Тепловая батарея - Thermal battery

Тепловая батарея
Тип	Энергия
Принцип работы	Термодинамика
Изобрел	Тепловые насосы, используемые GHEX, изображенными выше, были изобретены в 1940-х годах Робертом К. Уэббером.
Первое производство	Впервые тепловые насосы были произведены в 1970-х годах.

А батарея тепловой энергии это физическая структура, используемая для хранения и освобождения тепловая энергия -смотрите также накопитель тепловой энергии. Такая тепловая батарея (также известная как TBat) позволяет временно сохранять энергию, доступную в одно время, а затем высвобождать ее в другое время. Основные принципы работы тепловой батареи проявляются на атомарном уровне материи. энергия добавляется или извлекается из твердой массы или жидкого объема, что вызывает температура изменить. Некоторые тепловые батареи также вызывают термический переход вещества через фаза перехода что заставляет еще больше энергии накапливаться и высвобождаться из-за дельта энтальпия плавления или дельта энтальпия испарения.

История тепловых батарей

Тепловые батареи очень распространены и включают такие знакомые предметы, как Бутылка горячей воды. Ранние примеры тепловых батарей включают каменные и глиняные кухонные плиты, камни, помещенные в огонь, и печи. Хотя печи и обжиговые печи являются духовками, они также являются системами хранения тепла, которые зависят от тепла, сохраняемого в течение длительного периода времени.

Типы тепловых батарей

Тепловые батареи обычно делятся на 4 категории с различными формами и применениями, хотя в основном все они предназначены для хранения и извлечения тепловой энергии. Также они различаются способом и плотностью аккумулирования тепла.^{[нужна цитата ]}

Фазовый тепловой аккумулятор

Материалы с фазовым переходом, используемые для аккумулирования тепла, способны сохранять и выделять значительную теплоемкость при температуре, при которой они меняют фазу. Эти материалы выбираются на основе конкретных применений, потому что существует широкий диапазон температур, которые могут быть полезны в различных приложениях, и широкий диапазон материалов, которые изменяют фазу при разных температурах. Эти материалы включают соли и воски, специально разработанные для тех применений, которые они обслуживают. Помимо промышленных материалов, вода является материалом с фазовым переходом. Скрытая теплота воды составляет 334 Дж / грамм. Фазовый переход воды происходит при 0 ° C (32 ° F).

Некоторые приложения используют теплоемкость воды или льда в качестве хранилища холода; другие используют его как накопитель тепла. Он может обслуживать любое приложение; лед можно растопить для сохранения тепла, а затем повторно заморозить, чтобы нагреть среду с температурой ниже нуля (помещение жидкой воды с температурой 0 ° C в такую среду нагревает ее намного больше, чем та же масса льда при той же температуре, потому что скрытая теплота замерзания извлекается из него, поэтому фазовый переход имеет значение), или воду можно заморозить, чтобы «сохранить холод», а затем растопить, чтобы сделать среду выше точки замерзания, холоднее (и опять же, данная масса льда при 0 ° C обеспечит больше охлаждения, чем та же масса воды при той же температуре).^{[нужна цитата ]}

Преимущество использования фазового перехода таким образом заключается в том, что данная масса материала может поглощать большое количество энергии без изменения его температуры. Следовательно, тепловая батарея, использующая фазовый переход, может быть легче или может быть вложена в нее больше энергии без недопустимого повышения внутренней температуры.^{[нужна цитата ]}

Герметичная тепловая батарея

Инкапсулированная тепловая батарея физически похожа на тепловую батарею с фазовым переходом в том, что это ограниченное количество физического материала, который термически нагревается или охлаждается для хранения или извлечения энергии. Однако в инкапсулированной тепловой батарее без изменения фазы температура вещества изменяется без изменения фазы. Поскольку фазовый переход не требуется, доступно гораздо больше материалов для использования в герметизированной тепловой батарее.^{[нужна цитата ]}

Одним из ключевых свойств герметичной тепловой батареи является ее объемная теплоемкость (VHC), также называемый зависящим от объема теплоемкость. Типичные вещества, используемые для этих тепловых батарей, включают воду, бетон и влажный песок.^{[нужна цитата ]}

Примером герметичной тепловой батареи является жилой водонагреватель с накопительным баком.^[1]^[2] Эта тепловая батарея обычно медленно заряжается в течение примерно 30–60 минут для быстрого использования при необходимости (например, 10–15 минут). Многие коммунальные предприятия, понимая природу водонагревателей как «тепловую батарею», начали использовать их для поглощения избыточной энергии из возобновляемых источников, когда она доступна для дальнейшего использования домовладельцем. Согласно цитированной выше статье,^[1] «Чистая экономия электроэнергии в системе в целом может составить 200 долларов в год на один обогреватель, часть из которых может быть передана его владельцу».

