Способ создания аккумулятора тепла
METHOD FOR CREATING A HEAT ACCUMULATOR

Изобретение относится к устройствам для хранения тепла и может быть использовано в автономном солнечном электротеплоснабжении бытовых и производственных помещений, преимущественно лунной базы.
Температура на поверхности Луны составляет днем 130°С, а ночью минус 180°С, поэтому помещения базы, кроме электроснабжения, нуждаются в отоплении ночью и отводе тепла днем. Эта задача может быть решена применением аккумуляторов тепла и холода. Такой аккумулятор для практических целей имеет массу порядка сотен тонн, поэтому его целесообразно размещать в грунте вблизи помещения.
Известна энергосберегающая холодильная камера (RU 2732582 С1, опубл. 21.09.2020, бюл. № 27, МПК: F25D 13/00 (2006.01). Она создается путем размещения в грунте герметичного контейнера, заполненного теплоемким материалом, в частности водой.
Известен способ использования тепла приповерхностного грунта (RU 2615678 С1, опубл. 06.04.2017, бюл. № 10, МПК: F24J 2/44 (2006.01)), в котором применяется засыпка котлована слоем гальки, в котором циркулирует жидкий или газообразный теплоноситель.
Наиболее близким к предлагаемому является способ комбинированного использования альтернативных источников энергии (патент RU 2622779 С1, опубл. 20.06.2017, бюл. № 17, МПК: F24D 5/00 (2006.01), F24F 5/00 (2006.01), F24J 2/00 (2014.01), F24J 3/08 (2006.01)), принятый за прототип.
В этом способе грунтовый аккумулятор тепла создают путем гидравлического разрыва пласта. В образовавшиеся трещины закачивают легкоплавкое теплоаккумулирующее вещество - парафин или глауберову соль, и размещают трубы теплообменника.
Недостаток способа состоит в том, что он требует доставки теплоаккумулирующего вещества (сотни тонн) к месту сооружения накопителя, что для лунной базы неприемлемо дорого. Кроме того, этот способ не предусматривает теплоизоляцию аккумулирующего вещества от окружающего грунта.
Задача изобретения состоит в разработке способа создания аккумулятора тепла из местных ресурсов, с минимальным количеством оборудования, доставляемого с Земли.
Техническим результатом предлагаемого решения является упрощение и удешевление процесса сооружения аккумулятора тепла для лунной базы.
Этот результат достигается тем, что в способе создания аккумулятора тепла, состоящем в создании полости в грунте и размещении в этой полости теплоемкого материала и теплообменника, в качестве теплоемкого материала используют лунную пыль, в слое которой на глубине 5-10 м размещают теплообменник и закрепляют его так, чтобы он не перемещался при плавлении лунной пыли, подают в него теплоноситель с температурой, превышающей температуру плавления лунной пыли, затем, по мере образования вокруг теплообменника расплава стеклянной массы, ее оседания и уплотнения под ней грунта, производят подсыпку с поверхности дополнительного объема лунной пыли до образования необходимого объема стеклянной массы.
Сущность предлагаемого способа состоит в том, чтобы использовать в качестве теплоаккумулирующего вещества самый распространенный на Луне материал - лунную пыль. Она состоит, в основном, из двуокиси кремния с примесями окислов железа, алюминия, магния, титана, кальция и др., имеет удельную теплоемкость около 900 Дж/кг⋅К, но, к сожалению, имеет крайне низкую, неприемлемую для аккумулятора теплопроводность порядка 0,01 Вт/м⋅К (Игнатова A.M., Игнатов М.Н. Использование ресурсов реголита для освоения лунной поверхности // Международный журнал экспериментального образования, 2013, № 11-2, с. 101-110, URL: http://expeducation.ru/ru/article/view?id=4325). Однако, если эту пыль расплавить, образовавшаяся стеклянная масса после остывания будет иметь теплопроводность порядка 1,1 Вт/м⋅К, мало меняясь с изменением температуры. Этой величины теплопроводности во многих случаях может быть достаточно для сооружения аккумулятора тепла.
