DOI: 10.17586/2226-1494-2018-18-6-990-1000


УДК621.565.2

ПРИМЕНЕНИЕ ВЕЩЕСТВ С ФАЗОВЫМИ ПЕРЕХОДАМИ ДЛЯ АККУМУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

Бараненко А.В., Кузнецов П.А., Захарова В.Ю., Цой А.П.


Читать статью полностью 
Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования: Бараненко А.В., Кузнецов П.А., Захарова В.Ю., Цой А.П. Применение веществ с фазовыми переходами для аккумулирования тепловой энергии // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2018. Т. 18. № 6. С. 990–1000. doi: 10.17586/2226-1494-2018-18-6-990-1000

Аннотация

Рассмотрена задача создания энергоэффективных систем хладо- и теплоснабжения с использованием накопителей тепловой энергии. Аккумулирование тепловой энергии повышает эффективность теплоэнергетических систем, включая системы охлаждения и кондиционирования, уменьшает пиковое потребление электроэнергии и мощности тепловых установок при переменных нагрузках. 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. Сформулированы требования к веществам с фазовым переходом, применяемым в накопителях тепловой энергии. Рассмотрены предложенные для применения вещества с фазовым переходом, к которым относятся органические соединения (парафины, жирные кислоты), гидраты солей, эвтектики (могут включать органические и неорганические соединения). Показаны достоинства и недостатки каждой группы веществ. Представлены сведения о свойствах отдельных веществ, применяемых в системах кондиционирования воздуха. Показано, что производители скрывают состав промышленно применяемых веществ с фазовым переходом. Отмечено, что производство российских систем накопления тепловой энергии требует выполнения комплекса фундаментальных и прикладных научных исследований. Приведены примеры аккумулирования тепловой энергии с использованием веществ с фазовым переходом в системах кондиционирования воздуха.Описаны конструкции аккумуляторов тепловой энергии, отмечены их достоинства и недостатки. Проанализированы методы расчета систем с аккумуляторами тепловой энергии, включая решение задачи Стефана о нестационарном теплообмене при фазовых переходах применительно к накоплению тепловой энергии.Сделан вывод о преимуществах численного метода решения этой задачи. Сформулированы направления исследований, выполнение которых позволит разработать российские системы тепло- и хладоснабжения с накопителями тепловой энергии.


Ключевые слова: аккумулятор тепловой энергии, вещества с фазовым переходом, нестационарный теплообмен при фазовых переходах, математическое моделирование, системы кондиционирования воздуха

