Разработка тепловых аккумуляторов фазового перехода для комбинированных энергоустановок с применением возобновляемых источников энергии

Р. А. Ильин; Н. Д. Шишкин

doi:10.71759/by6f-ky66

Разработка тепловых аккумуляторов фазового перехода для комбинированных энергоустановок с применением возобновляемых источников энергии

Р. А. Ильин, Н. Д. Шишкин

Аннотация

Рассмотрена актуальная проблема повышения эффективности и надёжности комбинированных энергоустановок на основе возобновляемых источников энергии за счёт применения тепловых аккумуляторов фазового перехода (ТАФП). Проведён анализ различных типов конструкций ТАФП (капсульные, кожухотрубные, со скребковым и ультразвуковым удалением материала и др.), выявлены их основные преимущества и эксплуатационные недостатки. В качестве ключевого метода интенсификации теплообмена предложено использование высокотеплопроводных инклюзивов (ВИ) различных форм (пластины, решетки, спирали), которые позволяют увеличить интенсивность процессов зарядки и разрядки в 2 – 4 раза. Представлены расчётные зависимости для оценки коэффициента интенсификации теплообмена и оптимизации геометрических параметров ТАФП. Разработаны и рекомендованы конкретные конструкции ТАФП для систем горячего водоснабжения и отопления на основе солнечной и ветровой энергии, а также для комбинированной вихревой ветросолнечной энергоустановки (ВВСЭУ). Сделан вывод о перспективности применения ТАФП с высокотеплопроводными инклюзивами для создания эффективных и компактных систем аккумулирования тепловой энергии в гибридных энергокомплексах.

Ключевые слова

phase change thermal accumulator (PCTA), renewable energy sources (RES), combined energy units, high-thermal-conductivity inclusions, heat transfer intensification, phase change material (PCM), solar energy, wind energy

Полный текст:

PDF

Литература

Patel, J. A review of phase change material based thermal energy accumulators in small-scale solar thermal dryers / J. Patel, J. Andharia, A. Georgiev, D. Dzhonova, S. Maiti, T. Petrova, K. Stefanova, I. Trayanov, S. Panyovska // Bulgarian Chemical Communications, Vol. 52, Special Issue C. – 2020. – Рp. 53 – 64. https://clck.ru/3TJcbi.

Atalay, H. Assessment of energy and cost analysis of packed bed and phase change material thermal energy storage system for the solar assisted drying process / H. Atalay // Solar Energy, 198, 2020. Pp. 124 – 138.

Аккумуляторы фазового перехода вещества [Электронный ресурс]. — URL: https://helpiks.org/ 9-42532.html (дата обращения 11.08.2025).

Быстров, В. П. Теплоаккумуляторы с использованием фазового перехода. Вопросы экономии теплоэнергетических ресурсов в системах вентиляции и теплоснабжения / В. П. Быстров, А. В. Ливчак // Сборник научных трудов. — М.: ИНФИНИТИ, 2013. — С. 75 – 90 с.

Бултабаев Ф. Н. Подбор инкапсулированных фазопереходных материалов для эффективного межсезонного аккумулирования и хранения солнечной энергии для теплоснабжения гражданских зданий / Ф. Н. Булатбаев, Д. О. Жабаева, Ю. Ф. Булатбаева, В. В. Лихачев // Труды Карагандинского технического университета им. Абылкаса Сагинова. — 2025. — № 1(98). — С. 421 – 427.

Shalaby, S. M. Solar dryers with PCM as energy storage medium / M. Shalaby, M. A. Bek, A. A. El-Sebaii. A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. — 2014. — 33. — Pp. 110 – 116.

Александров, А. А. Теплофизические свойства рабочих веществ теплоэнергетики: справочник / А. А. Александров, К. А. Орлов, В. Ф. Очков, А. А. Александров, К. А. Орлов, В. Ф. Очков. — Москва: Издат. дом МЭИ, 2009. — 224 с.