Температура плавления лунной пыли зависит от состава пыли в данном месте Луны и составляет 1400-1600 К, поэтому контактирующий с пылью теплообменник может быть изготовлен, например, из титана (температура плавления 2216 К).
Этот теплообменник должен быть размещен в слое лунной пыли на глубине 5-10 метров, и закреплен так, чтобы он не перемещался при плавлении лунной пыли. Для этого он может быть связан с поверхностными элементами конструкции с помощью, например, тросов. Кроме того, он должен быть связан трубопроводами с источником тепла, имеющим температуру выше температуры размягчения лунной пыли, т.е. выше 1400-1600 К. Этим источником может быть концентратор солнечного излучения параболического типа (например, жесткий многосекционный концентратор из алюминия (Грилихес В.А. и др., Солнечная энергия и космические полеты, М., Наука, 1984 г., с. 37), или транспортабельная ядерная энергоустановка (например, по проекту Kilopower, www.nasa.gov/directorates/spacetech/kilopower), или сочетание этих источников. Теплоноситель от источника тепла подают в теплообменник. Теплоносителем может служить инертный газ (например, гелий) или водород. При подаче горячего теплоносителя прилегающие к теплообменнику слои лунной пыли начинают размягчаться и плавиться. Через некоторое время теплообменник будет окружен расплавленной стеклообразной массой, по форме приближенной к сфере. По мере увеличения количества этой массы она будет оседать, уплотняя нижележащий слой пыли. При этом нижний слой массы, удаляясь от теплообменника, будет затвердевать, образуя своеобразную опорную поверхность, аналог фундамента-плиты. Поскольку при этом верхний слой пыли над теплообменником будет оседать, требуется производить подсыпку с поверхности дополнительного объема лунной пыли до образования необходимого объема стеклянной массы. Эта стеклянная масса вместе с теплообменником и образует аккумулятор тепла. По завершении процесса подачу теплоносителя следует прекратить. Аккумулятор со всех сторон будет окружен лунной пылью, которая является хорошим теплоизолятором. Глубина расположения теплообменника выбирается такой, чтобы после завершения образования стеклянной массы над ней оставался слой пыли толщиной 2-3 м для теплоизоляции. Объем стеклянной массы выбирается исходя из потребной теплоемкости аккумулятора, удельной теплоемкости стекла, равной примерно 900 Дж/кг⋅К и диапазона рабочих температур.
Аккумулятор можно использовать как в твердом состоянии, так и в состоянии расплава. Предпочтительно в составе базы иметь два аккумулятора, один для накопления тепла лунным днем и второй для накопления холода лунной ночью. Такое решение позволит обеспечить не только отопление и охлаждение помещений базы, но и работу тепловой машины для выработки электроэнергии.
В качестве примера практической реализации можно предположить, что аккумулятор должен обеспечить в течение лунной ночи (14 земных суток) помещения базы теплом мощностью 20 кВт и электроэнергией мощностью 10 кВт. Электроэнергия должна вырабатываться двигателем Стерлинга в паре с электрогенератором. Характеристики такой установки, полученные в результате расчета, приведены в таблице 1.
Если применен теплообменник пластинчатого типа, теплообмен происходит по обе стороны панели с теплоносителем. В этом случае общая площадь панелей составит 87 м. Он может состоять из девяти панелей размерами 3×3 м, расположенных на расстоянии 0,5 м друг от друга. Абсолютное давление теплоносителя в теплообменнике не превышает 0,1-0,2 МПа, поэтому теплообменник может быть выполнен из тонкостенного материала, например, из титанового листа толщиной 0,5 мм. В этом случае масса теплообменника составит около 500 кг. Поскольку на Луне есть вода, в качестве теплоносителя может быть применен водород, получаемый из воды в процессе электролиза (ГОСТ 3022-80). Титан также может быть получен из лунного грунта.