Список литературы
  1. Energy Storage Technology Roadmap. Technical Annex.International Energy Agency, 2014. 31 p.
  2. Rabczak S. Free-cooling in seasonal cold accumulator //
    International Journal of New Technology and Research. 2015. V. 1. N 8. P. 49–52.
  3. Al-Aifan B., Parameshwaran R., Mehta K., Karunakaran R. Performance evaluation of a combined variable refrigerant volume and cool thermal energy storage system for air conditioning applications // International Journal of Refrigeration. 2017. V. 76. P. 271–295. doi: 10.1016/j.ijrefrig.2017.02.008
  4. Kim G.T., Choi Y.U., Chung Y., Kim M.S., Park K.W.,
    Kim M.S. Experimental study on the performance of multi-split heat pump system with thermal energy storage // International Journal of Refrigeration. 2018. V. 88. P. 523–537. doi: 10.1016/j.ijrefrig.2018.01.021
  5. Zhang S., Niu J. Cooling performance of nocturnal radiative cooling combined with microencapsulated phase change
    material (MPCM) slurry storage // Energy and Buildings. 2012. V. 54. P. 122–130. doi: 10.1016/j.enbuild.2012.07.041
  6. Цой А.П., Грановский А.С., Бараненко А.В., Эглит А.Я. Расчет величины эффективной холодопроизводительности холодильной системы, использующей охлаждающий
    эффект небосвода // Вестник МАХ. 2014. № 3. С. 35–40.
  7. Sharma A., Tyagi V.V., Chen C.R., Buddhi D. Review on thermal energy storage with phase change materials and
    applications // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2009. V. 13. N 2. P. 318–345. doi: 10.1016/j.rser.2007.10.005
  8. Iten М., Liu S. A work procedure of utilising PCMs as
    thermal storage systems based on air-TES systems // Energy Conversion and Management. 2014. V. 77. P. 608–627.
    doi: 10.1016/j.enconman.2013.10.012
  9. Bahiraei F., Fartaj A., Nazri G.A. Experimental and numerical investigation on the performance of carbonbased nanoenhanced phase change materials for thermal management applications // Energy Conversion and Management. 2017. V. 153. P. 115–128. doi: 10.1016/j.enconman.2017.09.065
  10. Li G., Hwang Y., Radermacher R. Review of cold storage materials for air conditioning application // International Journal of Refrigeration. 2012. V. 35. N 8. P. 2053–2077.
    doi: 10.1016/j.ijrefrig.2012.06.003
  11. Li G. Review of Thermal Energy Storage Technologies and Experimental Investigation of Adsorption Thermal Energy Storage for Residential Application. Thesis. University of Maryland, 2013. 236 p.
  12. Veerakumar C., Sreekumar A. Phase change material based cold thermal energy storage: materials, techniques and applications – A review // International Journal of Refrigeration. 2016. V. 67. P. 271–289. doi: 10.1016/j.ijrefrig.2015.12.005
  13. Tyagi V., Buddhi D. PCM thermal storage in buildings: a state of art // Renew Sustain Energy Rev. 2007. V. 11. N 6. P. 1146–1166. doi: 10.1016/j.rser.2005.10.002 
  14. Carbonell D., Battaglia M., Philippen D., Haller M.Y. Numericaland experimental evaluation of ice storages with ice on
    capillary mat heat exchangers for solar-ice systems // International Journal of Refrigeration. 2018. V. 88. P. 383–401.
    doi: 10.1016/j.ijrefrig.2018.02.007
  15. Mills A., Farid M., Selman J.R., Al-Hallaj S. Thermal
    conductivity enhancement of phase change materials using a graphite matrix // Applied Thermal Engineering. 2006. V. 26. P. 1652–1661. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2005.11.022
  16. Joybari M.M., Haghighat F., Seddegh S., Al-Abidi A.A. Heat transfer enhancement of phase change materials by fins under simultaneous charging and discharging // Energy Conversion and Management. 2017. V. 152. P. 136–156. doi: 10.1016/j.enconman.2017.09.018
  17. Khan Z., Khan Z.A. An experimental investigation of
    discharge/solidification cycle of paraffin in novel shell and tube with longitudinal fins based latent heat storage system // Energy Conversion and Management. 2017. V. 154. P. 157–167. doi: 10.1016/j.enconman.2017.10.051
  18. Yao C., Konga X., Li Y., Du Y., Qi C. Numerical and
    experimental research of cold storage for a novel expanded perlite-based shape-stabilized phase change material
    wallboard used in building // Energy Conversion
    and Management. 2018. V. 155. P. 20–31. doi: 10.1016/j.enconman.2017.10.052
  19. Bosholm F., Lopez-Navarro A., Gamarra M., Corberan J.M., Paya J. Reproducibility of solidification and melting processes in a latent heat thermal storage tank // International
    Journal of Refrigeration. 2016. V. 62. P. 85–96. doi: 10.1016/j.ijrefrig.2015.10.016
  20. Семенов Е.В., Бабакин Б.С., Воронин М.И.,
    Белозёров А.Г., Бабакин С.Б. Математическое моделирование процесса охлаждения хладоносителя системой
    замороженных шаров // Вестник МАХ. 2016. № 4. С. 74–79.
  21. Самарский А.А., Вабищевич П.Н. Вычислительная
    теплопередача. М.: Едиториал УРСС, 2003. 784 с.
  22. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука,1964. 488 с.
  23. Мейрманов А.М. Задача Стефана. Новосибирск: Наука, 1986. 238 с.
  24. Du. Y. Cold Energy Storage: Fundamentals and Applications: PhD Thesis. Leeds, 2014. 241 p.
  25. Лобанов И.Е., Бабакин Б.С., Айтикеев Р.Б., Воронин М.И.,Бабакин С.Б. Математическая модель процесса намораживания льда на сферической поверхности применительно для аккумуляторов холода // Вестник МАХ. 2013. № 4. С. 12–15.
  26. Gaspar P.D., Silva P.D. Handbook of Research on Advances and Applications in Refrigeration Systems and Technologies. Hershey: IGI Global, 2015. 924 p.
  27. Маринюк Б.Т., Угольникова М.А. Динамика намораживания водного льда на трубчатых элементах льдогенераторов //
    Холодильная техника. 2016. № 12. С. 44–47.
  28. Маринюк Б.Т. Расчеты теплообмена в аппаратах и системахнизкотемпературной техники. М.: Машиностроение, 2015. 280 с.
  29. Tan F.L. Constrained and unconstrained melting inside a sphere // International Communications in Heat and
    Mass Transfer. 2008. V. 35. N 4. P. 466–475. doi: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2007.09.008
  30. Zhou H., Vasilescu C., Ferreira C.I. Heat transfer and flow characteristics during the formation of TBAB hydrate slurry in a coil heat exchanger // International Journal of Refrigeration. 2016. V. 64. P. 130–142. doi: 10.1016/j.ijrefrig.2015.12.021
  31. Авдонин Н.А. Математическое описание процессов
    кристаллизации. Рига: Зинатне, 1980. 180 с.
  32. Зайцев А.В., Кублицкий С.Е., Пеленко В.В. Моделированиепромерзания биомассы при криозаморозке // Процессы и аппараты пищевых производств. 2017. № 1. С. 9–19.
    doi: 10.17586/2310-1164-2017-10-1-9-19
  33. Tan F.L., Hosseinizadeh S.F., Khodadadi J.M., Liwu F.
    Experimental and computational study of constrained melting of phase change materials (PCM) inside a spherical capsule // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2009. V. 52.
    N 15-16.P. 3464–3472. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2009.02.043
  34. Sattari H., Mohebbi A., Afsahi M.M., Azimi Yancheshme A. CFD simulation of melting process of phase change materials (PCMs) in a spherical capsule // International Journal
    of Refrigeration. 2017. V. 73. P. 209–218. doi: 10.1016/j.ijrefrig.2016.09.007
  35. Gulfam R., Zhu W., Xu L., Cheema I.I., Sheng P., Zhao G., Deng Y. Design, fabrication and numerical analysis of compact thermal management system integrated with composite phase change material and thermal bridge // Energy Conversion
    and Management. 2018. V. 156. P. 25–33. doi: 10.1016/j.enconman.2017.10.098 
  36. Voller V., Prakash C. A fixed grid numerical modelling methodology for convection-diffusion mushy region
    phase-change problems // International Journal of Heat and Mass Transfer. 1987. V. 30. N 8. P. 1709–1719.
    doi: 10.1016/0017-9310(87)90317-6


Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License
Информация 2001-2019 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика