Ջերմային պահպանման տեխնոլոգիա

Ջերմային էներգիաՈրպես մարդկության կողմից օգտագործվող էներգիայի ամենակարևոր աղբյուրներից մեկը, իր աշխատանքային սկզբունքների հիման վրա հիմնականում դասակարգվում է երեք կատեգորիայի՝ խելամիտ ջերմային պահեստավորում, լատենտ ջերմային (փուլափոխություն) ջերմային պահեստավորում և ջերմաքիմիական ջերմային պահեստավորում։ Այն կազմում է վերջնական էներգիայի սպառման 40%-ից 50%-ը, և դրա կիրառությունները չափազանց լայն են-: Էներգիայի զարգացման և օգտագործման ներկայիս համակարգում էներգիայի փոխակերպման գրեթե բոլոր գործընթացները ներառում են ջերմային էներգիա: Այնուամենայնիվ, էներգիայի փոխակերպման ժամանակ էներգիայի անխուսափելի կորստի պատճառով ջերմային պահպանման տեխնոլոգիան հազվադեպ է ուղղակիորեն կիրառվում էլեկտրական էներգիայի պահեստավորման համար (այսինքն՝ իրավիճակներ, որտեղ և՛ մուտքային, և՛ ելքային էներգիան էլեկտրական էներգիա է): Փոխարենը, այն ավելի հաճախ օգտագործվում է որպես էներգիայի փոխակերպման շղթայի օղակ կամ պարզապես կիրառվում է ջերմային համակարգերի վրա:

Զգալի ջերմության պահպանում

Զգայուն ջերմության պահպանման տեխնոլոգիան նյութի ջերմաստիճանի փոփոխության միջոցով ջերմության պահպանման և արտազատման մեթոդ է: Դրա աշխատանքային մեխանիզմը համեմատաբար պարզ է. ջերմության պահպանումը կամ արտազատումը կատարվում է կրիչը տաքացնելով կամ հովացնելով: Այս գործընթացի ընթացքում միջավայրը չի ենթարկվում քիմիական փոխակերպման կամ փուլային փոփոխության, ինչը հեշտացնում է ամբողջ համակարգը կառավարելն ու կայուն գործել: Ավելին, կան շատ տեսակի ջերմապահպանման նյութեր, որոնք մատչելի են ցածր գնով, ինչը դրանք դարձնում է պիտանի-մեծածավալ կիրառությունների համար: Այս տեխնոլոգիան ոչ միայն շատ հասուն է, այլև ցուցադրում է կիրառման լայն ներուժ բազմաթիվ ոլորտներում: Այնուամենայնիվ, խելամիտ ջերմային պահեստավորումը նույնպես բախվում է որոշ մարտահրավերների, ինչպիսիք են էներգիայի ցածր խտությունը, սարքավորումների մեծ չափերը, երկարաժամկետ պահեստավորման ժամանակ ջերմության զգալի կորուստը և ելքային անկայուն ջերմաստիճանը: Զգայուն ջերմային կուտակիչները կարելի է լայնորեն դասակարգել երկու կատեգորիաների՝ հեղուկ և պինդ: Հեղուկ ջերմության պահպանման սովորական նյութերը ներառում են ջուր, ջերմային յուղ, հալած աղ և հեղուկ մետաղ: Դրանցից ջուրը, շնորհիվ իր լավ անվտանգության և կայունության, ինչպես նաև այն փաստի, որ դրա ջերմության պահպանման ջերմաստիճանը սովորաբար չի գերազանցում 100 աստիճանը, լայնորեն օգտագործվում է արևային ջրի ջեռուցման համակարգերում և տիեզերական ջեռուցման համար: Ջերմային յուղերը՝ իրենց գերազանց ջերմահաղորդականությամբ և աշխատանքային ջերմաստիճանի լայն տիրույթով, օգտագործվել են վաղ միջին{12}} և բարձր{13}}ջերմային ջերմային էներգիայի պահպանման ծրագրերում. Այնուամենայնիվ, դրանց բարձր արժեքը, դյուրավառությունը և փակ{15}}փակ համակարգերում բարձր ճնշման ռիսկերը հանգեցրել են դրանց աստիճանական փոխարինմանը այլ բարձրակարգ տարբերակներով: Ի հակադրություն, հալած աղերն իրենց ցածր հագեցած գոլորշիներով ճնշմամբ, ցածր մածուցիկությամբ, բարձր ջերմային հաղորդունակությամբ, ոչ դյուրավառությամբ և ոչ թունավորությամբ, լավ են գործում գոլորշու հիմնական պարամետրերին համապատասխանող ջերմաստիճաններում և համեմատաբար էժան են, ինչը նրանց դարձնում է իդեալական ընտրություն արևային ջերմաէլեկտրական փոխակերպման համար: Այնուամենայնիվ, շրջակա միջավայրի չափազանց բարձր ջերմաստիճանի դեպքում հալած աղերը կարող են կոռոզիայի ենթարկել խողովակաշարերը և հարակից սարքավորումները, ինչը պահանջում է հետագա հետազոտություններ և բարելավել դրանց համատեղելիությունը և ջերմակայունությունը չժանգոտվող պողպատի հետ: Հեղուկ մետաղները, իրենց չափազանց բարձր ջերմային հաղորդունակության պատճառով, համարվում են պոտենցիալ բարձր{21}}ջերմաստիճանի (ավելի քան 600 աստիճան) ջերմային պահպանման լուծույթ. Այնուամենայնիվ, հաշվի առնելով դրանց բարձր ռեակտիվ քիմիական հատկությունները, անվտանգության լրացուցիչ միջոցներ են պահանջվում համակարգի բնականոն շահագործումն ապահովելու համար, և դրանց բարձր արժեքը նրանց պահում է հետախուզման վաղ փուլերում:

