Модели тепловых процессов в накопителях энергии для обоснования проектных решений

• Автор: Куколев, Максим Игоревич
• Шифр специальности: 05.14.04
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 280 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ

ТЕПЛОВЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ

1.1. Классификация тепловых накопителей.

1.2. Обзор конструкций, области применения

1.2.1. Аэрокосмическая техника

1.2.2. Судовые энергетические установки.

1.2.3. Автотранспортная техника.

1.2.4. Стационарные энергетические установки

1.3. Моделирование тепловых процессов.
1.4. Оценка эффективности.
1.5. Выводы.
ГЛАВА 2. РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ
И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ
2.1. Критерий эффективности, основные идеи,
допущения и ограничения расчета.
2.1.1. Критерий эффективности.
2.1.2. Моделирование допущения и ограничения.
2.1.3. Схемы тепловых накопителей.
2.1.4. Особенности расчета тепловых накопителей с однофазными и плавящимися
теплоаккумулирующими материалами
2.2. Общие уравнения состояния тепловых накопителей
2.3. Моделирование тепловых процессов.
2.3.1. Однофазный теплоаккумулирующий материал
2.3.2. Плавящийся теплоаккумулирующий материал
2.4. Оценка эффективности.
2.4.1. Однофазный теплоаккумулирующий материал
2.4.2. Плавящийся теплоаккумулирующий материал
2.5. Применение нескольких тсплоаккумулирующих материалов.
2.5.1. Однофазные материалы.
2.5.2. Плавящиеся материалы.
2.6. Оценка достоверности и адекватности моделей
2.6.1. Сравнение с экспериментальными данными
и данными численного расчета
2.6.2. Сравнение с аналитическими моделями
других авторов
2.6.3. Достоверность и адекватность
предлагаемых моделей
2.7. Выводы
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ, МЕТОДИКИ РАСЧЕТА
3.1. Накопители с однофазным
теплоаккумулирующим материалом
3.1.1. Накопитель последовательного включения
3.1.2. Накопители параллельного включения
и с тепловыми трубами
3.2. Накопители с плавящимся теплоаккумулирующим материалом
3.2.1. Процесс заряда.
3.2.2. Процесс разряда
3.3. Совершенствование тепловых накопителей
на ранних стадиях проектирования
3.4. Методики расчета тепловых накопителей.
3.4.1. Методика расчета теплового накопителя последовательного включения с несколькими однофазными теплоаккумулирующими материалами
3.4.2. Методика расчета теплового накопителя последовательного включения с плавящимся теплоаккумулирующим материалом.
3.5. Выводы
ГЛАВА 4. РЕАЛИЗАЦИЯ ПРЕДЛАГАЕМЫХ
ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ
4.1. Накопитель для солнечной энергетической установки
с динамическим преобразователем энергии
4.2. Накопитель подводного аппарата
4.3. Накопитель стационарной энергетической установки
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА


По давлению ТН относят к системам с постоянным или переменным давлением. Рассмотрим современные конструкции ТН и опыт их применения в различных областях. Одним из перспективных типов энергетических установок космических аппаратов являются солнечные тепловые энергоустановки [-, , , , , 0, 1-3, 0]. Принципиальная схема солнечной тепловой энергоустановки [] приведена на рис. Рис. На освещенном участке орбиты падающее на зеркало-концентратор 1 солнечное излучение фокусируется на приемник излучения 2. ТН 3. ТН обеспечивает работу ЭУ на теневом участке орбиты. После накопителя рабочее тело поступает в устройство, преобразующее теплоту в электроэнергию 4. Часть энергии, которую не удалось преобразовать, отводится с помощью холодильника-излучателя 5. На рис. ТН последовательного включения [5]. При заряде нагретое в приемнике рабочее тело контура поступает через патрубок 1 в коллектор, где распределяется по трубкам и протекает в камеру смешения под нижней трубной доской. По таким же трубкам 6 рабочее тело контура поднимается в выходной коллектор над верхней трубной доской 5 и через отводящий патрубок (на рис. Во время движения по трубкам рабочего тела ТАМ 4 плавится, происходит заряд ТН. Рис. Перегородка 2 служит для разделения подводимого и отводимого потоков теплоносителя, цифрами 3 и 7 обозначены корпус и камера смешения под нижней трубной доской. При разряде через патрубок 1 поступает холодное рабочее тело контура. Протекая по трубкам 6, оно нагревается за счет затвердевающего ТАМ. Нагретое рабочее тело поступает в отводящий патрубок и подводится к преобразователю. Примером конструкции приемника излучения солнечной ЭУ с машинным преобразователем энергии и ТН параллельного включения служит разработка отделения фирмы Allied’Signal Aerospace Company (США) (рис. Работы проводились по заказу фирмы Rocketdyne как часть темы программы разработки орбитальной станции NASA [1, 0, 9]. Рис. На освещенном участке орбиты попадающее в апертуру приемника сконцентрированное солнечное излучение нагревает стенки ТН. Часть энергии идет на плавление ТАМ, другая часть нагревает поступающее от рекуператора энергоустановки рабочее тело контура. На теневом участке орбиты нагрев рабочего тела контура осуществляется за счет затвердевания ТАМ. ТН представляет собой размещенные вдоль стенок приемника трубки. Внутри них циркулирует рабочее тело контура. Снаружи к трубкам (рис. ЫР и СаР^ (рис. Капсулы отделены друг от друга прокладками из керамического волокна. Такое размещение ТАМ в накопителе, по мнению авторов [0], имеет ключевое значение, так как позволяет получить простую в изготовлении и надежную конструкцию. Разрушение капсулы приводит к выходу из строя лишь ее одной и вызывает минимальную потерю работоспособности приемника. Применение многоэлементной системы снижает также возможность ухудшения теплообмена из-за образования местных пустот в капсуле при затвердевании ТАМ. Рис. Рис. ТН с тепловыми трубами (рис. При заряде сконцентрированное солнечное излучение попадает через апертуру 1 в полость приемника и нагревает первичные тепловые трубы. Их конденсационные участки 3 погружены в ТАМ, что обеспечивает его плавление. Часть энергии проходит к вторичной тепловой трубе (трубам) 4 и передается ею (ими) к преобразователю. В данном случае преобразователем служит двигатель Стирлинга 5. Одним из преимуществ солнечных термических двигателей является их способность использовать в качестве рабочего тела практически любое вещество, если давление его паров при температурах - К составляет величину порядка 4 Па и выше. Работа солнечного термического двигателя (рис. Рабочее тело, протекая внутри приемника, нагревается и затем поступает в ТН 6, осуществляя его заряд. После этого рабочее тело направляется в реактивное сопло, расширяется и создает тягу [,,5]. Рис. На теневом участке орбиты, либо при нарушении ориентации летательного аппарата (ЛА) на Солнце, нагрев рабочего тела обеспечивает ТН. На рис. В.В. Глаз-ковым и O. A. Синкевичем []. Установка имеет массу 0 кг при массе накопителя 0 кг и имеет тепловую мощность - кВт.