G. Righetti, Experimental study of phase change material (PCM) embedded in 3D periodic structures realized via additive manufacturing / G. Righetti // I. J. of Thermal Sciences. (2020) 153. 106376 622.

Шишкин, Н. Д. Фазопереходные тепловые аккумуляторы с высокотеплопроводными инклюзивами: монография / Н. Д. Шишкин, Ю. В. Цымбалюк. — Астрахань: Саратовский научный центр РАН, 2006. — 120 с.

Шишкин, Н. Д. Исследование теплофизических свойств теплоаккумулирующих материалов фазового перехода / Н. Д. Шишкин, О. В. Милованцев // Сб. научн. трудов. — Астрахань: АИСИ, 2001. — С. 63 – 71.

Бараненко, А. В., Применение веществ с фазовыми переходами для аккумулирования тепловой энергии / А. В. Бараненко, П. А. Кузнецов, В. Ю. Захарова, А. П. Цой // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. — 2018. — Т. 18. № 6. — С. 990–1000. DOI: 10.17586/2226-1494- 2018-18-6-9901000.

Warzoha, R. J. Temperature-dependent thermal properties of paraffin phase change material embedded with herringbone graphite nanofibers / R. J. Warzoha, R. M. Weigand and A. S. Fleischer // Applied energy. — 2015. — Vol. 137. — P. 716 – 725.

Щегольков, А. В. Применение наномодифицированных теплоаккумулирующих материалов для солнечных энергетических установок / А. В. Щегольков, А. В. Щегольков, И. О. Плотницкий // Вестник аграрной науки Дона. — 2017. — № 4 (40). — С. 46 – 51.

Joybari, M. M. Heat transfer enhancement of phase change materials by fins under simultaneous charging and discharging / M. Joybari, F. Haghighat, S. Seddegh, A. A. Al-Abidi // Energy Conversion and Management. — 2017. — V. 152. — P. 136 – 156. DOI: 10.1016/j.enconman.2017.09.018

Ismail, K. A. R. Fins and turbulence promoters for heat transfer enhancement in latent heat storage systems / K. A. R. Ismail, F. A. M. Lino, Experimental thermal and fluid science, 35(6), 2011. Pp. 1010 – 1018.

Григорьев, И. С., Фазоизменяемые материалы и энергетика / И. С. Григорьев, А. В. Дедов, А. В. Елецкий // Теплоэнергетика. — 2021. — № 4. — С. 3 – 17. DOI: 10.1134/S0040363621040020.

Sharma, S. D. Latent heat storage materials and systems: a review / S. D. Sharma, K. Sagara // International Journal of Green Energy. — 2005;2:1 – 56. DOI: 10.1081/GE-200051299.

Henríquez-Vargas, L. Thermoelectric generation in a PCM-based Energy accumulator / L. Henrнquez-Vargas, et al. // Heat and Mass Transfer. — 2021. — Т. 57. — № 8. — С. 1265 – 1274.

Шишкин, Н. Д. Исследование влияние инклюзивов на повышении скорости зарядки тепловых аккумуляторов фазового перехода / Н. Д. Шишкин, Р. А. Ильин, И. Р. Адельшинов // Высшая школа: научные исследования. Материалы Межвузовского международного конгресса (г. Москва, 7 июля 2023 г.). Т. 2. — М.: ИНФИНИТИ, 2023. — 159 с.

Шишкин, Н. Д. Исследование параметров механических ветротеплогенераторов для автономного теплоснабжения различных потребителей / Н. Д. Шишкин, Р. А. Ильин // Промышленная энергетика. — 2020. — № 1. — С. 51 – 55.

Шишкин, Н. Д. Вихревые вертикально-осевые ветровые энергетические установки для автономного энергоснабжения / Н. Д. Шишкин, Р. А. Ильин // Энергобезопасность и энергосбережение. — 2022. — № 1. — С. 32 – 37.

DOI: http://dx.doi.org/10.71759/by6f-ky66