических футов), соединенного с солнечными коллекторами площадью 4300 квадратных метров (46 000 кубических футов), которые обеспечивают половину потребностей 570 семей в горячей воде и отоплении. Siemens строит под Гамбургом теплоаккумулирующее сооружение мощностью 36 МВт/ч, состоящее из базальта, нагретого до 600°C, которое может генерировать 1,5 МВт энергии. Аналогичная система планируется в Сорео в Дании, где 41-58% теплоаккумулирующей мощности в 18 МВт/ч будет использоваться для централизованного теплоснабжения, а 30-41% — для производства электроэнергии.

Технология сплава на границе растворимости

Легирование по границе растворимости основано на изменении фазы металла с целью сохранения тепловой энергии.

Вместо перекачки жидкого металла между емкостями, как в случае систем с расплавленной солью, металл заключен в другой металл, с которым он не может быть сплавлен (не может быть смешан). В зависимости от выбора двух материалов (материала для изменения фазы и материала капсулы), плотность хранения энергии может составлять от 0,2 до 2 МДж/л.

Рабочая среда, обычно вода или пар, используется для передачи тепла в сплав и из него на границе растворимости. Теплопроводность таких сплавов обычно выше, чем у конкурирующих технологий (до 400 Вт/м*К), что означает, что носитель информации может быть «загружен» и «разгружен» быстрее. Технология еще не реализована в промышленных масштабах.

Электротермические накопители

Электрические плиты широко распространены в европейских домах и ведут учет потребления электроэнергии по времени суток (чаще всего ночью, когда используется более дешевая электроэнергия). Они состоят из керамических плиток высокой плотности или цеолитовых блоков, нагреваемых до высоких температур с помощью электричества, которые могут быть хорошо изолированы, а могут и не быть, и контролировать выделение тепла через определенный период времени.

Технологии с использованием льда

Разрабатываются технологии производства льда в непиковые часы для последующего охлаждения. Например, кондиционирование воздуха можно сделать более экономичным, используя дешевую электроэнергию для замораживания воды ночью, а затем используя охлаждающую способность льда в течение дня, чтобы уменьшить количество энергии, необходимой для его поддержания. Использование льда для хранения тепловой энергии использует преимущества высокой теплоты плавления воды. Исторически сложилось так, что лед перевозили с гор в города для использования в качестве охладителей. Одна метрическая тонна (= 1 кубический метр) воды может хранить 334 миллиона джоулей (Дж) или 317 000 британских тепловых единиц (93 кВт/ч). Относительно небольшой резервуар для хранения льда может хранить достаточно льда для охлаждения большого здания в течение дня или недели.

Помимо использования льда для прямого охлаждения, он также используется для работы тепловых насосов в системах отопления. В этих приложениях изменение энергии фазы обеспечивает очень сильный слой теплопередачи, близкий к нижнему температурному порогу, при котором могут работать тепловые насосы, использующие водяное тепло. Это позволяет системе нести самые тяжелые отопительные нагрузки и увеличивает продолжительность времени, в течение которого энергетический элемент может отдавать тепло обратно в систему.

Сверхпроводящий накопитель энергии

Этот процесс использует сжижение воздуха или азота в качестве способа хранения энергии.

Первая система хранения энергии при сверхнизких температурах, использующая жидкий воздух в качестве среды хранения и низкосортное отработанное тепло для запуска повторного расширения воздуха, работает на электростанции в Слау, Великобритания, с 2010 года.

Технологии на основе горячего кремния

Твердый или расплавленный кремний обеспечивает более высокую температуру хранения, чем соли, и, следовательно, большую емкость и эффективность. Она была исследована как потенциально более эффективная технология хранения энергии. При температуре 1400 градусов Цельсия кремний способен накапливать более 1 МВт-ч энергии на кубический метр.

Накопление электричества после накачки теплом

В случае постнакопления с тепловым насосом (HEPA) для накопления энергии используется двухсторонняя система теплового насоса благодаря разнице температур между двумя тепловыми аккумуляторами.

Система от «Isentropic»

Эта система была разработана ныне обанкротившейся британской компанией Isentropic, и принцип ее работы изложен ниже. Он состоит из двух изолированных контейнеров, заполненных гравием или щебнем; нагретого контейнера для хранения тепловой энергии при высокой температуре и давлении и холодного контейнера для хранения тепловой энергии при низкой температуре и давлении. Сосуды соединены трубками сверху и снизу, и вся система заполнена инертным газом, т.е. аргоном.

