Акумулатори с МФП

Неорганични материали, като кристалохидратите [4, 5], притежават по-висока топлопроводност при значителна латентна топлина на топене. Тяхното приложение трябва да вземе предвид някои проблеми с разделяне на фазите и ефекти на преохлаждане при непрекъснати цикли на нагряване и охлаждане, което води до намаляване на капацитета за съхранение на топлина.

Евтектичните МФП са смеси от два или повече МФП, с фазов преход при температура по-ниска от тази на всеки от компонентите, напр. евтектични водно-солеви разтвори, евтектични соли или метални сплави.

Системите с латентен топлинен акумулатор (ЛТА) се отличават с много широк обхват на приложение и имат добри перспективи за отопление и охлаждане в жилищни сгради. Те могат да бъдат разпределени в топлопреносната мрежа, както и свързани в индивидуални системи за производство на топлина с възобновяеми източници, отпадна топлина или конвенционални енергийни източници.

Системите за съхранение на топлина при ниска и средна температура са предимно от индиректен тип, с твърда стена, разделяща топлоносителя и МФП. Конфигурациите са два вида, компактен (обикновено кожухотръбен) и капсулиран. Относно различните ЛТА системи, налични в литературата, в над 70% от публикациите се разглеждат кожухотръбни системи. Те имат предимството на минимални топлинни загуби. Топлоносителят в кожухотръбния тип най-често е вода. Такава е конфигурацията и на търговския компактен ЛТА за битово отопление и гореща вода, произведен от компанията Sunamp Ltd (Великобритания) с капацитет 3-15 kWh [5]. Капсулираните системи с ЛТА съдържат контейнери с МФП, потопени в топлоносителя (въздух или вода). ЛТА с капсулиран МФП обикновено съдържа по-голям компонент на съхранение на явна топлина от кожухотръбния ЛТА в същия температурен диапазон. Основните предимства на капсулирането на МФП са осигуряване на голяма площ за пренос на топлина, намаляване на реактивността на МФП с външната среда и контролиране на промените в обема на материалите за съхранение при настъпване на фазова промяна. Въз основа на размера на контейнера капсулирането се класифицира като нано (0–1000 nm), микро (0–1000 μm) и макро (над 1 mm).

Основни изводи

1. Дизайнът на ЛТА трябва да осигурява избраните параметри на потреблението на топлинна енергия при определена температура на топлоносителя за определен период от време на разумна цена.

2. МФП трябва да имат подходящи характеристики  – температура на топене 5-10 oC над необходимата изходна температура на топлоносителя, подходящи топлинни, физични и химични свойства на МФП, наличност, икономичност и стабилност за продължително време. Необходими са подходящи добавки към МФП или увеличена топлообменна повърхност за повишаване на топлопроводността на МФП, както и добавки за подобряване на хомогенността и термичната стабилност и предотвратяване на преохлаждане на МФП по време на втвърдяване. Акумулаторът трябва да е проектиран така, че да се осигурява промяна на фазата на целия обем на МФП по време на зареждане/разреждане. Едно от основните изисквания на ЛТА е да се повиши скоростта на зареждане и/или разреждане.

3. Интензифициране на топлообмена посредством намаляване на конвективното съпротивление в топлоносителя чрез оптимална организация на флуидния поток. Математическото моделиране и изчислителната хидродинамика (Computational Fluid Dynamics - CFD) са важен инструмент за прогнозиране и оценка на протичащите конвективни процеси.

4. Ефективната изолация на АТЕ е задължителна.

5. Компактният размер и подходящата конфигурация на латентното топлинно акумулиране (ЛТА) правят кожухотръбните системи най-предпочитаният избор, като те вече се предлагат в търговската мрежа.  Капсулирането на МФП изглежда обещаващо, но все още се изследва за целите на разглежданите приложения за отопление на помещения и топла вода.

6. АТЕ трябва да позволява свързване към различни източници на топлина и интегриране в съществуващи системи за отопление и топла вода. Това е особено перспективно за интеграция с последните поколения отоплителни системи.

7. Свързването на ЛТА с термопомпа има добър потенциал за бъдещо широко приложение за оползотворяване на нискотемпературна отпадна топлина, както и възобновяеми източници, поради високата ефективност и възможност за лесна интеграция с електроенергийния сектор.

Литература

1. Papapetrou, M.; Kosmadakis; G.; Cipollina, A.; La Commare, U.; Micale, G. Industrial waste heat: Estimation of the technically available resource in the EU per industrial sector, temperature level and country. Appl.Therm.Eng. 2018, 138, 207–2016 (https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.04.043).

2. Paardekooper, S.; Lund, R. S.; Mathiesen, B. et al. Heat Roadmap Europe 4: Quantifying the Impact of Low-Carbon Heating and Cooling Roadmaps. 2018, Aalborg Universitetsforlag.

3. Mishra, R.K.; Verma, K.; Mishra, V.; Chaudhary, B. A review on carbon-based phase change materials for thermal energy storage. J. Energy Storage 2022, 50, 104166, https://doi.org/10.1016/j.est.2022.104166

4 Waser, R.; Ghani, F.; Maranda, S.; O’Donovan, T.S.; Schuetz, P.; Zaglio, M.; Worlitschek, J. Fast and experimentally validated model of a latent thermal energy storage device for system level simulations. Appl. Energy 2018, 231, 116–126, https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.09.06. 

5. CIBSE Journal. Storage Beater: Compact Energy Stores. 2021. Available online: https://www.cibsejournal.com/technical/storage-beater-compact-energy-stores/ (accessed on 26 September 2022.