Ընդհանուր պինդ ջերմային պահեստավորման նյութերը ներառում են բետոն, քար և հրակայուն աղյուսներ: Հեղուկ ջերմային պահեստավորման նյութերի համեմատ, պինդ ջերմային պահեստավորման նյութերը կարող են աշխատել ավելի բարձր ջերմաստիճաններում և ավելի շատ ջերմություն պահել նույն տարածքում, ինչը նշանակում է պահանջվող նյութի քանակի կրճատում և ընդհանուր արժեքի նվազում:

Թաքնված ջերմություն (փուլափոխություն) ջերմային պահեստավորում

Ջերմային էներգիայի պահպանման փուլային տեխնոլոգիան հիմնականում հիմնված է լատենտ ջերմության վրա՝ որպես էներգիայի պահպանման հիմնական ձև: Այս տեխնոլոգիան օգտագործում է մեծ քանակությամբ թաքնված ջերմության կլանումը կամ արտազատումը փուլային անցումների ժամանակ ջերմությունը պահպանելու համար: Այս գործընթացի ընթացքում նյութի ջերմաստիճանը մնում է գրեթե անփոփոխ: Ջերմային էներգիայի պահպանման այս տեխնոլոգիան ունի զգալի առավելություններ, ինչպիսիք են էներգիայի բարձր խտությունը և փոքր ծավալը:

Գործընթացը, որով նյութը փոխակերպվում է մի վիճակից մյուսը, կոչվում է փուլային անցում: Սովորաբար, այս անցումը տեղի է ունենում իզոթերմային կամ մոտ-իզոթերմային պայմաններում և ուղեկցվում է էներգիայի զգալի փոփոխությամբ-մեծ քանակությամբ ջերմության կլանմամբ կամ արտազատմամբ: Այս էներգիան սահմանվում է որպես փուլային անցման թաքնված ջերմություն: Մասնավորապես, նյութերի մեծ մասի փուլային անցման մեջ ներգրավված թաքնված ջերմությունը շատ ավելի մեծ է, քան զգայուն ջերմությունը: Օրինակ՝ ջուրն ունի մոտավորապես 4,2 կՋ/կգ. աստիճան ջերմային հատկություն, և պինդ վիճակից հեղուկ վիճակի անցնելու ժամանակ (սառույցը ջրի մեջ է հալվում), ջուրը կարող է կլանել 355 կՋ/կգ էներգիա՝ որպես փուլային անցման թաքնված ջերմություն։ Հետևաբար, էներգիայի խտության առումով, փուլային անցման թաքնված ջերմության օգտագործումը զգալիորեն գերազանցում է մեթոդներին, որոնք հիմնված են բացառապես զգայուն ջերմության վրա:

