Жылу сақтау технологиясы

Жылу энергиясы, адамзат пайдаланатын ең маңызды энергия көздерінің бірі ретінде, оның жұмыс принципі бойынша негізінен үш санатқа жіктеледі: сезімтал жылу сақтау, жасырын термиялық (фазалық өзгерістер) жылу сақтау және термохимиялық жылу сақтау. Ол соңғы энергия тұтынудың 40%-дан 50%-ға дейінін құрайды және оның қолдану аясы өте кең-. Ағымдағы энергияны дамыту және пайдалану жүйесінде энергияны түрлендіру процестерінің барлығы дерлік жылу энергиясын қамтиды. Дегенмен, энергияны түрлендіру кезінде энергияның сөзсіз жоғалуына байланысты, жылу сақтау технологиясы электр энергиясын сақтауға сирек қолданылады (яғни, кіріс те, шығыс те электр энергиясы болатын жағдайлар). Оның орнына ол энергияны түрлендіру тізбегіндегі сілтеме ретінде жиі пайдаланылады немесе жай ғана жылу жүйелеріне қолданылады.

Ақылға қонымды жылу сақтау

Сезімді жылу сақтау технологиясы - бұл зат температурасының өзгеруін пайдалану арқылы жылуды сақтау және босату әдісі. Оның жұмыс механизмі салыстырмалы түрде қарапайым: жылуды сақтау немесе босату ортаны қыздыру немесе салқындату арқылы жүзеге асырылады. Бұл процесс кезінде орта химиялық түрленуге немесе фазалық өзгерістерге ұшырамайды, бұл бүкіл жүйені басқаруды және тұрақты жұмыс істеуді жеңілдетеді. Сонымен қатар, мұндай жылу сақтау материалдарының көптеген түрлері төмен бағамен қолжетімді, бұл оларды үлкен-ауқымды қолданбалар үшін қолайлы етеді. Бұл технология өте жетілген ғана емес, сонымен қатар көптеген салаларда кең қолдану мүмкіндігін көрсетеді. Дегенмен, ақылға қонымды жылуды сақтау энергияның төмен тығыздығы, үлкен жабдық өлшемі, ұзақ мерзімді сақтау- кезінде айтарлықтай жылу жоғалуы және тұрақсыз шығыс температурасы сияқты кейбір қиындықтарға тап болады. Сезімтал жылу сақтау құралдарын екі санатқа бөлуге болады: сұйық және қатты. Жалпы сұйық жылу сақтайтын материалдарға су, термиялық май, балқытылған тұз және сұйық метал жатады. Олардың ішінде су өзінің жақсы қауіпсіздігі мен тұрақтылығына және оның жылу сақтау температурасы әдетте 100 градустан аспайтындығына байланысты күн суымен жылыту жүйелерінде және үй-жайларды жылытуда кеңінен қолданылады. Жылулық майлар тамаша жылуөткізгіштігімен және кең жұмыс температурасы диапазонымен ерте орташа- және жоғары-жылу энергиясын сақтау қолданбаларында қолданылған; дегенмен, олардың жоғары құны, тұтанғыштығы және жабық контурлық жүйелердегі ықтимал жоғары-қысымдылық тәуекелдері олардың біртіндеп басқа жоғары нұсқалармен ауыстырылуына әкелді. Керісінше, балқытылған тұздар қаныққан бу қысымы төмен, тұтқырлығы төмен, жоғары жылу өткізгіштігі,{17}}жанбайтындығы және улылығы жоқ, негізгі бу параметрлеріне сәйкес температурада жақсы жұмыс істейді және салыстырмалы түрде арзан, сондықтан оларды күн термоэлектрлік конверсия үшін тамаша таңдау болып саналады. Дегенмен, қоршаған ортаның өте жоғары температураларында балқытылған тұздар құбырлар мен тиісті жабдықты тот басуы мүмкін, бұл олардың тот баспайтын болатпен үйлесімділігі мен ыстыққа төзімділігін одан әрі зерттеуді және жақсартуды қажет етеді. Сұйық металдар өте жоғары жылу өткізгіштікке байланысты әлеуетті жоғары-температура (600 градустан жоғары) жылу сақтау ерітіндісі болып саналады; алайда олардың жоғары реактивті химиялық қасиеттерін ескере отырып, жүйенің қалыпты жұмысын қамтамасыз ету үшін қосымша қауіпсіздік шаралары қажет, ал олардың жоғары құны оларды барлаудың бастапқы кезеңдерінде сақтайды.

Жалпы қатты жылу сақтайтын материалдарға бетон, тас және отқа төзімді кірпіш жатады. Сұйық жылу сақтайтын материалдармен салыстырғанда, қатты жылу сақтау материалдары жоғары температурада жұмыс істей алады және бір кеңістікте көбірек жылуды сақтай алады, бұл қажетті материал көлемінің азаюын және жалпы құнының төмендеуін білдіреді.

Жасырын жылу (фазалық өзгеріс) термиялық сақтау

Жылу энергиясын сақтаудың фазалық өзгерістер технологиясы, ең алдымен, энергияны сақтаудың негізгі түрі ретінде жасырын жылуға негізделген. Бұл технология жылуды сақтау үшін фазалық ауысулар кезінде жасырын жылудың үлкен мөлшерін жұтуды немесе шығаруды пайдаланады. Бұл процесс кезінде материалдың температурасы дерлік тұрақты болып қалады. Бұл жылу энергиясын сақтау технологиясы жоғары энергия тығыздығы және шағын көлем сияқты маңызды артықшылықтарға ие.

Заттың бір күйден екінші күйге ауысу процесі фазалық ауысу деп аталады. Әдетте, бұл ауысу изотермиялық немесе-изотермиялық жағдайға жақын жағдайда жүреді және үлкен көлемдегі жылуды сіңіру немесе босату-энергияның айтарлықтай өзгеруімен бірге жүреді. Бұл энергия фазалық ауысудың жасырын жылуы ретінде анықталады. Атап айтқанда, көптеген материалдардың фазалық ауысуындағы жасырын жылу сезімтал жылудан әлдеқайда үлкен. Мысалы, судың меншікті жылу сыйымдылығы шамамен 4,2 кДж/кг· градусқа тең және қатты күйден сұйық күйге өту кезінде (мұздың суға еруі) су фазалық ауысудың жасырын жылуы ретінде 355 кДж/кг энергияны сіңіре алады. Демек, энергия тығыздығы бойынша фазалық ауысудың жасырын жылуын пайдалану тек сезілетін жылуға негізделген әдістерден айтарлықтай жоғары.

Заттың фазалық ауысулары негізінен төрт түрді қамтиды: қатты{0}}қатты, қатты-сұйық, қатты-газ және сұйық-газ. Қатты{5}}газ және сұйық-газ ауысулары жоғары жасырын жылу мәндеріне ие болғанымен, бұл жағдайларда көлемнің айтарлықтай өзгеруі практикалық жұмыстың қиындығын арттырады, осылайша олардың қолданылуын шектейді. Керісінше, қатты материал бір кристалдық күйден екінші кристалдық күйге өткенде пайда болатын қатты фазалық ауысулар кішірек көлемдік өзгерістерді көрсетеді және қатты салқындатуды көрсетеді, бірақ бөлінген немесе жұтылған жылу әдетте басқа фазалық ауысу процестеріне қарағанда төмен. Қатты{10}}сұйық фазалық ауысуларда зат қатты күйден сұйық күйге ауысады. Бұл процесс сұйықтықты ұстау үшін арнайы ыдысты қажет етсе де, көлемнің өзгеруі қатты{12}}газ және сұйық-газ фазаларының ауысуларына қарағанда әлдеқайда аз, ал жасырын жылу қатты{14}}қатты фазалық ауысуларға қарағанда айтарлықтай жоғары. Осы сипаттамаларды ескере отырып, қатты{16}}сұйық фазалық ауысулар қазіргі уақытта фазалық өзгерістерді термиялық сақтаудың ең практикалық және кеңінен қолданылатын әдісі болып саналады.

Қазіргі уақытта фазалық ауыспалы жылу сақтау технологиясында қолданылатын материалдардың көптеген түрлері бар, олар негізінен химиялық құрамы бойынша екі санатқа бөлінеді: органикалық және бейорганикалық. Органикалық фазаны өзгерту материалдары негізінен парафинді балауыз, спирттер және май қышқылдары сияқты заттарды қамтиды; ал бейорганикалық фазалық өзгеретін материалдар кристалды гидратталған тұздармен, балқытылған тұздармен және металдармен немесе олардың қорытпаларымен ұсынылған. Жалпы айтқанда, органикалық фазаны өзгерту материалдары төмен және орташа температура диапазонында жылу энергиясын сақтауға қолайлырақ, ал бейорганикалық фазаны өзгерту материалдары орташа және жоғары температура жағдайында жылу энергиясын сақтаудың жақсы көрсеткіштерін көрсетеді.

