Введение
Накопители энергии играют важную роль в сбережении имеющейся энергии и улучшении ее использования. Солнечная энергия доступна только днем, и, следовательно, ее применение требует эффективного аккумулирования тепловой энергии (ТЭС), чтобы избыточное тепло, собранное в солнечные часы, можно было аккумулировать для последующего использования в ночное время. Поэтому успешное применение солнечной энергии в значительной степени зависит от используемого метода аккумулирования энергии.
TES - это технология, которая может снизить общее потребление энергии и может включать разумное накопление тепла (аккумулирование энергии путем нагрева или охлаждения), скрытое накопление тепла (путем плавления, испарения, отверждения или сжижения) или их комбинацию. Скрытый способ аккумулирования тепла привлек большое количество применений, о чем пойдет речь в данном обзорном докладе.
Однако, как правило, возникают практические трудности при применении метода скрытого нагрева из-за низкой теплопроводности, изменения плотности и стабильности свойств при длительном циклическом использовании.
В ходе последних исследований было выявлено и изучено большое количество ПХМ с широким диапазоном температур плавления/замерзания.
Кайгусюз и др. пришли к выводу, что сравнение между скрытым и разумным хранением тепла показывает, что плотность аккумулирования обычно в 5-10 раз выше, чем при использовании скрытых устройств хранения тепла.
Раттод и др. установили, что целесообразность использования ПХМ в скрытой системе хранения тепла основана на желательных теплофизических, кинетических и химических свойствах, в дополнение к экономическим критериям.
Зальба и др. показали, что недостаточно длительное использование ПХМ обусловлено двумя факторами: низкой стабильностью их материальных свойств и/или коррозией между ПХМ и контейнером.
В данной работе скрытое тепло относится к скрытому теплу плавления, поскольку другие фазовые изменения, такие как испарение, не практичны из-за большого изменения объема, связанного с ним.
В соответствии с темой, в данной статье представлен обзор исследований, связанных с TES с использованием PCMs и классифицируются различные концепции хранения PCMs, работающих при низких температурах.
Дискуссия о классификации и свойствах ПКМов
Материалы, используемые для фазового перехода, должны иметь большое скрытое тепло и высокую теплопроводность. Они должны обладать температурой плавления, лежащей в практическом диапазоне эксплуатации, плавиться в соответствии с минимальным переохлаждением и быть химически стабильными, недорогими, нетоксичными и не агрессивными.
Изучаемые в последние годы материалы - гидратированные соли, парафиновые парафины, жирные кислоты и эвтектика органических и неорганических соединений. Материалы, которые расплавляются ниже 15 °C, используются для хранения охлаждающей жидкости в системах кондиционирования воздуха, а материалы, которые плавятся выше 90 °C, используются для абсорбционного охлаждения.
Все остальные материалы, которые расплавляются между этими двумя температурами, могут быть использованы для солнечного нагрева. Эти материалы представляют собой тот класс материалов, который был изучен больше всего.
Интересующиеся такой информацией читатели могут ознакомиться с работами Лорша и др. Лейна, Хамфриса и Григгса , которые сообщили о большом количестве возможных кандидатов на скрытое хранение тепла с широким диапазоном температур.
Исследования показали, что в целом неорганические соединения обладают почти вдвое большей объемной скрытой способностью (250-400 кг/дм3 ), чем органические соединения (128-200 кг/дм3 ).
Установлено, что большинство исследованных в литературе органических и неорганических ПХМ - это те, температура плавления которых находится в диапазоне 30-60°C, а скрытая теплота плавления - в диапазоне 150-250 кДж/кг.
Фарид и др. установили, что больше всего изучены промышленные парафиновым воском, расплавившиеся при температуре около 55°C.
В настоящее время в России не существует аналогов парафиновым воском. Он также использовал три промышленных воска с температурой плавления 44, 53 и 64°C и скрытым нагревом 167, 200 и 210 кДж/кг, соответственно, в одном и том же хранилище для повышения его производительности. Нормальный парафин типа CnH2n+2 - это семейство насыщенных углеводородов с близкими свойствами.
Абхат А. и др. доказали, что чем выше значение n, тем выше температура плавления и скрытое тепло плавления, например, парафин состоит из смеси преимущественно прямых цепей н-алканов CH3-(CH2)-CH3.
Кристаллизация (CH3)-цепочки высвобождает большое количество скрытого тепла. И температура плавления, и скрытое тепло плавления увеличиваются с увеличением длины цепи.
Динчер и др. показали, что парафины наносят воском наиболее часто используемые в промышленности органические накопители тепла PCM. Он состоит в основном из прямых цепных углеводородов, температура плавления которых колеблется от 23 до 67°С.
Парафин относится к классу теплоносителя плавильных накопителей благодаря их доступности в широком диапазоне температур. Но, учитывая стоимость, в качестве ПХМ в скрытых системах хранения тепла в качестве ПХМ можно использовать только технический парафин. Парафин безопасен, надежен, предсказуем, дешевле и не коррозийен.
Хаджиева и др. рассмотрели три образца парафина А, В и С с углеводородной формулой С22.2Н44.1 (температура плавления 47.1 °C), С23.2Н40.4 (57.1 °C) и С24.7Н51.3 (62.6 °C) соответственно. Они изучили изменения теплофизических свойств после 900 тепловых циклов работы и отметили низкую энтальпию и широкий диапазон фазовых переходов для образца С.
Следовательно, они пришли к выводу, что заметной деградации структуры парафина А и В не наблюдается. Однако парафин образца С был предложен в качестве эффективного материала, поскольку он показал высокую энтальпию.
Заключение
В данной статье анализируется имеющаяся в литературе информация о низкотемпературном термическом хранении, основное внимание уделяется классификации концепций систем хранения с использованием ПХМ, которые очень полезны для энергосбережения.
Большинство органических ПХМ не коррозионны и химически устойчивы, обладают высокой латентностью тепла на единицу массы и низким давлением паров. Их недостатками являются низкая теплопроводность, большие изменения объема при смене фаз и высокая воспламеняемость. Данный обзор позволяет сделать следующие выводы:
Тепловая энергия может накапливаться в виде тепла, скрытого тепла и термохимикатов или их комбинации. Наиболее интересным изменением фазы, которое должно применяться в аккумулировании тепла, является изменение фазы твердофазной жидкости;
- Предыдущие исследования показали, что наиболее важным критерием, ограничивающим широкое использование скрытых накопителей тепла, является количество циклов замораживания-расплавления, которые ПКМ могут выдержать без какого-либо ухудшения своих свойств. Таким образом, продолжительность срока службы ПХМ зависит от термостойкости, химической стабильности и коррозионной стойкости после ряда повторяющихся тепловых циклов.
- Наиболее термостабильные ПЦМ должны иметь незначительные изменения в скрытой температуре плавления и температуре нагрева. Большинство исследованных органических ПХМ представляют собой парафины, обладающие хорошей термической и химической стабильностью после нескольких термических циклов, но представляющие различные проблемы, которые необходимо преодолеть, чтобы успешно использовать их в любой области применения. Парафин безопасен, надежен, предсказуем, дешевле и не коррозионен;
- Обзорная статья посвящена парафину, который квалифицируется как теплота плавильных накопителей в связи с их доступностью в широком диапазоне температур. Но, учитывая стоимость, в качестве ПЦМ в скрытых системах аккумулирования тепла может использоваться только технический парафин.
