СПОСОБ НАКОПЛЕНИЯ И ХРАНЕНИЯ ВЫСОКОПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
METHOD OF HIGH-POTENTIAL THERMAL ENERGY ACCUMULATION AND STORAGE

Изобретение относится к способам и устройствам для хранения высокопотенциальной тепловой энергии в процессе получения и использования тепловой энергии от сжигания различных горючих в теплоэнергетике и, в частности, к ресурсосбережению при утилизации боеприпасов способами управляемого выжигания с генерацией тепла для полезного использования, например, получения пара с критическими и сверхкритическими параметрами. Управляемое выжигание заряда взрывчатого вещества из вертикально установленной оболочки снаряда осуществляют путем инициирования послойного горения взрывчатого вещества со стороны его свободной поверхности воздействием на эту поверхность нагретого до высокой температуры поджигающего тела в виде свободно текучих сферических или цилиндрических частиц сыпучего твердого теплоносителя. Для повышения производительности при массовой утилизации боеприпасов, например, артиллерийских снарядов, устройства для осуществления способа модули выжигания группируют в установке выжигания боеприпасов (Карелин В.А., Кирий Г.В., Мелешко В.Ю., Краснобаев Ю.Л. Способ расснаряжения боеприпасов. RU 2224215, 2002 [1]).
Выгружаемый после окончания выжигания заряда взрывчатого вещества нагретый сыпучий твердый теплоноситель несет и сохраняет в себе высокопотенциальную тепловую энергию для последующего использования.
Известны способы накопления и хранения высокопотенциального тепла в устройствах, называемых тепловыми аккумуляторами (ТА). Их применяют в гелиоэнергетике для обеспечения бесперебойной работы выходных электрогенераторов при суточных изменениях интенсивности солнечного излучения (Warekar S., Schmitz S., Goetsche J., Hoffschmidt В., Tamme R. Air-Sand Heat Exchanger for High-Temperature Storage // ASME 2009, 3-rd International Conference on Energy Sustainability, Vol.2 [2]), на крупных теплоэлектрических станциях для обеспечения стабильных параметров подаваемой энергии при суточных изменениях уровней потребления с помощью регулирования мощности паровых турбин при постоянной генерируемой тепловой мощности паровых котлов (Schluderberg D.C. Moving Bed Heat Storage and Recovery System // US 4361009, 1982. Babcock & Wilcox Company, Nat.Cl. 60/659, Int.Cl F01K 3/00 [3]). Во всех этих способах тепловая энергия источника тепла, Солнца или парогенератора, передается промежуточному теплоносителю, которым является сыпучий твердый материал, поступающему после нагрева в ТА. При необходимости сыпучий твердый теплоноситель извлекается для пополнения тепловой мощности выходных генераторов энергии.
В предпочтительном исполнении в соответствии с патентом [3] поток сыпучего твердого теплоносителя состоит из плотных частиц, например песка, имеющих размер, который выбирают для максимизации запаса тепла и минимизации разности температур между поверхностью и усредненной внутренней зоной частиц. При выборе размера частиц учитывают их теплопроводность и плотность, а также экономические факторы, например стоимость материала и доступность. В соответствии с патентом поток сыпучего твердого теплоносителя выходит из приемника солнечного излучения с температурой в диапазоне от 816°С до 1093°С. В бункер-накопитель твердый теплоноситель поступает с температурой от 149 до 260°С.
Применительно к решаемой технической задаче недостатком известных ТА является связь с одним источником тепла, инерционность процессов пополнения и извлечения энергии.
Наиболее близким по технической сущности, достигаемому результату и принятым за прототип является способ хранения тепла, в циркулирующем сыпучем твердом материале, заявленный в патенте (Palkes M., Teigen B., Jukkola G.D., Continuous Moving Bed Solar Steam Generation System // WO 2009/129170. 2009. Alstom Technology Ltd [4]). В соответствии со способом нагретый поток сыпучего твердого теплоносителя из источника тепла, приемника солнечного излучения, поступает в ТА, который размещен в одном корпусе с последовательно и нижерасположенным блоком парогенерации, состоящим из перегревателя пара и собственно парогенератора. Нагретый сыпучий твердый теплоноситель под действием гравитации последовательно опускается через перегреватель пара с расположенными в нем трубками теплообмена и парогенератор также с трубками теплообмена. Охлажденный сыпучий твердый теплоноситель выпускают в бункер-накопитель. Охлажденный твердый теплоноситель с помощью трубы пневмотранспорта поднимают к верхнему бункеру-питателю приемника солнечного излучения. Перед загрузкой в верхний бункер сыпучий твердый теплоноситель отделяют от несущего газа трубы пневмотранспорта в сепараторе циклонного типа. Несущий газ удаляют в окружающую среду.