Термохимиялық термиялық сақтау

Жылу энергиясын сақтаудың термохимиялық технологиясы GJ/m³ деңгейіне жететін, көлем бірлігіне шаққанда өте жоғары энергия тығыздығымен мақтана алады. Салыстыратын болсақ, жылуды сақтайтын сезімтал материалдардың энергия тығыздығы -оннан бір бөлігін ғана құрайды, ал жасырын жылу сақтайтын материалдардың энергия тығыздығы тек жартысы ғана. Сонымен қатар, реактивтерді бөлу арқылы бұл технология бөлме температурасында жылу энергиясын сақтаудың нөлдік-жоғалуына қол жеткізе алады, осылайша кең ауқымды-және ұзақ-жылу энергиясын сақтаудың ең перспективалы технологияларының бірі болып саналады. Энергияны сақтау процесіне қатысатын әртүрлі химиялық байланыстың өзгеруіне байланысты термохимиялық жылу энергиясын сақтауды екі негізгі санатқа бөлуге болады: хемосорбциялық жылу энергиясын сақтау және химиялық реакцияның жылу энергиясын сақтау.

Химисорбциялық термиялық қойма әсіресе төмен температуралы-орталардағы қолданбалар үшін қолайлы. Ол жылуды сақтауға және босатуға қол жеткізу үшін қатты адсорбенттер мен газ тәрізді адсорбаттар арасындағы физикалық немесе химиялық молекулааралық күштердің (мысалы, Ван-дер-Ваальс күштері, электростатикалық күштер және сутегі байланыстары) түзілуіне және үзілуіне негізделген. Бұл технология негізінен екі жүйе санатын қамтиды: бірі адсорбат ретінде су буын пайдаланатын гидратталған тұз жүйесі; екіншісі адсорбат ретінде аммиак молекулаларын пайдаланатын аммиактың күрделі жүйесі. 1-2-кестеде бірнеше жиі қолданылатын хемосорбциялық жылу сақтау материалдарының ерекше түрлері, жылу сақтау/шығару температуралары және энергия сақтау тығыздықтары көрсетілген.

Кесте 1-2 Жиі қолданылатын химиялық адсорбциялық термиялық сақтау материалдарының қасиеттері:

Химиялық реакцияның жылу энергиясын сақтау негізінен орта- және жоғары-температура жағдайында қолданылады және оның жүйелері әртүрлі, соның ішінде метанды риформинг, аммиак синтезі және ыдырауы, металл гидридтері, карбонаттар, металл оксидтері және металл гидроксидтері. Бұл әдістер химиялық байланыстарды үзу және рекомбинациялау арқылы жылу энергиясын сақтауға және босатуға қол жеткізеді. Энергияны сақтаудың бұл түрі үлкен реакция мәндеріне, жоғары энергия тығыздығына және кең жұмыс температурасы диапазонына ие. Дегенмен, практикалық қолдануда шығындарды бақылау, материалдың коррозиясын және газды сақтауды қоса алғанда, қиындықтар қалады. Сондықтан, жалпы өнімділікті жақсарту үшін -тиісті реакция механизмдері бойынша терең зерттеулер жүргізу және процесс ағынын оңтайландыру қажет.

Термохимиялық жылу энергиясын сақтау жүйелерінің күрделі құрылымдары және көптеген қосалқы құрылғылары бар, нәтижесінде бастапқы инвестициялық шығындар жоғары болады. Қазіргі уақытта олардың көлем бірлігіне шаққанда ультра жоғары энергия тығыздығы толық пайдаланылмаған. Бұдан басқа, тартылған химиялық реакция механизмдерінің күрделілігіне байланысты реакция жылдамдығын дәл бақылау қиынға соғады және кейбір реакция процестері жүйенің жалпы тиімділігін одан әрі арттыра отырып, қатаң қауіпсіздік талаптарын қояды. Сондықтан, осы мәселелерді шешу үшін термохимиялық жылу энергиясын сақтау технологиясы бойынша қосымша-терең зерттеулер қажет.