Во время цикла зарядки система использует непиковую электроэнергию для зарядки теплового насоса. Газ аргон из верхней части холодного сосуда сжимается адиабатически до давления 12 бар при температуре и давлении, сравнимых с атмосферным, нагревая его примерно до 500C (900F). Затем сжатый газ подается в верхнюю часть нагретой емкости, где он проникает в гравий, передавая свое тепло породе и охлаждая ее до температуры окружающей среды. Охлажденный, но все еще находящийся под давлением газ оседает на дно сосуда, где он снова расширяется (опять адиабатически) до 1 бар и температуры -150C. Затем холодный газ проходит через холодный сосуд, где он охлаждает породу и вновь нагревает ее до первоначального состояния.

При обратном цикле энергия снова преобразуется в электричество. Горячий газ из нагретого сосуда расширяется, запуская генератор, который затем направляется в холодный резервуар. Охлаждающий газ, поднимающийся со дна холодной емкости, сжимается, нагревая газ до температуры окружающей среды. Затем газ направляется на дно нагретого сосуда, где снова нагревается.

Процесс сжатия и расширения обеспечивается специально разработанным поршневым компрессором, использующим золотниковый клапан. Дополнительное тепло, выделяемое в ходе этого процесса, уходит в окружающую среду через теплообменник во время цикла выгрузки.

Разработчики утверждают, что эффективность цикла в 72-80% является реальной. Это делает его сравнимым с накопителями энергии на гидроэлектростанциях, КПД которых превышает 80%.

Другая предложенная система использует турбины и способна обрабатывать гораздо больше энергии. Использование солевых нагревателей в качестве накопителей энергии позволит продвинуть исследование дальше.

Эндотермические и экзотермические химические реакции

Технология на основе гидратов солей

Примером экспериментальной технологии хранения энергии на основе энергии химических реакций является технология гидрата соли. Эта система использует энергию реакции, возникающую при гидратации или дегидратации солей. Он работает путем аккумулирования тепла в резервуаре, содержащем 50%-ный раствор гидроксида натрия. Тепло (например, от солнечных коллекторов) сохраняется путем испарения воды в эндотермической реакции. Когда вода добавляется снова, тепло выделяется в экзотермической реакции при температуре 50C (120F). В настоящее время эффективность этих систем составляет 60%. Система особенно эффективна для сезонного хранения тепла, поскольку сухая соль может храниться при комнатной температуре в течение длительного времени без потери энергии. Контейнеры с обезвоженной солью можно даже перевозить в разные места. Система имеет более высокую плотность энергии, чем тепло, хранящееся в воде, а ее емкость позволяет хранить энергию в течение нескольких месяцев или даже лет.

В 2013 году голландский разработчик технологий TNO представил результаты своего проекта MERITS по хранению тепла в соляных контейнерах. Тепло может передаваться от солнечного коллектора на плоскую крышу, испаряя воду, содержащуюся в соли. При повторном добавлении воды тепло выделяется практически без потери энергии. В контейнере, содержащем несколько кубических метров соли, может храниться термохимическая энергия, достаточная для отопления дома в течение всей зимы. При таких температурах, как в Нидерландах, средний теплоустойчивый дом потребует около 6,7 ГДж энергии в зимний период. Для хранения такого количества энергии в воде (при разнице температур в 70 градусов Цельсия) потребуется 23 кубических метра воды в изолированном резервуаре, что превышает возможности большинства домов. При использовании технологии соляного гидрата с плотностью энергии около 1 ГДж/м3 достаточно будет 4-8 м3.

По состоянию на 2016 год исследователи из нескольких стран проводят эксперименты, чтобы определить лучший тип соли или солевой смеси. Низкое давление в сосуде представляется наилучшим вариантом для передачи энергии. Особенно перспективными являются органические соли, так называемые «ионные жидкости». По сравнению с сорбентами на основе галогенидов лития, они создают гораздо меньше проблем в условиях ограниченных природных ресурсов, менее коррозийны, чем большинство галогенидов и гидроксид натрия, и не оказывают негативного воздействия через выбросы CO2.

Молекулярные химические связи

В настоящее время изучается вопрос о накоплении энергии в молекулярных химических связях. Достигнута плотность энергии, сопоставимая с плотностью энергии литий-ионных батарей.