Существенным недостатком этой установки является применение пневмотранспорта сыпучего твердого теплоносителя, при движении в котором происходит значительная потеря тепловой энергии частиц, поскольку несущий газ (воздух) далее просто выбрасывается в окружающую среду. В результате снижается кпд устройства. Отсутствие физического разделения ТА и блока парогенерации ограничивает возможности ТА по накоплению тепловой энергии и распределению ее между различными потребителями. ТА не рассчитан на работу от источников тепла, связанных со сжиганием горючих, продукты сгорания которых могут быть загрязнены различными примесями, оседающими на частицах твердого теплоносителя.
Решаемой технической задачей являлась разработка способа накопления и хранения тепла потоков циркулирующих сыпучих твердых теплоносителей, поступающих с различной периодичностью из источников тепла, основанных на сжигании различных горючих материалов, очистки сыпучих твердых теплоносителей от остатков продуктов сгорания, стабилизации температуры хранения и распределения накопленного высокопотенциального тепла в виде потоков сыпучих твердых теплоносителей по потребителям.
Решение поставленной технической задачи заключается в том, что в способе накопления и хранения высокопотенциальной тепловой энергии продуктов сгорания, включающем переменную по времени загрузку самотеком циркулирующего нагретого сыпучего твердого теплоносителя от источника тепла в тепловой аккумулятор в виде теплоизолированной емкости, накопление в ней резервного запаса нагретого сыпучего твердого теплоносителя и выпуск потока сыпучего твердого теплоносителя с постоянным расходом самотеком под действием гравитации потребителю, высокопотенциальную тепловую энергию получают от источников тепла в виде модулей выжигания в установке утилизации боеприпасов, сообщенных с одним групповым тепловым аккумулятором, переменную загрузку нагретого теплоносителя осуществляют самотеком по закрытым желобам отдельно от каждого модуля выжигания из группы, закрытые желоба размещают по периметру емкости, поступающий сыпучий твердый теплоноситель распределяют по сечению емкости с помощью наклонных лотков различной радиальной длины с высотой падения ссыпаемого сыпучего твердого теплоносителя не более 10 см, выжигают остатки горючего на ссыпающихся вниз частицах сыпучего твердого теплоносителя подводимым по периметру емкости воздухом вентилирования, выравнивают температуру сыпучего твердого теплоносителя путем пропускания через сходящуюся выходную часть емкости при выпуске в преобразователь тепловой энергии потребителя, возвращаемый потребителем охлажденный циркулирующий сыпучий твердый теплоноситель поднимают в бункер-питатель установки утилизации с помощью механического элеватора. Теплоизолированную емкость выполняют цилиндроконической с размещением модулей выжигания вокруг емкости. Теплоизолированную емкость выполняют прямоугольно-клиновидной с размещением модулей вдоль длинных сторон прямоугольно-клиновидной емкости. Преобразователем тепловой энергии является парогенератор турбины, соединенной с электрогенератором. Преобразователем тепловой энергии является реактор газификации биомасс для получения синтез-газа.
Сравнительный анализ существенных признаков прототипа и предлагаемого устройства показывает, что отличительными признаками предложения являются те, в соответствии с которыми:
- переменную загрузку нагретого теплоносителя осуществляют самотеком по закрытым желобам отдельно от каждого модуля выжигания боеприпасов из группы;
- закрытые желоба размещают по периметру емкости;
- поступающий сыпучий твердый теплоноситель распределяют по сечению емкости с помощью наклонных лотков различной длины внутри емкости с высотой падения ссыпаемого зернистого материала не более 10 см;
- выжигают остатки горючего на ссыпающихся вниз частицах подводимым по периметру емкости воздухом вентилирования;
- выравнивают температуру сыпучего твердого теплоносителя путем пропускания через сужающуюся выходную часть емкости при выпуске в преобразователь тепловой энергии потребителя;
- возвращаемый от потребителя охлажденный сыпучий твердый теплоноситель поднимают к бункеру-питателю модулей выжигания с помощью механического элеватора.
Сущность настоящего предложения будет более понятна из рассмотрения фигур чертежа, где:
фиг.1 представляет общую схему верхней части теплового аккумулятора;
фиг.2 представляет вид А-А фиг.1 общей схемы верхней части теплового аккумулятора;
фиг.3 показывает пример расположения модулей выжигания вокруг цилиндроконического теплового аккумулятора;
фиг.4 дает пример размещения модулей выжигания вдоль длинных сторон прямоугольно-клиновидного теплового аккумулятора и следующего описания исполнения изобретения.
