Потери в аккумуляторах

Цель:

Вступление

При работе тепловых аккумуляторов имеют место потери тепла в окружающую среду. В связи с этим, температура теплоносителя, находящийся в аккумуляторе, снижается, что может обусловить невозможность использования тепловой энергии конечным потребителем. Остывание по времени теплоносителя, находящегося в каком-либо сосуде, находится из следующих соображений. Пусть в сосуде находится теплоноситель в количестве , кг, с температурой , ⁰Си теплоемкостью , кДж/(кг·⁰С). Температура окружающей среды принимается , ⁰С, причем . Теплота, отданная теплоносителем за время и переданная через стенки сосуда в окружающую среду, составит

(3-1)

Если принять, что коэффициент теплопередачи и теплоемкость теплоносителя на протяжении процесса остывания не изменяются, то после интегрирования уравнения (3-1) и некоторых преобразований получаем:

(3-2)

где - температура теплоносителя в конце остывания; - температура окружающей среды; - начальная температура теплоносителя; – коэффициент теплопередачи в сосуде; – поверхность сосуда; – масса теплоносителя, находящегося в сосуде; – теплоемкость теплоносителя; – время выстывания теплоносителя.

Из выражения (3-2) следует, что за бесконечно большой промежуток времени () температура теплоносителя снизится до температуры окружающей среды. Повышение коэффициента теплопередачи в сосуде () вызовет резкое снижение температуры за короткий срок. Такая же картина наблюдается при уменьшении количества теплоносителя, находящегося в сосуде (). Наоборот, при снижении коэффициента теплопередачи () и увеличении количества теплоносителя в сосуде () температура теплоносителя теоретически не снижается ().

Рис. 1. Остывание теплоносителя при разных коэффициентах теплопередачи ()	Рис. 2. Остывание теплоносителя при разных массах теплоносителя ()

Количество теплоты, отданное теплоносителем в окружающую среду за период остывания , может быть получено из выражений (3-1) и (3-2):

(3-3)

Отношение теплосодержания теплоносителя в конечный момент времени остывания к теплосодержанию теплоносителя в начальный момент времени характеризует коэффициент полезного действия теплового аккумулятора:

(3-4)

Подставив в (3-4) выражения теплосодержания теплоносителя в начальный момент времени и тепловых потерь, окончательно получим:

(3-5)

Рис. 3. Потери тепла при разных коэффициентах теплопередачи ()

9.3.1. Побудова складових кривих технологічних потоків і визначення енергетичних цілей

Усі технологічні потоки ХТС можна розділити на дві группи. В першу з них увійдуть ті потоки, які вимагають охолодження перед подальшою їх обробкою. Ми будемо називати такі потоки гарячими потоками. У другу групу потоків увійдуть ті потоки, які необхідно нагріти, — холодні потоки.

Зміна тепломісткості технологічних потоків зручно аналізувати на температурно-ентальпійній діаграмі (рис. 9.11). Гарячі технологічні потоки звичайно позначають вектором, спрямованим справа наліво у температурно-ентальпійних координатах. Це пов'язане з тим, що в гарячих теплових потоках відбувається зменшення їх тепломісткості - ентальпії, як при охолодженні, так і при зміні. їх фазового стану (рис. 9.11. а).

Аналогічно в холодних техно­логічних потоках ХТС при нагрі­ванні або зміні їх фазового стану тепломісткість зростає, і тому в координатній площині температура - ентальпія такі потоки будуть зображуватися векторною лінією, спря­мованою зліва направо.

Отже, загальна зміна тепломісткості технологічного потоку в межах зміни його температури може бути обчислена за допомогою виразу

Якщо теплоємність речовини потоку в межах зміни температури залишається сталою, то рівняння (9.1) набуде вигляду:

(9.2)

Добуток питомої теплоємності і витрати М прийнято називати потоковою теплоємністю і позначати ідентифікатором СР:

(9.3)

Розмірність потокової теплоємності визначається як

Розглянемо систему з двох теплових потоків. На рис. 9.12 зобра­жена ентальпійна діаграма цих технологічних потоків - потоки зо­бражені відрізками прямих у системі координат .

Потік 1 ( = 3 кВт / °С) потрібно остудити від 100 до 60 °С, а по­тік 2 ( = 4 кВт / °С) - нагріти від 50 до 80 °С. Використовуючи за­лежність (9.3), визначимо кількість теплоти, необхідної для нагріван­ня потоку 2:

З іншого боку потік 1 має надлишок енергії:

Різниця між кінцевою температурою потоку 1 і початковою тем­пературою потоку 2 становить 10 °С.

Зв'яжемо потоки 1 і 2 протитечійним теплообмінником, що реалізує мінімальну температурну різницю 10 °С, при цьому вся надлишкова ене­ргія потоку 1 передається потоку 2 (рис. 9.13, а, б). Відрізки прямих, які відповідають тепловим потокам на ентальпійній діаграмі, розташовані так, що їх проекції на вісь Н повністю перекривають одна одну.

Якщо вибрати теплообмінник таким чином, щоб мінімальна тем­пературна різниця потоків у ньому була 20 °С, то кількість тепла, пе­реданого від потоку 1 до потоку 2, зменшиться до 90 кВт. При цьому буде потрібне охолодження потоку 1 на 30 кВт за допомогою зовніш­нього холодоагенту та нагрівання потоку 1 на 30 кВт за допомогою зо­внішнього джерела енергії (рис. 9.13, в, г). Відрізки прямих, які зо­бражують потоки, зміщені одна щодо іншої так, що мінімальна від­стань між ними по осі Т дорівнює 20 °С. При цьому ділянка осі Н, що є спільною для проекцій обох відрізків, являє собою енергію рекуперації.