Термобатарея GHEX - без капсулы

Подземный теплообменник (GHEX) - это участок земли, который используется в качестве тепловой батареи сезонного / годового цикла. Эти тепловые батареи представляют собой участки земли, в которые помещены трубы для передачи тепловой энергии; они «неинкапсулированы» в том смысле, что целевая область не изолирована от остальной окружающей земли. Энергия добавляется к GHEX, пропуская через трубы текучую среду с более высокой температурой и, таким образом, повышая температуру местной земли. Энергия также может быть получена из GHEX, пропуская жидкость с более низкой температурой по тем же трубам.

Тепловые батареи GHEX обычно бывают двух видов. На картинке выше изображен так называемый «горизонтальный» GHEX, где траншеи используются для размещения некоторого количества трубы в замкнутом контуре в земле. Они также образуются путем бурения скважин в земле вертикально или горизонтально, а затем трубы вставляются в виде замкнутого контура с фитингом с U-образным изгибом на дальнем конце контура. Эти просверленные тепловые батареи GHEX также иногда называют «скважинными системами хранения тепловой энергии».

Тепловая энергия может быть добавлена к тепловой батарее GHEX или снята с нее в любой момент. Однако чаще всего их используют как Сезонное хранение тепловой энергии работа по годовому циклу, при котором энергия извлекается из здания в течение летнего сезона для охлаждения здания и добавляется к GHEX, а затем эта же энергия позже извлекается из GHEX в зимний сезон для обогрева здания. Этот годовой цикл добавления и вычитания энергии очень предсказуем на основе моделирования энергии обслуживаемого здания. В этом режиме используется тепловая батарея. Возобновляемая энергия источник, поскольку энергия, добытая зимой, будет возвращена в GHEX следующим летом в постоянно повторяющемся цикле. Этот тип работает от солнечной энергии, потому что это тепло от солнца летом отводится от здания и хранится в земле для использования в следующем зимнем сезоне для отопления. Существует два основных метода тестирования теплового отклика, которые используются для определения теплопроводности и теплоемкости / диффузии тепловых батарей GHEX - подгонка одномерной кривой с логарифмическим временем.^[3] и недавно выпущенный Advanced Thermal Response Testing^[4]^[5].

Хороший пример годового цикла тепловой батареи GHEX можно увидеть в исследовании ASHRAE Building.^[6]. Как видно из графика контура заземления и температуры окружающего воздуха по датам (рис. 2-7), можно легко увидеть синусоидальную форму годового цикла температуры земли, поскольку тепло в сезон отводится из земли зимой и отводится на землю в летом, создавая наземный «тепловой заряд» в течение одного сезона, который не разряжается и перемещает другое направление от нейтрального до более позднего сезона. Другие более совершенные наземные тепловые батареи, использующие преднамеренные тепловые схемы ствола скважины, в настоящее время исследуются и используются на ранней стадии.^{[нужна цитата ]}

Другие тепловые батареи

Есть и другие предметы, которые исторически назывались «тепловыми батареями». В этой группе находится батарея расплавленной соли который представляет собой устройство для выработки электроэнергии. Другие примеры включают тепловые пакеты, которые лыжники используют для согрева рук и ног (см. грелка для рук ). Это химическая батарея, которая при активации (в данном случае воздухом) выделяет тепло. Существуют и другие родственные химические тепловые батареи для производства холода (см. мгновенный холодный компресс ) обычно используется для спортивные травмы.

Один общий принцип этих других тепловых батарей заключается в том, что вовлеченная реакция, как правило, необратима. Таким образом, эти батареи не используются для хранения и извлечения тепловой энергии.