Энергетический баланс теплового аккумулятора

Тепловое аккумулирование энергии

 

 

 

 

Тепловое аккумулирование– это физические или химические про- цессы, посредством которых происходит накопление тепла в тепловом аккумуляторе энергии (ТАЭ).

Аккумуляторсостоит из резервуара для хранения (обычно теплоизо-

 

лированного), аккумулирующей среды (рабочего тела), устройств для заряд-

 

ки и разрядки и вспомогательного оборудования.

 

Аккумулирующая системахарактеризуется способами, которыми энергия для зарядки аккумулятора отбирается от источника, трансформиру- ется (при необходимости) в требуемый вид энергии и отдается потребителю.

На рис. 5.1.1 показан процесс теплового аккумулирование с использо-

ванием сосуда-аккумулятора. Баланс энергии для этого процесса в общем виде можно записать


 

Eвх


 

-Eвых


 

=Eак , (5.1.1)


 


где


Eвх


– подведенная энергия,


Eвых


– отведенная энергия,


Eак


– аккумули-


 

рованная энергия.

 

 
Рис. 2.1. Энергетический баланс аккумулятора.

 

 

Применяя первый закон термодинамики для подведенной и отведенной энергии к этой открытой системе, получим основное уравнение аккумулиро- вания энергии для открытых систем в дифференциальной форме:


 

 


u +


 

pv +gH +


c 2 ⎞


 

dmвх


+dQ -⎜u +


 

pv +gH +


c 2 ⎞


 

dmвых -


⎝ 2 ⎠ вх

⎡⎛ c 2 ⎞ ⎤


2 ⎠ вых


 

,(5.1.2)


- dW


=d ⎢⎜u +gH +

⎢⎣⎜


2 ⎠ак


mак

⎥⎦


 


где


mак


– масса аккумулирующей среды; u – внутренняя энергия (отсчиты-


 

ваемая от произвольного нулевого уровня); p – давление; v – удельный объ-

 

ем; g – ускорение силы тяжести; H – высота (отсчитываемая от произволь-

 

ного нулевого уровня); gH – удельная потенциальная энергия; c – скорость

 

c 2


течения;


удельная кинетическая энергия; dQ – тепло, подведенное к сис-


 

теме; dW – работа системы, не зависящая от переноса массы (например, при движении стенок системы, электрическая энергия, энергия вала двигателя).

Исследование общего уравнения (5.1.2) показывает, что аккумулирова- ние энергии может осуществляться в результате изменения: а) удельной внутренней энергии; б) удельной потенциальной энергии; в) удельной кине- тической энергии; г) массы системы. К тепловому аккумулированию энергии обычно относят случай (а), а также случай (б), если удельная внутренняя энергия рабочего тела выше, чем окружающей среды.

Если накопление и кинетической, и потенциальной энергии исключено

 


( cак


= 0 ,


H = 0 ) и если, кроме того, члены уравнения (5.1.2), соответствую-


 

щие кинетической и потенциальной энергиям подводимой и отводимой масс,

 

пренебрежимо малы, а работа ограничена движением поверхностей,

 

ограничивающих систему, т. е. если

 

dW =pак dVак , (5.1.3)

 


где


Vак


– объем аккумулятора;


pак


– давление в аккумуляторе, то уравне-


 

ние (5.1.2) преобразуется к виду, справедливому для аккумулятора тепла:


(u +


pv)вх dmвх


+ dQ - (u +


pv)вых dmвых


= d (um)ак


 

+ pак dVак . (5.1.4)


 

Используя определение энтальпии, имеем


 

 


h = u +


pv , (5.1.5)


 

и, следовательно, энергетический баланс (5.1.1) принимает вид


 

hвх dmвх


 

+dQ -hвых dmвых


=d (um)ак


 

+pак dVак . (5.1.6)


 

Соответственно баланс массы запишется как

 


dmвх


-dmвых


=dmак . (5.1.7)


 

Процессы зарядки и разрядки описываются в общем виде уравнениями

 

(5.1.4) или (5.1.6) и (5.1.7). В простых случаях возможно аналитическое ре- шение. В других, более сложных случаях могут быть получены численные решения (в особенности это относится к процессу разрядки).