Что такое теплоаккумулятор?

Теплоаккумулятор — это буферная емкость, в которой хранится избыточное тепло от котла системы отопления. Накопленные ресурсы затем используются для различных целей: длительного отопления дома, нагрева горячей воды и т.д.

При правильном подключении к СО теплоаккумулятор может почти вдвое снизить стоимость топлива, будь то природный газ, дрова или даже электричество.

Помимо аккумулирования избыточного тепла, эта емкость также выполняет функцию защиты котла от трещин в случае резкого снижения температуры.

Если такую систему оснастить различными датчиками и клапанами для многоуровневой экономии, то тепловая мощность увеличится, а затраты на приобретение топлива значительно снизятся.

Для чего нужен и как работает теплоаккумулятор

Каждый, кто использовал в своем доме твердотопливный котел, знает, как трудно поддерживать постоянную температуру в радиаторе. Это связано с тем, что температура в плите постоянно меняется, и этот процесс практически невозможно контролировать. Как это сделать, если топливо находится в топке и уже очень горячее? Конечно, можно перекрыть подачу воздуха, но эффект не будет ощутим и долгосрочен. Другими словами, невозможно принять быстрые меры.

Вторая проблема — это время между заправками. Естественно, чем реже вам приходится подкладывать в котел дрова или уголь, тем лучше. Чтобы решить обе проблемы, можно установить накопительные баки для отопления. Что это такое?

Аккумулирующий бак (ТА) — это герметичная буферная емкость большого объема, которая накапливает тепло во время работы котла. После того как все топливо в котле сгорит, накопительный бак, установленный в системе отопления, постепенно передает накопленное тепло в контур. Это снижает нагрузку на топливо и повышает эффективность работы нагревателя.

Внутри аккумулятора находится теплоноситель. Это может быть вода или антифриз, и необходимо понимать, что это та же охлаждающая жидкость, которая циркулирует по всему контуру. Принцип работы бака-аккумулятора в системе отопления заключается в следующем.

• Котел нагревает воду, которая поступает в ТА, постоянно заполненный теплоносителем.
• Затем теплоноситель поступает в отопительный контур, отдавая при этом часть своего тепла общему объему бака.
• Температура воды в резервуаре постепенно повышается.
• Из контура обратный поток также поступает в ТА.
• Из буферной емкости обратный поток поступает в котел.

Подача воды из накопительного бака, используемая для отопления, находится вверху, а обратная вода вытекает внизу. Эти потоки движутся в разных направлениях в резервуаре. Цель состоит в том, чтобы обеспечить их перекрытие и теплообмен. В противном случае не было бы накопления тепла. Нужно не просто смешать воду в баке, а сделать это правильно.

Что это значит? Циркуляция должна быть настроена таким образом, чтобы подающий поток опускался к обратному, а обратный поток не поднимался. Только в этом случае слой жидкости, находящийся между двумя потоками, будет нагреваться.

Циркуляция регулируется путем выбора производительности насосов до и после накопительного бака и установки одной из трех скоростей насоса.

Важно установить фильтр перед насосом в системе отопления. В противном случае может потребоваться обслуживание циркуляционного насоса.

В дополнение к накопительному баку системы отопления для обогрева жилища, она может быть оснащена контуром горячей воды. Агрегат также оснащен дополнительным источником тепла в качестве вспомогательного отопления.

Теплоаккумулятор прекращает отбор тепла от теплоносителя только тогда, когда он полностью заряжен. Это означает, что вода во всех слоях имеет одинаковую температуру и равна температуре питательной воды в котле.

Плюсы и минусы теплоаккумуляторов

Плюсы

• Если электричество отключат, вы сможете обогревать дом в течение 5-10 часов.
• Теплоаккумулятор отлично защищает котел от перегрева и закипания.
• В один отопительный профиль можно включить одновременно несколько теплогенераторов.
• Значительное повышение эффективности, так как значительное количество тепла может быть сохранено в накопительном баке за очень короткий период времени.
• Снижение расходов на топливо.
• Возможность установки системы горячего водоснабжения.

Минусы

• Накопительный бак занимает много места в котельной.
• Общая стоимость системы отопления значительно возрастает, так как приходится приобретать и устанавливать дополнительное оборудование.

Когда выгодно выполнить монтаж теплового аккумулятора

У вас есть твердотопливные котлы.

Вы отапливаетесь электричеством.

Солнечные коллекторы были добавлены, чтобы помочь с отоплением.

Существует возможность отвода тепла от агрегатов и машин.

Наиболее распространенное применение тепловых аккумуляторов — это использование твердотопливного котла в качестве источника тепла. Каждый, кто использовал для отопления твердотопливный котел, знает, какого уровня комфорта можно достичь с такой системой отопления. Огонь — раздеться, ожог — одеться. Вы не захотите вылезать утром из одеял в доме с таким источником тепла. Регулировать процесс горения в твердотопливных котлах очень сложно. Необходимо отапливать дом как в условиях +10С, так и -40С. Количество сгорания и тепла будет одинаковым, но способ, которым вы нуждаетесь в тепле, отличается. Что делать? Что можно говорить об эффективности, если при положительных температурах приходится открывать окна? О комфорте не может быть и речи.

Установка твердотопливного котла с теплоаккумулятором — это идеальное решение для частных домов, когда вы хотите быть одновременно комфортным и экономичным. В таком решении вы нагреваете твердотопливный котел, который нагревает воду в аккумуляторе и получает необходимое тепло. Котел работает на максимальной мощности и с максимальным КПД. Тепла столько же, сколько дров или угля, поэтому его запасают впрок.

Второй вариант. Установите накопительный нагреватель с электрическим бойлером. Это решение работает, если у вас установлен двухтарифный счетчик электроэнергии. Мы сохраняем тепло ночью и потребляем его как днем, так и ночью. Если вы решите использовать эту систему, лучше поискать накопительный нагреватель и выбрать электрический нагреватель, установленный непосредственно в барабане котла. Электронагреватели дешевле электрических котлов и не требуют материалов для проводки котла. Минус работа по установке электрического бойлера. Представляете, сколько денег вы можете сэкономить?

Третий вариант, когда имеется солнечный коллектор. Все избыточное тепло может быть пропущено через коллектор. За полсезона он оказывается превосходно экономичным.

Монтаж теплоаккумулятора

Независимо от того, какой тип теплоаккумулирующего бака вы установите, вам в любом случае понадобится следующее

• Шаровой кран.
• Циркуляционный насос.
• Полипропиленовые трубы различных диаметров.
• Отсутствует обратный клапан.
• Датчики тепла.
• Перепускной клапан.
• Электропроводка.
• Электронный блок управления насосом.
• Тепловой аккумулятор.
• Расширительный сосуд.
• Инструменты (различные гаечные ключи, паяльник для труб, лента ФУМ и т.д.).

Важное замечание! Рекомендуется устанавливать аккумулятор в непосредственной близости от котла. Это позволит вам сэкономить деньги и значительно снизить потери тепла.

Из СО сливается вся вода или антифриз (обычно в специальный контейнер, так как покупать новый слишком дорого).

1. К верхней открытой части контура хранения воды подключен бак для теплового расширения воды, к которому обязательно подключается предохранительный клапан на случай избыточного давления в системе.
2. Штекер устанавливается на разъем бака. Как правило, это можно сделать и без него, но если вы хотите провести техническое обслуживание без слива теплоносителя, необходимо установить шаровой запорный клапан.
3. К нижней выходной трубе теплоаккумулятора подключен насос.
4. Напорный выход системы отопления соединен с верхним выходом аккумулятора.
5. Датчик температуры и электронный блок управления аккумуляторной системой также установлены в этой секции. Если вы не знаете, как настроить оборудование, обратитесь за помощью к специалисту.
6. Основная часть СО для циркуляции теплоносителя соединена с соседним выходом в верхней части аккумулятора.
7. Второй насос для циркуляции воды подключен к трубе возврата аккумулятора. Этот насос используется для перемещения первичного контура отопления.
8. Затем устанавливается блок управления для регулирования правильной работы второго циркуляционного насоса.
9. Если в вашем аккумуляторе имеется второй контур хранения в баке, он также подключается параллельно с CO
10. Если вспомогательное оборудование и датчики температуры не имеют нормальной цепи питания, источник питания подключается параллельно.
11. Наконец, система подключается к заземлению, после чего проводится диагностика усовершенствованной системы отопления и осуществляется первый запуск.

Обратите внимание! Во всех системах безопасности и аксессуарах предпочтительно использовать быстроразъемные соединения, часто называемые «американскими» соединениями.

Что важно учитывать при покупке теплоаккумулятора

Прежде чем купить теплоаккумулятор, необходимо учесть следующие моменты.

1. Размер установки. Это самый важный момент, так как вам придется затащить аккумулятор в дом, а затем установить его. Поэтому он должен пролезать в дверные проемы, а также хорошо вписываться в котельную.
2. Допустимое давление теплоносителя в накопительном баке. Перед покупкой важно уточнить информацию о рабочем давлении вашей системы отопления.
3. Оптимальная и максимальная температура воды в контуре аккумулятора. Уточнение информации особенно важно, если в вашей системе циркулирует специальный антифриз. Обычный аккумулятор вам не подойдет, так как более высокие температуры могут привести к утечке или неработоспособности аккумулятора.
4. Материалы для производства. Это важный момент, поскольку материал определяет функциональность, эффективность и долговечность. Лучшими считаются модели, изготовленные из нержавеющей стали, но они, как правило, дороже устройств средней ценовой категории.

Следует также обратить внимание на возможность крепления к резервуару дополнительного оборудования.

Не стоит слишком беспокоиться о цене, так как в этом случае вы можете выбрать дешевый и некачественный аккумулятор. Цены на обогреватели для отопления начинаются от 10-15 000 рублей. Просто не стоит идти на сделку, так как в будущем могут возникнуть трудности с использованием этого резервуара.

Надеемся, что наша статья была для вас полезной и ценной, и теперь вы знаете, что такое теплоаккумулятор для котла отопления и как он устанавливается. Хорошего дня!

Фото теплоаккумулятора для системы отопления

Тепловой аккумулятор своими руками

Сложность изготовления буферной емкости с подогревом заключается в создании надежного изоляционного слоя. Обычная бочка или аналогичное устройство не могут быть использованы для этой цели. Кроме того, буферная емкость для отопления должна выдерживать давление воды на стенки емкости и возможный гидроудар.

Простейшая конструкция представляет собой куб с U-образной трубкой или кольцом из медных трубок внутри. Последний вариант предпочтительнее, поскольку он имеет большую площадь поверхности для теплообмена, а медь обладает оптимальным значением теплопроводности. Здание подключено к общей магистрали. Для изготовления бака системы отопления требуется стальной лист толщиной не менее 1,5 мм и металлическая труба. Его диаметр должен быть равен сечению труб на данном участке системы отопления.

Минимальный набор инструментов включает следующее.

• Сварочный аппарат.
• Угловая шлифовальная машина (угловая шлифовальная машина).
• Сверло по металлу для сверления отверстий.
• Измерительный инструмент.

Самый простой способ изготовить бак для радиатора отопления — сделать форму куба. Предварительно составляются чертежи, и вся дальнейшая работа будет проводиться в соответствии с ними. Наличие нагревательного элемента не является обязательным, но предпочтительно. Он сможет поддерживать нагрев воды на должном уровне.

Порядок изготовления теплового аккумулятора

Сначала вырезаются прямоугольные листы, образующие основной корпус емкости системы отопления. На этом этапе необходимо учитывать сварочный зазор — он составляет от 1 до 3 мм, в зависимости от аппарата и выбранного электрода. Затем в заготовке вырезаются отверстия для крепления труб, нагревательных элементов и заливной горловины бака. Чугунные радиаторы отопления нельзя крепить непосредственно к ним. Поэтому необходимо рассчитать потери тепла от водяного бака к радиатору.

После того как конструкция собрана, корпус необходимо изолировать. Предпочтительно использовать базальтовую изоляцию для нагревательного бака. Он обладает следующими важными качествами.

Он не воспламеняется. Плавление происходит при температуре выше 700°C.

Его легко установить. Базальтовая вата довольно гибкая.

Обладает пароизоляционными свойствами.

Это важно для удаления конденсата, который неизбежно скапливается на прудовой емкости во время работы системы отопления.

Использование пластиковых материалов (пенополистирола или пенопласта) не допускается, так как они легко воспламеняются. Предпочтительно изолировать буфер после подключения к системе отопления. Таким образом, снижаются потери тепла от впускных и выпускных труб.

В качестве буферного цилиндра можно использовать старый стальной контейнер. Однако толщина его стенок должна быть не менее 1,5 мм.