Энергетический баланс теплового аккумулятора

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

Аккумулятор состоит из резервуара для хранения(обычно теплоизолированного), аккумулирующей среды (рабочего тела), устройств для зарядки и разрядки и вспомогательного оборудования.

Аккумулирующая система характеризуется способами,которымиэнергия для зарядки аккумулятора отбирается от источника, трансформируется (при необходимости) в требуемый вид энергии и отдается потребителю.

На рис. 1.1 показан процесс теплового аккумулирование с использованием сосуда-аккумулятора. Баланс энергии для этого процесса в общем виде можно записать

Е_вх - Е_вых=Е_ак (1.1)

где E_вх – подведенная энергия, E_вых – отведенная энергия, E_ак – аккумулированная энергия.

Рис. 1.1. Энергетический баланс аккумулятора.

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

(1.2)

где m_ак – масса аккумулирующей среды; u – внутренняя энергия (отсчитываемая от произвольного нулевого уровня); p – давление; v – удельный объем; g – ускорение силы тяжести; H – высота (отсчитываемая от произвольного нулевого уровня); gH – удельная потенциальная энергия; c – скорость течения; – удельная кинетическая энергия; dQ – тепло, подведенное к системе; dW – работа системы, не зависящая от переноса массы (например, при движении стенок системы, электрическая энергия, энергия вала двигателя).

Исследование общего уравнения (1.2) показывает, что аккумулирование энергии может осуществляться в результате изменения: а) удельной внутренней энергии; б) удельной потенциальной энергии; в) удельной кинетической 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 (c_ак = 0, H = 0) и если, кроме того, члены уравнения (1.2), соответствующие кинетической и потенциальной энергиям подводимой и отводимой масс, пренебрежимо малы, а работа ограничена движением поверхностей, ограничивающих систему, т. е. если

dW = p_ак∙dVак, (1.3)

где V_ак – объем аккумулятора; p_ак – давление в аккумуляторе, то уравнение (1.2) преобразуется к виду, справедливому для аккумулятора тепла:

(u + pv) _вх dm_вх + dQ − (u + pv) _вых dm_вых = d (um) _ак + p_акdV_ак. (1.4)

Используя определение энтальпии, имеем

h = u + pv, (1.5)

и, следовательно, энергетический баланс (1.1) принимает вид

h_вхdm_вх + dQ − h_выхdm_вых = d (um) _ак + p_акdV_ак. (1.6)

Соответственно баланс массы запишется как

dm_вх − dm_вых = dm_ак. (1.7)

Процессы зарядки и разрядки описываются в общем виде уравнениями (1.4) или (1.6) и (1.7). В простых случаях возможно аналитическое решение. В других, более сложных случаях могут быть получены численные решения (в особенности это относится к процессу разрядки).

Дата добавления: 2015-07-14