Նյութի փուլային անցումները հիմնականում ներառում են չորս տեսակ՝ պինդ-պինդ, պինդ-հեղուկ, պինդ-գազային և հեղուկ-գազ: Թեև պինդ-գազի և հեղուկ-գազի անցումներն ունեն թաքնված ջերմության բարձր արժեքներ, այդ դեպքերում ծավալի զգալի փոփոխությունները մեծացնում են գործնական աշխատանքի դժվարությունը՝ այդպիսով սահմանափակելով դրանց կիրառումը։ Ի հակադրություն, պինդ-պինդ փուլային անցումները, որոնք տեղի են ունենում, երբ պինդ նյութը փոխակերպվում է մի բյուրեղային վիճակից մյուսը, ցուցադրում են ավելի փոքր ծավալային փոփոխություններ և ավելի ցածր գերհովացում, սակայն արտազատվող կամ կլանված ջերմությունը սովորաբար ավելի ցածր է, քան մյուս փուլային անցման գործընթացները: Պինդ{10}}հեղուկ փուլային անցումներում նյութը պինդ վիճակից փոխվում է հեղուկի։ Թեև այս գործընթացը հեղուկը պահելու համար պահանջում է հատուկ կոնտեյներ, սակայն ծավալի փոփոխությունը շատ ավելի փոքր է, քան պինդ-գազի և հեղուկ{13}}գազի փուլային անցումներում, և ներգրավված թաքնված ջերմությունը զգալիորեն ավելի բարձր է, քան պինդ-պինդ փուլային անցումներում: Հաշվի առնելով այս բնութագրերը՝ պինդ{16}}հեղուկ փուլային անցումները ներկայումս համարվում են փուլային փոփոխության ջերմային պահպանման առավել գործնական և լայնորեն կիրառելի մեթոդը:

Ներկայումս կան բազմաթիվ տեսակի նյութեր, որոնք օգտագործվում են փուլային փոփոխության ջերմային պահեստավորման տեխնոլոգիայի մեջ, որոնք հիմնականում բաժանվում են երկու կատեգորիայի՝ ելնելով դրանց քիմիական բաղադրությունից՝ օրգանական և անօրգանական: Օրգանական փուլափոխության նյութերը հիմնականում ներառում են այնպիսի նյութեր, ինչպիսիք են պարաֆին մոմը, սպիրտները և ճարպաթթուները; մինչդեռ անօրգանական փուլափոխվող նյութերը ներկայացված են բյուրեղային հիդրատացված աղերով, հալած աղերով և մետաղներով կամ դրանց համաձուլվածքներով: Ընդհանուր առմամբ, օրգանական փուլափոխվող նյութերն ավելի հարմար են ցածր և միջին ջերմաստիճանի միջակայքում ջերմային էներգիայի պահպանման համար, մինչդեռ անօրգանական փուլափոխվող նյութերն ավելի լավ ջերմային էներգիայի պահպանման գործունակություն են ցուցաբերում միջինից բարձր ջերմաստիճանի պայմաններում:

Ջերմաքիմիական ջերմային պահեստավորում

Ջերմաքիմիական ջերմային էներգիայի պահպանման տեխնոլոգիան պարծենում է էներգիայի չափազանց բարձր խտությամբ մեկ միավորի ծավալի վրա՝ հասնելով GJ/m³-ի: Համեմատության համար, զգալի ջերմության պահպանման նյութերի էներգիայի խտությունը ընդամենը մոտ մեկ-տասաներորդ է, իսկ թաքնված ջերմության պահպանման նյութերի էներգիայի խտությունը միայն կեսն է։ Ավելին, ռեակտիվները բաժանելով՝ այս տեխնոլոգիան կարող է հասնել զրոյական-ջերմային էներգիայի պահպանման սենյակային ջերմաստիճանում, այդպիսով լայնորեն համարվում է ամենամեծ-մասշտաբային և երկարատև-ջերմային էներգիայի պահպանման ամենահեռանկարային տեխնոլոգիաներից մեկը: Ելնելով էներգիայի պահպանման գործընթացում ներգրավված քիմիական կապի տարբեր փոփոխությունների հիման վրա, ջերմաքիմիական ջերմային էներգիայի պահպանումը կարող է հետագայում բաժանվել երկու հիմնական կատեգորիայի՝ քիմիզորբցիոն ջերմային էներգիայի պահեստավորում և քիմիական ռեակցիայի ջերմային էներգիայի պահպանում:

Քիմիորբցիոն ջերմային պահեստավորումը հատկապես հարմար է ցածր-ջերմաստիճանի միջավայրերում կիրառությունների համար: Այն հիմնված է ֆիզիկական կամ քիմիական միջմոլեկուլային ուժերի (օրինակ՝ վան դեր Վալսի ուժերը, էլեկտրաստատիկ ուժերը և ջրածնային կապերի) ձևավորմանը և կոտրմանը պինդ կլանիչների և գազային ադսորբատների միջև՝ ջերմության պահպանման և ազատման հասնելու համար: Այս տեխնոլոգիան հիմնականում ներառում է համակարգերի երկու կատեգորիա. մեկը հիդրատացված աղային համակարգ է, որն օգտագործում է ջրային գոլորշին որպես ադսորբատ; մյուսը ամոնիակի բարդ համակարգ է, որն օգտագործում է ամոնիակի մոլեկուլները որպես ադսորբատ: Աղյուսակ 1-2-ում ներկայացված են սովորաբար օգտագործվող քիմիզորբցիոն ջերմային պահեստավորման մի քանի նյութերի հատուկ տեսակները, ջերմության պահպանման/ազատման ջերմաստիճանը և էներգիայի պահպանման խտությունը:

Աղյուսակ 1-2 Սովորաբար օգտագործվող քիմիական ադսորբցիոն ջերմային պահեստավորման նյութերի հատկությունները.

Քիմիական ռեակցիայի ջերմային էներգիայի պահեստավորումը հիմնականում կիրառվում է միջին- և բարձր-ջերմաստիճանի պայմաններում, և դրա համակարգերը բազմազան են, ներառյալ մեթանի վերափոխումը, ամոնիակի սինթեզը և տարրալուծումը, մետաղների հիդրիդները, կարբոնատները, մետաղների օքսիդները և մետաղների հիդրօքսիդները: Այս մեթոդները հասնում են ջերմային էներգիայի պահպանմանն ու արտազատմանը քիմիական կապերի կոտրման և վերահամակցման միջոցով: Էներգիայի պահպանման այս տեսակն ունի ռեակցիայի մեծ արժեքներ, էներգիայի բարձր խտություն և աշխատանքային ջերմաստիճանի լայն տիրույթ: Այնուամենայնիվ, գործնական կիրառություններում առկա են մարտահրավերներ, ներառյալ ծախսերի վերահսկումը, նյութերի կոռոզիան և գազի պահեստավորումը: Հետևաբար, անհրաժեշտ է-խորը հետազոտություն անցկացնել համապատասխան ռեակցիայի մեխանիզմների վերաբերյալ և օպտիմալացնել գործընթացի հոսքը՝ ընդհանուր կատարողականը բարելավելու համար:

Ջերմաքիմիական ջերմային էներգիայի պահպանման համակարգերն ունեն բարդ կառուցվածք և բազմաթիվ օժանդակ սարքեր, ինչը հանգեցնում է նախնական ներդրումային բարձր ծախսերի: Ներկայումս դրանց ծայրահեղ-բարձր էներգիայի խտությունը մեկ միավորի ծավալով ամբողջությամբ չի օգտագործվել: Ավելին, ներգրավված քիմիական ռեակցիաների մեխանիզմների բարդության պատճառով ռեակցիաների արագության ճշգրիտ վերահսկումը դժվար է, և որոշ ռեակցիաների գործընթացներ ունեն անվտանգության խիստ պահանջներ՝ հետագայում բարելավելով համակարգի ընդհանուր արդյունավետությունը: Հետևաբար, ջերմաքիմիական ջերմային էներգիայի պահպանման տեխնոլոգիայի վերաբերյալ լրացուցիչ-խորը հետազոտություն է անհրաժեշտ՝ այս խնդիրները լուծելու համար: