Аккумулирование с использованием скрытой теплоты фазовых переходов

При использовании теплового эффекта, который возникает в результате нагревания или охлаждения воды или гравия, количество получаемого тепла невелико относительно объема теплового аккумулятора. Недостаток обычного теплового аккумулирования в том, что оно требует значительного пространства, и по мере отдачи тепла температура аккумулятора понижается. Существуют такие вещества, у которых при фазовых превращениях - плавлении, испарении и кристаллизации - выделяется так называемая скрытая теплота фазового перехода, причем количество выделяющейся теплоты достаточно велико. Как видно из самого названия "скрытая теплота", в процессе фазового превращения вещества его температура не меняется, т.е. весь процесс идет при определенной температуре. Если, например, взять воду, то для получения 1 кг воды из снега при температуре 0°С требуется 80 ккал тепла, для испарения 1 кг воды при 100°С необходимо 540 ккал. В процессе испарения выделяется много тепла, но при этом наблюдаются большие изменения в объеме вещества, так что этот процесс нельзя осуществлять в тепловом аккумуляторе. Можно использовать лишь скрытую теплоту плавления.

Аккумулирование скрытой теплоты очень удобно для системы солнечного отопления. Температура фазовых переходов выбирается невысокой, подходящей для отопления домов. Подбираются вещества, у которых плавление происходит при температурах от 30 до 50°С. При их плавлении выделяется много тепла и обходится оно дешевле. Если добиться стабильности используемых веществ и применять меры по технике безопасности при работе с ними, можно получить надежный аккумулятор на основе скрытой теплоты фазового перехода. Попытки получения Дешевого аккумулятора скрытой теплоты делались и раньше. Известно, что 30 лет назад проф. Мария Телкес из Делаварского Университета (США) проводила исследования в этом направлении.

В настоящее время на практике используются два вида веществ для аккумуляторов данного тепла: хлорид кальция (CaCl₂∙6Н₂0) и сульфат натрия (глауберова соль). Хлорид кальция имеет точку плавления 29°С, тепловой эффект фазового Перехода из твердого в жидкое состояние составляет 42 ккал/кг (при плотности 1,622 кг/м³). В лучшем случае в веществе, претерпевающем фазовый переход, аккумулируется такое же количество тепла, как в воде, занимающей 1/7 объема этого вещества при ее нагреве на 10°С.

Аккумуляторам, использующим скрытую теплоту фазовых переходов, как и воде, свойственно явление переохлаждения, и при применении таких аккумуляторов особенно важно его предотвращать.

Виды аккумуляторов, использующих скрытую теплоту фазовых переходов

а — форма панелей; б — цилиндры; в — полиэтиленовые трубы, применяемые в пассивных системах использования солнечного тепла;
г - трубы; д - шары со сквозными каналами для воздуха; е -капсулы

Для аккумуляторов на основе хлорида кальция американской фирмой "Даукэмикал" разработана и внедрена в практику добавка в виде хлористого стронция, который предотвращает переохлаждение расплава и отличается большой надежностью.

Аккумуляторы с использованием скрытой теплоты фазовых переходов, в которых теплоаккумулирующее вещество помещено в полиэтиленовые емкости, можно хранить в помещениях и применять в системе солнечного отопления. Такие вещества применяют и в аккумуляторных баках с воздушным и водяным нагревом.

Иногда в аккумуляторах данного типа используют вещества на основе глауберовой соли. Их положительным свойством считается низкая температура плавления, примерно 31°С. Однако при их применении кроме добавки, предохраняющей от переохлаждения, необходимо вводить загустители, предотвращающие разложение смеси.

В настоящее время ведутся разработки новых аккумулирующих веществ с точкой плавления 10-20°С для систем охлаждения. Эти разработки основаны на добавлении в аккумулирующие вещества на основе глауберовой соли и хлорида кальция других гидратов солей. Кроме того, изучают возможности использования гидратированных сульфатов алюминия, квасцов аммония и других соединений с температурой плавления 80-100°С в аккумуляторах тепла для абсорбционных холодильных установок. В то же время проводят исследования некоторых органических теплоаккумулирующих веществ: парафина, полиэтиленгликоля, масел, жиров и др. Однако, принимая во внимание их пожароопасность, это направление вряд ли можно считать перспективным для практики.

В самом деле, разработать такие высокоэффективные аккумуляторы тепла очень заманчиво. Конечно, трудно делать предположения на будущее, но в настоящее время сфера применения аккумуляторов на основе скрытой теплоты фазовых переходов, вероятно, будет ограничена установками пассивных методов преобразования солнечного излучения в тепло. В системе горячего водоснабжения, которая получила наибольшее распространение на настоящем этапе развития гелиотехники, 1 кг воды при нагреве в течение дня с 15 до 55°С аккумулирует 40 ккал. Таким образом, в аккумуляторах, использующих скрытую теплоту фазовых переходов, выделяемую, например, при плавлении, в ближайшем будущем едва ли удастся заменить воду.