Разработка и исследование теплового накопителя с использованием высокотемпературного рабочего тела

Ключевым вопросом устойчивого развития энергетики является хранение и использование тепловой энергии, что тесно связано с жизнеобеспечением людей. Аккумулирование тепловой энергии в системах охлаждения, кондиционирования и вентиляции, отопления и горячего водоснабжения обеспечивает снижение расхода энергетических ресурсов на соответствующие нужды, их пикового потребления, а также уменьшение мощности применяемых установок при переменных нагрузках. Системы аккумулирования холода позволяют снижать потребление электроэнергии при использовании для накопления холода возобновляемых источников энергии, к которым относятся энергия солнца, энергия окружающей среды при низких температурах, энергия ночного радиационного охлаждения. Этот процесс может иметь сезонный характер: накопление холода в зимний период и расход накопленной энергии в летние месяцы. При использовании двойных тарифов на электроэнергию аккумулировать холод можно холодильной машиной в ночное время, что приводит к снижению стоимости потребленной электроэнергии и сокращению ее пикового расхода. Наличие аккумуляторов холода в системах охлаждения с переменными нагрузками позволяет применять холодильные машины меньшей мощности, поскольку максимальные нагрузки могут сниматься накопленной энергией охлаждения. Перспективным, активно развивающимся направлением создания систем аккумулирования тепловой энергии является использование веществ с фазовым переходом (ВФП). Ряд зарубежных компаний выпускают накопители тепловой энергии с такими веществами (Cristopia Energy Systems, «Drake Landing Solar Community» и «Ice Bear»). Для разработки и создания отечественных эффективных и конкурентоспособных систем тепло- и хладоснабжения с аккумуляторами тепловой энергии требуется выполнение целого комплекса фундаментальных и прикладных научных исследований, опытно-конструкторских работ, испытаний промышленных образцов накопителей тепловой энергии. Научные исследования должны включать в себя систематизацию ВФП, выбор наиболее перспективных веществ, изучение их свойств, работы по улучшению отдельных свойств этих веществ, аналитические и экспериментальные исследования нестационарного теплообмена при фазовых переходах, разработку эффективных конструкций аккумуляторов тепловой энергии. Показано, что для накопления тепловой энергии широко используют вещества с фазовым переходом, преимущественно типа «твердое тело–жидкость», обеспечивающие объемную и массовую плотность хранения энергии теплоты и холода в 5–14 раз выше в сравнении с аккумулирующими жидкостями. Они широко изучаются из–за их высокой плотности теплоаккумулирования, почти постоянной рабочей температуры и хорошей термостабильности. Использование скрытой теплоты фазового перехода материалов (ВФП) для достижения температурной стабильности является лучшим пассивным охлаждением. Принцип заключается в том, что при повышении температуры до температуры фазового перехода ВФП переходит из твердого состояния в жидкое и сохраняет большое количество тепловой энергии в виде скрытого тепла, что позволяет эффективно смягчать резкий рост температуры во время работы системы. С развитием этой технологии для терморегулирования было изучено множество различных групп материалов, включая неорганические соединения (гидраты солей), органические соединения, такие как парафин, жирные кислоты и полимерные материалы (полиэтиленгликоль) [А.В. Бараненко, П.А. Кузнецов, В.Ю. Захарова, А.П. Цой. Анализ исследований в этой области свидетельствует о том, что накопление тепловой энергии с последующим ее использованием в системах охлаждения и нагрева повышает эффективность последних, сокращая энергопотребление. Развитие подобных систем является актуальной научно-технической задачей, поскольку потребление энергетических ресурсов мировым сообществом постоянно возрастает.