Как показано на фиг.1, фиг.2 цилиндроконический ТА, предназначенный для реализации способа, содержит корпус 1 со слоем высокотемпературной теплоизоляции (не показана). Верхняя часть ТА снабжена крышкой с газоотводом (не показана). Наклонные вводы самотечных закрытых желобов загрузки 2 от модулей выжигания установки утилизации (не показаны) расположены по периметру верхней части корпуса 1 и имеют выступающие внутрь аккумулятора нижние концевые кромки. Кромки являются порогами распределения сыпучего твердого теплоносителя по лоткам 3 и ссыпания теплоносителя на открытую поверхность слоя параллельно и на некотором удалении от стенки ТА. Для выравнивания распределения сыпучего твердого теплоносителя по открытой поверхности слоя лотки 3а, 3б и 3в имеют различную длину в радиальном направлении. Верхние концевые кромки закрытых желобов снабжены отбойными щитками 4 для формирования потока сыпучего твердого теплоносителя по лотку. Ниже пояса размещения закрытых желобов 2 по периметру корпуса 1 выполнен коллектор 5 подачи воздуха вентилирования. Нижняя коническая часть корпуса (показана частично) заканчивается типовой арматурой управления выпуском твердого теплоносителя к потребителю или потребителям, например к парогенератору или в реактору газификации биоотходов, например паровым риформингом, для получения синтез-газа (не показаны).
Число модулей выжигания в установке утилизации боеприпасов определяет количество закрытых желобов и компоновку установки в целом по круговой на фиг.3 или линейной схемам на фиг.4. При круговой компоновке модули 6 равномерно распределены по окружности вокруг корпуса 1 ТА. Каждый модуль 6 трубой 7 соединен с отдельным циклонным сепаратором 8 отходящих охлажденных продуктов сгорания. Продукты сгорания отводятся по трубам 9, соединенным на выходах с общим кольцевым коллектором 10. Спускные закрытые желоба 11 от сепараторов 8 всех модулей 6 соединены в центре над емкостью 1 ТА в общий центральный коллектор, имеющий свободный выход в центральную зону емкости ТА для загрузки отделенных в сепараторах твердых теплоносителей. Закрытые желоба 12 служат для отвода основной массы горячих твердых теплоносителей из модулей 6. Кольцевой коллектор 10 соединен с газоотводной трубой 13.
При линейной компоновке корпус 1 ТА выполняют в виде прямоугольно-клиновидной емкости с размещением модулей 6 вдоль длинных ее сторон.
При работе нагретый, например, до 800°С твердый теплоноситель по наклонным желобам поступает в верхнюю часть ТА с расходом около 0,2 кг/с из каждого модуля выжигания. Отбойные щитки 4 ограничивают поток по высоте и распределяют его полоткам 3а, 3б и 3в для ссыпания в полость ТА в определенной зоне для каждого лотка. Воздух вентилирования подают в коллектор 5 под лотками, так что воздушный поток проходит через завесу ссыпаемого твердого теплоносителя и вступает в химические реакция выжигания примесей. Продукты сгорания примесей удаляют через отводную трубу на крышке ТА (не показана).
-11
3
3
10
11
рез
в-з
ак
рез
Обеспечение непрерывного по времени поступления в ТА твердого теплоносителя в условиях периодического проведения операций выгрузки пустых корпусов и установки новых боеприпасов осуществляют путем подключения дополнительных модулей выжигания. Например, для непрерывной загрузки в аккумулятор тепла около 2 кг/с твердого теплоносителя при паузах для операции «выгрузки-установки» боеприпасов на каждом модуле общей продолжительностью 16,6 с, будет необходимо иметь два дополнительных модуля выжигания к 10 имеющимся модулям. Тогда 12 модулей выжигания с полным циклом 116,6 с каждый будут обеспечивать непрерывную загрузку ТА с суммарной наработкой 1000 с и с предельными вероятностями поступления зернистого материала в аккумулятор тепла от 0 кг/с (Р=6,72·10) (на всех модулях выполняются операции выгрузки-установки) и до максимального поступления материала в аккумулятор тепла (все модули работают) 12·0,2=2,4 кг/с (Р=0,1569). Значения вероятностей для системы с 12 модулями были получены из условия вероятностей пауз для единичных модулей Р=16,6/116,6=0,142 и работы Р=100/116,6=0,857. Продолжительность полной паузы в предельном случае будет достигать 16 с. Для компенсации потребности выпуска зернистого материала в выходной теплообменник в течение этого времени необходимо иметь резервный запас зернистого материала в аккумуляторе, по меньшей мере, Q=t-q=16·2,0=32 кг. С учетом коэффициента запаса этот резерв, например, принимают Q=200 кг или 0,08 м или при свободной засыпке с учетом порозности ε=0,35 объем твердого теплоносителя в аккумуляторе тепла составит 0,133 м.
3
Эту засыпку размещают в цилиндроконической емкости диаметром 1,0 м и высотой 0 75 м. Поступление зернистого материала от 12 модулей осуществляют по 12 наклонным желобам в 12 точках по окружности емкости. Для ссыпания зернистого материала от одного модуля выжигания используют 26,1 см периметра емкости, что при объемном расходе зернистого материала 80 см/c дает начальную толщину слоя на лотке 4,7 см с учетом порозности слоя ε=0,35.
Высота падения сыпучего твердого теплоносителя выбрана из условий снижения механического разрушения частиц при ударе. При высоте падения 0,1 м и плотной компоновке установки выжигания с разностью высот выхода сыпучего твердого теплоносителя из модуля выжигания и ссыпания с лотка в ТА 0,3-0,4 м скорость соударения с учетом трения частиц о наклонный желоб ориентировочно составит 2-3 м/с. Оценки по распределению Вейбулла разрушения твердых частиц типа оксида алюминия в плотном потоке при таких скоростях показали очень малую долю разрушенных частиц (Salman A.D., Reynolds O.K., Hounslou М. Particle impact breakage in particulate processing // KONA, 2003, №21, pp.88-99).
Вентилирование свободного пространства в верхней части емкости воздухом, подаваемым через ряд отверстий под лотками, обеспечивает выжигание примесей. Поскольку не ожидается большого количества нагара вследствие работы модулей выжигания с избытком воздуха на конечной стадии и контакта зернистого материала с воздухом при движении по спускным трубам (желобам), то замена фильтрационного процесса очистки зернистого материала от нагара на вентиляционный процесс будет экономически эффективной в результате снижения расхода воздуха и потерь тепла. Коническая или прямоугольно-клиновидная нижняя часть ТА обеспечивают истечение твердого теплоносителя без застойных зон и с гомогенизацией температуры.
3
2
Применительно к рассматриваемой конструкции цилиндроконического аккумулятора тепла с диаметром цилиндрической части 1 м и высотой 0,25 м при высоте конической части 0,5 м (общий объем 0,326 м) получена площадь поверхности 3,47 м. В качестве теплоизоляции в первом приближении принята магнезия в виде слоя толщиной 0,1 м с коэффициентом теплопроводности λ=0,0814 Вт/м К. Расчеты потерь для температуры внутри аккумулятора тепла 800°С при температуре окружающего воздуха 20°С показали тепловые потери на уровне 20,8 кВт при общей тепловой мощности установки выжигания 2800 кВт.
Нижняя коническая или клинообразная часть ТА обеспечивает гомогенизацию сыпучего твердого теплоносителя при истечении. Вывод сделан на основании исследования гидродинамики и процесса усреднения высококонцентрированной гранулированной хорошо сыпучей среды в вертикальном сужающемся канале на основе модели степенной жидкости. Принятая модель содержала независимый эмпирический коэффициент, учитывающий скольжение частиц по твердой поверхности. Достоверность предложенной модели была проверена сопоставлением расчетного распределения скорости среды с опытными данными. (Шваб А.В., Марценко М.С. Исследование движения плотного слоя гранулированной среды и процесса смешения в сужающемся канале // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика, 2010, №4(12), с.123-130.)
Управление процессом выпуска потока твердого теплоносителя в спускной желоб потребителя осуществляют при помощи сводообрушителей, затворов и питателей. Кроме того, сводообрушители изменяют свойства груза в зоне выпуска, что способствует обеспечению заданной производительности выгрузки, подавлению процесса сегрегации груза, частичному восстановлению сыпучести слежавшегося материала (Горюшинский И.В., Кононов И.И., Денисов В.В., Горюшинская Е.В., Петрушкин Н.В. Емкости для сыпучих грузов в транспортно-грузовых системах // Учебное пособие. Самарская государственная академия путей сообщения. Самара. 2003. - 232 с.).
Возвращаемый от потребителя охлажденный твердый теплоноситель, например с температурой 400°С, из бункера-накопителя (не показан) поднимают в бункер-питатель (не показан) установки выжигания с помощью механического ковшового элеватора, рассчитанного на работу при повышенных температурах.